混合填充式回熱器單級脈管制冷機性能研究

闞安康 張安闊 吳亦農

(1 中國科學院上海技術物理研究所 上海 200083; 2 上海海事大學商船學院 上海 201306)

混合填充式回熱器單級脈管制冷機性能研究

闞安康1,2張安闊1吳亦農1

(1 中國科學院上海技術物理研究所 上海 200083; 2 上海海事大學商船學院 上海 201306)

回熱器為回熱式低溫制冷機的關鍵部件，其性能對系統的影響甚大。為探索回熱器內金屬絲網混合填充對回熱器性能的影響，文章基于回熱器模擬軟件REGEN3.3仿真結果的基礎上，制作了單級脈管制冷裝置，采用#300SS，#400SS和#500SS的金屬絲網混填了四組回熱器，并在不同輸入功率下進行了系統制冷性能實驗。實驗結果表明，較之低目數絲網填充的回熱器制冷機，采用高目數絲網填充的回熱器制冷機性能較優；在回熱器熱端填充低目數，冷端填充高目數的絲網，可提高回熱器冷端壓比，提高整機制冷性能。

脈管低溫制冷機；回熱器；金屬絲網；實驗研究

自脈管制冷機問世以來，其性能優化及應用研究得到廣泛關注[1]。由于其低溫端無運動部件，結構簡單，運行穩定可靠，使用壽命長，振動小等諸多優點，近年來在信息、國家安全、航空航天、醫療設備等領域的應用備受青睞，且已成為國際相關領域的研究熱點[2]。回熱器為脈管制冷機的重要部件之一，其性能對制冷機整機性能有著重要影響[3]。工作頻率、回熱器長徑比、充氣壓力、冷端壓比、填充介質物性等均對回熱器性能有著重要印象。國內外諸多學者[3-16]就回熱器展開了多方面的研究，尤其在回熱器結構及填充方式上，采用數值模擬和實驗研究方法，取得很大進展。陳曦等[2]對回熱器填充結構及填充介質形式的國內外研究現狀進行了闡述，并對不同填充形式下的回熱器特性及整機性能進行了總結。絲網填充的回熱器，填充金屬絲網多為單一的某一目數，通過改變絲網目數及填充片數來調節回熱器性能[12-13]。Radebaugh R等[16]在既定填充絲網的情況下，通過改變工作頻率來提高整機性能。西安交通大學大學何雅玲課題組[14-15]對回熱器內絲網混填方式進行了理論分析和仿真，研究成果對回熱器優化設計具有一定的理論指導意義。中科院技術物理所吳亦農課題組[4]采用實驗的方法研究了脈管回熱器的填充形式，對金屬絲網的選擇具有實驗指導意義，浙江大學甘智華等[10]通過優化填充絲網的結構及材料，使單級GM型脈管制冷機獲得10 K的制冷溫度。這些研究工作都極大推動了低溫制冷機的發展。

通過上述專家的研究，筆者分析回熱器的回熱損失和工作氣體在回熱器內流動所造成的壓降損失是影響其性能的主要原因。采用金屬絲網填充的回熱器，高目數絲網所致軸向導熱損失小，壓降大；低目數絲網流阻小，壓降小，所致軸向導熱損失嚴重。綜合兩者利弊，筆者所在課題組提出采用不同目數的金屬絲網按照一定的比例組合填充，可以提高回熱器的性能，是回熱器優化的有效方法。

文章采用REGEN對單級直線型回熱器進行模擬，并以此為基礎，設計了一臺脈管制冷機，采用不同目數的金屬絲網混合填充，并進行相關實驗研究。研究結果對回熱器填充結構的優化具有借鑒意義。

1 回熱器設計

美國國家標準技術研究院(NIST)所推出的REGEN3.3軟件，可用于模擬計算低溫制冷機回熱器性能，指導脈管制冷機回熱器的設計。在該軟件中，回熱器作為被多孔介質填充的圓管，工作流體氦氣在多孔介質孔體積內交變流動，并與之進行換熱。基于氦氣一維流動基礎，采用焓流調相理論和守恒原理的有限差分方程，該軟件對所建立的模型采用熱平衡法，對給定的回熱器冷端質量流、冷端壓力波相位、平均壓力、壓比、頻率及回熱器填充多孔介質幾何和物性參數等，進行數值求解。一般設計時，需先確定回熱器填充介質的結構和材質，然后假定回熱器的尺寸，根據實際工況進行計算和調整，最終按照設計要求的制冷量和算例制冷量對比，獲得回熱器的最佳直徑。

