張廣偉 王乃亮 荀玉強 蔡京輝

（1 中國科學院理化技術研究所,中國科學院空間功熱轉(zhuǎn)換技術重點實驗室 北京 100190）

（2 中國科學院大學 北京 100049）

1 引 言

小型脈沖管制冷機目前已經(jīng)廣泛應用于航天領域和低溫超導領域,主要是因為其沒有運動部件,并且壽命長,振動小,結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高。脈沖管制冷機的主要任務是將航天衛(wèi)星上的紅外探測器溫度降到液氮溫區(qū)附近,降低背景噪聲,從而提高探測器的探測范圍和靈敏程度。但由于脈沖管制冷機在空間應用和地面實驗可能會存在重力的差異,導致脈沖管制冷機在應用階段和實驗階段可能會存在一定的差異。重力影響的物理原理一般解釋為開放脈管內(nèi)的自由對流[1]。當脈沖管的熱端不處于向上方向時,這種差異的影響水平大到足以阻止系統(tǒng)在地面測試時的運行要求[2]。有研究表明,重力對于小長徑比的脈沖管制冷機影響更大[3],這里的長徑比一般指脈沖管的長徑比。所以,試圖探尋重力的影響規(guī)律,對于指導小長徑比脈沖管制冷機的地面實驗有意義。

到目前為止,國內(nèi)外也相繼報道了重力特性研究的相關實驗。2003 年,日本Masao Shiraishi 應用可視化技術,研究了長徑比為20 的傾斜孔板脈管制冷機典型傾斜角為0—180°時的二次流動,發(fā)現(xiàn)重力驅(qū)動對流與聲流的疊加很好地解釋了流型與傾角的關系[1]。2009 年,美國新墨西哥州Los Alamos 國家實驗室凝聚態(tài)物質(zhì)和熱物理組通過實驗發(fā)現(xiàn),重力驅(qū)動對流被聲波振蕩抑制的倒置脈沖管類似于倒擺,通過其樞軸點的高頻振動來穩(wěn)定[4]。2017 年,美國T Fang 等通過模擬和實驗,結(jié)果表明,冷端組件的微小幾何特征對脈管制冷機的重力定向靈敏度有很大的負面影響[5]。另外國內(nèi)也進行了諸多探索。1998 年中國科學院低溫技術實驗中心楊魯偉等通過對同軸型制冷機進行實驗,發(fā)現(xiàn)重力在冷端向下時可以改善制冷性能,在冷端向上時降低制冷機性能[6]。2001年西安交通大學胡延東等通過計算和實驗表明,冷端在下時,自然對流對脈沖管內(nèi)的換熱有抑制的作用,有利于保持兩端的溫差[7]。2002 年,西安交通大學何雅玲等對長徑比為18.7 的脈沖管內(nèi)的自然對流進行了模擬和實驗測量。實驗表明當冷端在下時獲得的制冷溫度最低;當熱端在下并與重力方向成30°時制冷溫度最高[8]。2008 年,中國科學院理化技術研究所侯小鋒等通過數(shù)值模擬和實驗研究指出,冷指方向與重力方向的夾角變化會對脈沖管制冷機的性能產(chǎn)生較大的影響,在135°時脈沖管內(nèi)部會形成環(huán)流[9]。

但是,有研究發(fā)現(xiàn),U 型脈沖管制冷機在溫度超過65 K 時,各角度制冷量變化在3%以內(nèi),脈沖管傾角的影響不大[10]。另外,2002 年,在對流層發(fā)射光譜儀的地面測試中,對儀器的低溫組件進行的第一次地面測試,沒有觀察到重力方向的影響。然而,在使用相同的脈沖管定向的儀器級測試中,發(fā)現(xiàn)了顯著的方向性影響[11]。

由此看來,近10 多年來對于脈沖管制冷機重力特性研究較少,對于不同類型的脈沖管制冷機角度對脈沖管制冷機的制冷性能影響還沒有定論,而且實驗大多是針對長徑比為20 左右的大長徑比脈沖管制冷機。所以,對于脈沖管制冷機的重力特性的研究仍任重而道遠。本研究針對實驗室自主研制的長徑比為4 的小長徑比同軸脈沖管制冷機進行重力特性的實驗研究,從而進一步探究脈沖管制冷機的重力特性。