選擇的回熱器工況：工作頻率為50 Hz，冷端溫度為90 K，初始充氣壓力為3.0 MPa，壓比為1.2～1.5，冷端質量流為6 g/s，回熱器填充介質為不銹鋼絲網混填，具體參數如表1所示。最終確定回熱器長度為55 mm。

表1 回熱器填充介質金屬絲網物性參數Tab.1 The physical properties of regenerator filled porous materials (metal twilled screen)

2 實驗裝置

圖1給出了單級脈管制冷機的結構示意圖。壓縮機采用對置式活塞壓縮機LVDT20，通過外接電源及變頻器控制壓縮機的輸出功率和頻率；制冷機為直線型設計，級后換熱器和脈管熱端換熱器均采用水冷方式，換熱器形式為狹縫式。測試單元中，冷端溫度Tc采用Pt-100型電阻式溫度傳感器測量，冷指置于真空腔內，實驗中采用分子泵來維持真空腔內真空度在10-4Pa以下；制冷量采用電阻絲測量，加熱單元采用直流電源加熱進而模擬熱負荷，電壓由恒電壓電源控制；線性壓縮機輸氣壓力等采用壓力傳感器采集和傳輸。采用慣性管和氣庫組合方式進行調相。系統相位對制冷性能的影響極大，采用氣庫和慣性管調節整個系統質量流、壓力波的相位及兩者的相位差[4]。一般冷端質量流相位滯后于壓力波而熱端質量流相位領先于壓力波，可獲得較好的制冷性能。冷端30°的相位滯后一般認為最優[10]。故而在回熱器內部填充介質進行調整時，其對應的氣庫和慣性管也需要做相應的調整。

回熱器總長度為55 mm，內部填充絲網結構為不銹鋼，混合填充情況如表2所示。實驗選取了四種填充方式，每種填充方式均配以相應的氣庫和慣性管組合，用以調節制冷系統所需相位，可提高制冷機性能。脈管采用薄壁鈦合金材質，長度為80 mm，兩端備以導流絲網，熱端換熱器采用狹縫式水冷換熱器以提高換熱效率。

1 對置式活塞壓縮機2傳輸管3級后換熱器4回熱器5冷端 6脈管7熱端換熱器8慣性管9氣庫10電源11數據采集器 P1，P2壓力傳感器Tc溫度傳感器圖1 脈沖管制冷機系統簡圖Fig.1 Schematic of the pulse tube refrigerator

標號目數絲網長度/mmR1#40055R2#300#4002035R3#400#5003520R4#300#400#500102520

注：#填充順序為自熱端向冷端。

3 實驗結果及討論

實驗過程中，保持熱端溫度為300 K，考察四種填充方式對制冷量和制冷性能的影響。主要研究四種不同填充方式對降溫速度和制冷性能的影響。

3.1 降溫速度對比

圖2給出了在相同頻率工況下的降溫曲線。由上述可知，回熱器填充率最高為R3，其次為R4，繼之R1，最低為R2。在頻率為50 Hz工況下，R2的最低制冷溫度可以達到75 K；其次為R1，71 K；繼之為R4，69 K；最低的為R3，約為66 K。降到設定溫度90 K，R1、R2、R3、R4分別用了5.5 min、6.5 min、4.5 min、5.5 min。脈管冷端實測壓比約為1.32、1.21、1.42、1.35，基本均在設計所需的冷端壓比(1.2～1.5)范圍內。隨著填充目數的增多，填充率增大，回熱器內交變流動工質流速減小，壓降增大。回熱器內多孔介質目數增高，微通道空間變細小，起到一定的節流降壓作用，能進一步降低冷端制冷速度和最低溫度，如果改變充氣壓力或提高工作頻率，這種變化可能更為明顯，尚待進一步實驗驗證。

圖2 填充回熱器單級脈管制冷機降溫曲線Fig.2 Cooling down process of pulse tube refrigerators with multi-metal-mesh filled regenerators