2 實驗研究

2.1 實驗裝置

本實驗研究是在重力特性實驗臺上完成的。壓縮機采用實驗室研制的大功率對置線性壓縮機,制冷機為同軸型脈沖管制冷機,采用慣性管加氣庫的調(diào)相方式,脈沖管長徑比為4。實驗裝置主要包括溫度采集、充氣、真空、冷卻、角度調(diào)節(jié)等部分。具體實物圖和示意圖如圖1 所示。系統(tǒng)充氣壓力為3.5 MPa。實驗通過不銹鋼管連接冷指與線性壓縮機,并在壓縮機箍和壓縮機座上設置通孔,相鄰孔之間的間隔為15°,從而使得冷指可以繞壓縮機旋轉(zhuǎn),改變冷指軸向與重力方向的夾角。實驗中規(guī)定冷指中溫度梯度的反方向與重力方向的夾角為角θ。

圖1 重力特性實驗實物圖與示意圖Fig.1 Physical diagram and schematic diagram of gravity characteristic experiment

2.2 制冷機性能

圖2 是輸入功率為150 W、200 W、300 W 時,脈沖管制冷機無負荷最低溫度隨重力方向的變化情況圖。當溫度發(fā)生波動難以穩(wěn)定時,取波動時最高溫度與最低溫度的算術平均值。從圖中可以看出,脈沖管制冷機無負荷最低溫度與輸入功率關聯(lián)度較大。當輸入功率為150 W 時,各角度無負荷最低溫度溫差最大達到30 K 以上,而在300 W 輸入功率時,其差值不超過10 K。說明隨著輸入功率的增加,角度對于脈沖管制冷機的性能影響變小。這是由于不同角度下,脈沖管內(nèi)的對流會影響制冷效果,有的文章中把這種影響稱為對流寄生熱負荷[10]。而輸入功率越高,制冷機制冷量越大,越容易把這種對流寄生熱負荷抵消掉。在同一輸入功率下,傾角在60°以內(nèi)制冷機的冷指溫度隨角度變化很小,溫差在2 K 以內(nèi)。在傾角大于60°時,冷指溫度變化較大,隨角度先增大后減小,最高溫度出現(xiàn)在135°—150°附近,在此角度范圍內(nèi),制冷機性能最差。當角度大于150°時,制冷機制冷性能又有所恢復。這是由于制冷機有將脈沖管內(nèi)氣體沿脈沖管軸向方向按溫度分層的趨勢,當角度為180°時,由于這時的對流方向也是沿脈沖管軸向方向的,制冷機的這種分層的趨勢會把對流“抵消”;當角度大于90°小于180°時,脈沖管內(nèi)的對流可以分解為沿軸向方向和沿徑向方向兩個部分,沿軸向方向的對流可以被這種趨勢所抵消,而沿脈沖管徑向的對流不能夠被抵消,而此時的氣體溫度分層不垂直于脈沖管軸向方向,所以脈沖管內(nèi)氣流的摻混會更加嚴重。所以當脈沖管制冷機處于重力場工作時,應盡量使角度保持在0°,此時的性能最佳;一般情況下,盡量將角度控制在60°以內(nèi),否則會對制冷機性能產(chǎn)生較大影響。

圖2 不同輸入功率無負荷最低溫度隨角度變化Fig.2 Variation of no-load minimum temperature with angle at different input power

為了探究角度對制冷量的影響,將相同輸入功率下角度為0°時的80 K 溫度下的制冷量定為標準制冷量,其余角度的80 K 制冷量相對于0°的比值看作相對制冷量。圖3 采用極坐標圖的形式展示了各輸入功率下不同角度的相對制冷量。從圖中可以看出,在150 W 輸入時,135°—150°的相對制冷量最小,這也同時說明了此角度下制冷能力最差。在150 W 輸入時,80 K 相對制冷量最低到0.2 左右;300 W 輸入時,80 K 相對制冷量最小為0.9 左右,約為150 W 輸入時的4.5 倍。所以輸入功率越高,相對制冷量波動就越小,同一角度下相對制冷量數(shù)值越大。