3.2 制冷性能對比

保持冷熱端溫度恒定為90 K，在相同工況下考察制冷機的整體制冷性能，獲得的制冷量與壓縮機輸入功關系如圖3所示。實驗結果表明，就制冷性能而言，R3(#400SS+#500SS)所對應的制冷機性能最佳，而填充率最低的R2(#300SS+#400SS)所對應之制冷機性能最差。填充絲網目數增大，填充過密，回熱器空容積減小，回熱器絲網比表面積增大，流道的水力直徑小于工作介質的熱滲透深度，提高了氦氣的換熱能力，回熱器性能增強。另一方面，交變流工質隨著回熱器填充絲網目數的增加，填充率的增大，其流速減緩，氣體焓流損失隨之降低。本實驗的結果與文獻[15]中的理論分析和實驗驗證結論是一致的。事實上，增大回熱器填充絲網目數，會導致回熱器與交變流工質之間的流動摩擦，造成能量損失，但在本實驗過程中，在既定工況和相同頻率下，其帶來的摩擦損失并不明顯。隨著工作頻率的變化，這種損失的影響可能會存在差異[16]，在后續的實驗中，將對其加以驗證。

圖3 不同填充形式回熱器脈管制冷機性能Fig.3 Cooling performance curve for different filled forms of pulse tube refrigerators

回熱器R4(#300SS +#400SS+#500SS)的性能較之單一絲網填充的R1(#400SS)性能要好，證明文獻[15]中所述的采用不同目數絲網填充時，冷端填充較高目數絲網，熱端填充較低目數絲網，可以有效提高回熱器冷端壓比，提高制冷機性能的預測。因此，在回熱器的冷熱端填充高低目數的絲網能有效提高回熱器的性能。但R4制冷機的性能比R3(#400SS+#500SS)制冷機的性能要差一些，所以采用更密一些的絲網，回熱器換熱更加充分。由于流道水力直徑的減小，交變流體在變流道內節流降壓，換熱更為充分，即使阻力損失增大，整體性能卻提高了。

4 結論

本文采用REGEN3.3對脈管制冷機回熱器進行優化設計，基于設計和優化的基礎上研制了單級脈管制冷機，并對回熱器填充絲網的結構形式進行了對比實驗研究。研究發現：

1)在設定冷指溫度為90 K的工況下，相對于回熱器采用單一的#400不銹鋼絲網填充方式，混合填充(#300+#400+#500和#400+#500)更有利于降低制冷機的冷卻時間，提高整機制冷性能；

2)在回熱器熱端填充低目數(#300 SS)的絲網，在回熱器冷端填充高目數(#500 SS)的絲網，較之單一的(#400 SS)填充方式而言，可有效提高冷端壓比，提高制冷機的性能，設計時可采用該方法對回熱器進行優化。

本文受上海市自然基金(15ZR1419900)項目資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Shanghai(No.15ZR1419900).)

[1] Gifford W E, Longsworth R C. Pulse tube refrigeration[J]. Trans ASME. 1964, 63: WA-210.

[2] 陳曦, 郭永飛, 張華, 等. 回熱式低溫制冷機用回熱器結構研究綜述[J]. 制冷學報, 2011, 32(3): 6-14, 28. (Chen Xi, Guo Yongfei, Zhang Hua, et al. Review of investigation on regenerator for regenerative cryocoolers[J]. Journal of Refrigeration, 2011, 32(3): 6-14, 28.)

[3] Radebaugh R, Louie B. A simple first step to the optimization of regenerator geometry[C]//Proceedings of the 3rd International Cryocooler Conference, Boulder, Colorado, USA, 1984: 177-198.

[4] 張安闊, 陳曦, 吳亦農, 等. 脈沖管制冷機混合填充式蓄冷器的實驗研究[J]. 低溫工程, 2013(2): 36-37, 41. (Zhang Ankuo, Chen Xi, Wu Yinong, et al. Experiment study of multi-mesh filled regenerator for pulse tube cryocooler[J]. Cryogenics, 2013(2): 36-37, 41.)

[5] Jafari S, Mohammadi B, Boroujerdi A A. Multi-objective optimization of a stirling-type pulse tube refrigerator[J]. Cryogenics, 2013, 55/56: 53-62.

[6] Nam K, Jeong S. Development of parallel wire regenerator for cryocoolers[J]. Cryogenics, 2006, 46(4): 278-287.

[7] Nam K, Jeong S. Measurement of cryogenic regenerator characteristics under oscillating flow and pulsating pressure[J]. Cryogenics, 2003, 43(10/11): 575-581.

[8] Hua J Y, Dai W, Luo E C, et al. Development of high efficiency stirling-type pulse tube cryocoolers[J]. Cryogenics, 2010, 50(9): 603-607.

[9] Gan Z H, Dong W Q, Qiu L M, et al. A single-stage GM-type pulse tube cryocooler operating at 10.6 K[J]. Cryogenics, 2009, 49(5): 198-201.

[10] 甘智華, 董文慶, 邱利民, 等. 10 K單級脈管制冷機性能研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2008, 37(Suppl.4): 408-411. (Gan Zhihua, Dong Wenqing, Qiu Limin, et al. Performance study of a single-stage pulse tube cooler at 10 K[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2008, 37(Suppl.4): 408-411.)

[11] 方蕾, 黃永華. 低溫回熱器模型REGEN[J]. 低溫與超導, 2010, 38(8): 4-9. (Fang Lei, Huang Yonghua. REGEN-A numerical model for cryogenic regenerator[J]. Cryogenics and Superconductivity, 2010, 38(8): 4-9.)

[12] Tao Y B, Liu Y W, Gao F, et al. Numerical analysis on pressure drop and heat transfer performance of mesh regenerators used in cryocoolers[J]. Cryogenics, 2009, 49(9): 497-503.

[13] Jensen J B, Engelbrecht K, Bahl C R H, et al. Modeling of parallel-plate regenerators with non-uniform plate distributions[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 53(23/24): 5065-5072.

[14] 高凡, 何雅玲, 劉迎文. 交變流動下絲網回熱器中壓降特性的數值分析[J]. 工程熱物理學報, 2008, 29(4): 668-670. (Gao Fan, He Yaling, Liu Yingwen. Numerical analysis of pressure drop characteristic in mesh regenerator under oscillating flow[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2008, 29(4): 668-670.)

[15] 高凡, 何雅玲. 絲網回熱器中換熱性能的優化[J]. 西安交通大學學報, 2008, 42(9): 1070-1075. (Gao Fan, He Yaling. Heat transfer performance optimization for mesh regenerator [J]. Journal of Xi′an Jiaotong University, 2008, 42(9): 1070-1075.)

[16] Radebaugh R, O Gallagher A. Regenerator operation at very high frequencies for microcryocoolers[J]. Advances in Cryogenic Engineering, 2006, 51: 1919-1928.

About the author

Kan Ankang, male, Ph.D./senior engineer, postdoctoral of Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, +86 21-38282971, E-mail: ankang0537@126.com. Research fields: heat and mass transfer in porous materials, cryogenic technology, et al.

The Performance of Pulse Tube Cryogenic Cryocooler with Multi-metal-meshFilled Regenerator

Kan Ankang1,2Zhang Ankuo1Wu Yinong1

(1. Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Science, Shanghai, 200083, China; 2. Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai, 201306, China)

As the key component of the pulse tuber cryocooler, the regenerator plays a vital role on the thermal performance. In order to analyze the effect of the filled metal meshes on the thermal performance of regenerator, the real single-stage pulse tube cryocooler was designed and manufactured, according to the results of calculation and simulation by REGEN3.3. Four typical multi-metal-mesh filled regenerators were built with stainless screens #300SS, #400SS and #500SS. The comparison experiments were carried out. The thermal property of the refrigerator was collected and the conclusion was obtained. The thermal performance of the pulse tube refrigerator with small metal mesh screen filled regenerator is superior to that of the one with lager metal mesh screen filled regenerator. And filling the lager mesh screen at the hot end of the regenerator and the small mesh screen at the cold end can improve the gas compression ratio and the thermal performance.

pulse tube cryogenic cryocooler; regenerator; metal twilled screen; experimental study

2015年4月17日

0253- 4339(2015) 06- 0074- 04

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.074

TB651+.4;TP391.9

A

闞安康, 男，博士，高級工程師，中國科學院上海技術物理研究所博士后，上海海事大學商船學院，(021)38282971，E-mail: ankang0537@126.com。研究方向：多孔介質傳熱傳質、低溫制冷技術等。