圖3 不同輸入功率下的相對制冷量Fig.3 Relative refrigerating capacity under different input power

圖4 分別展示了150 W、200 W、300 W 制冷機的性能曲線。從圖4a 可以看出,在夾角不大于90°時,制冷機的制冷曲線保持著較好的線性關系,當角度處于90°與180°之間時,制冷機的制冷曲線線性關系較弱。當角度為180°時,又恢復了不大于90°時的線性關系,并且其斜率要大于前者。并且在0°到135°,制冷機制冷性能不斷變差,135°到180°,制冷機性能逐漸恢復至105°到120°之間的水平。從圖4 可以看出,伴隨著輸入功率的增加,呈現(xiàn)非線性的性能曲線逐漸變少,這也同時印證了隨著輸入功率增加,角度對于脈沖管制冷機的性能影響變小這一現(xiàn)象。

圖4 不同輸入功率下性能曲線Fig.4 Performance curve under different input power

2.3 溫度、輸入功率和電流的波動

當在某一固定角度實驗時,溫度在趨于穩(wěn)定時會產(chǎn)生波動,導致無法維持在某一個確切數(shù)值。同時,輸入功率與電流也有波動產(chǎn)生。通過觀察發(fā)現(xiàn),絕大多數(shù)測試實驗能夠在波動產(chǎn)生15 分鐘后到達波動的穩(wěn)定狀態(tài),所以實驗中,取波動產(chǎn)生15 分鐘后的波動值,作為本次實驗的數(shù)據(jù)值,如圖5d 所示。圖5 所示是無負荷下不同輸入功率下各角度溫度、輸入功率與電流波動值。其中,波動值的計算是產(chǎn)生波動時最大的數(shù)值與最小數(shù)值之差。從圖中可以看出,溫度、輸入功率與電流的波動大小的變化趨勢基本一致。當脈沖管內(nèi)流場發(fā)生變化時,這種變化會直接作用于壓縮機的輸入功率,從而間接導致電壓和電流的變化。當角θ大于90°時,在重力的作用下,溫度高的介質(zhì)會與溫度低的介質(zhì)發(fā)生摻混,導致脈沖管中介質(zhì)的紊亂程度增加。在流場紊亂程度和輸入功率的共同作用下,冷指冷端的溫度會出現(xiàn)與二者相同趨勢的變化。從圖中可以看出,輸入功率越高,相同角度下各參數(shù)的波動值越小。另外,同一輸入功率下,各參數(shù)的波動最大值集中在105°—165°區(qū)間內(nèi),說明在此角度區(qū)間內(nèi),脈沖管內(nèi)流場展現(xiàn)了相對較強的不穩(wěn)定性。0°—90°區(qū)間內(nèi),各參數(shù)基本不發(fā)生波動,在此區(qū)間內(nèi)脈沖管內(nèi)流場較為穩(wěn)定。

圖5 不同參數(shù)隨角度波動大小及溫度波動示意圖Fig.5 Schematic diagram of fluctuation of different parameters with angle and temperature

3 結(jié)論與分析

對小長徑比脈沖管制冷機的重力特性進行了測試,通過實驗研究,可以得出以下結(jié)論:

（1）制冷機在角度為135°—150°時制冷能力最差。在150 W 輸入時,80 K 相對制冷量最低達到0.2左右。

（2）隨著輸入功率的增加,角度變化對于脈沖管制冷機的影響變小。300 W 輸入時的最低相對制冷量約為150 W 輸入時的4.5 倍左右。

（3）溫度、輸入功率與電流的波動大小的變化趨勢變化基本一致。同一輸入功率下,各參數(shù)的波動最大值集中在105°—165°區(qū)間內(nèi)。

（4）輸入功率越高,相同角度下各參數(shù)的波動值越小。