李宜軒，陳 曦，武 飛，邵 帥

（上海理工大學能源與動力工程學院 制冷與低溫技術(shù)研究所，上海 200093）

0 引言

由于冷端無運動部件，脈管制冷機具有振動小、壽命長及可靠性高等優(yōu)點[1-2]，在紅外探測[3]，氣體液化[4-5]以及超導(dǎo)技術(shù)[6-7]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。脈管制冷機在中高溫區(qū)領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用價值，如用于生物醫(yī)學低溫冰箱等。

荀玉強等[8]實驗研究了1臺同軸型高頻脈管制冷機在170 K溫區(qū)的性能，用于冷卻電子設(shè)備。對比分析了冷端采用不同絕熱形式時制冷機的輸入功的變化情況。實驗表明當絕熱良好時，在25 W的輸入功下，制冷機冷端即可達到-100℃，而在無絕熱條件下，則需要60 W左右的輸入功。為中溫區(qū)小冷量冷卻的電子設(shè)備提供了方向。

上海理工大學曹永剛等[9]和上海技物所合作對用于空間低溫冰箱的斯特林型脈管制冷機進行了實驗研究。實驗表明，冷端溫度為183 K，輸入功150 W，直線型結(jié)構(gòu)可獲得32.7 W的冷量，而同軸型結(jié)構(gòu)性能稍差為22.4 W，最高COP可達21.8%。隨后，劉少帥等[10]通過實驗分別測試了直線和同軸結(jié)構(gòu)在170 K溫區(qū)時的性能，實驗表明在170 K產(chǎn)生20 W冷量，直線型輸入功需要105 W，而同軸型則需要140 W，最大COP可達19.05%，通過該研究可以看出脈管制冷機在中溫區(qū)具有發(fā)展前景。2015年，海爾特種電氣有限公司陳海濤等[11]和上海理工大學制冷與低溫工程研究所合作研制了1臺工作溫度可達187 K的低溫冰箱。這給低溫冰箱的研制以及中高溫區(qū)脈管制冷機的應(yīng)用方面提供了借鑒。

闞安康等[12]用新型丙綸纖維填充回熱器，對單級脈管制冷機進行了實驗研究，研究結(jié)果表明，充氣壓力對丙綸填充回熱器的制冷機整體性能影響較大，工作頻率的影響不是很明顯。最大制冷量為16.49 W@170 K/3.0 MPa，并獲得了96.4 K的最低制冷溫度。

高頻有助于實現(xiàn)脈管制冷機小型化和輕量化。高頻工作條件下盡量保證壓縮機運行在系統(tǒng)的共振頻率上，這樣才會使得壓縮機輸出效率最高。夏洪軍等[13]對基于線性壓縮機驅(qū)動的高頻同軸型脈管制冷機進行了數(shù)值模擬和實驗研究，在已知壓縮機參數(shù)的條件下，利用節(jié)點分析法模擬出結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)，并搭建實驗臺對該脈管制冷機進行了性能測試，實驗表明，在充氣壓力2 MPa，運行頻率45 Hz時，可達到的最低制冷溫度為116 K，具有良好的制冷性能。熊超等[14]對高頻同軸脈管制冷機進行了實驗研究，結(jié)果表明在輸入功為210.3 W，運行頻率為62 Hz時，獲得了10 W/80 K的制冷性能，比卡諾效率為12.66%，同時整機質(zhì)量小于5.5 kg。

針對實驗室的1臺100 Hz線性壓縮機，以新型丙綸纖維為回熱器填料，設(shè)計了1臺中溫區(qū)工作的直線型脈管冷指，完成了實驗臺的搭建，并對該脈管制冷機在不同條件下的制冷性能進行實驗研究。

1 脈管制冷機及實驗裝置

圖1給出了脈管制冷機的結(jié)構(gòu)示意圖?；谝痪S數(shù)值模擬軟件SAGE 5.0，建立了脈管制冷機的數(shù)值模型并進行了仿真模擬。由于所使用的直線壓縮機的參數(shù)已經(jīng)確定，則優(yōu)化目的是各結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與該直線壓縮機匹配。經(jīng)優(yōu)化后，冷指各部件尺寸參數(shù)和最佳運行參數(shù)如表1所列。所用制冷工質(zhì)為99.999%的高純氦氣，采用新型丙綸纖維為回熱器填料，具有安裝方便，成本低廉等優(yōu)點，實驗中其絲徑為23 μm，孔隙率為70%。所用壓縮機驅(qū)動電源為EC1000S智能電源。壓力傳感器為ENDEVCO公司研制的603型，壓力波動信號可在示波器上實時顯示。采用熱電偶測量冷端溫度，并通過HP34970實現(xiàn)電腦數(shù)據(jù)采集。恒溫水箱的控溫范圍是-5～95℃，水箱進口有Pt100溫度傳感器，可將溫度波動控制在±0.05℃。

圖1 脈管制冷機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of the pulse tube crycooler

表1 脈管制冷機優(yōu)化參數(shù)Table 1 Optimization parameters of the pulse tube crycooler

2 實驗結(jié)果及討論

通過實驗測試平臺，對設(shè)計的中溫區(qū)高頻斯特林型脈管制冷機開展了實驗研究，通過改變充氣壓力、運行頻率、冷熱端溫度等運行參數(shù)測試了制冷機的性能，獲得了降溫曲線以及不同輸入電功率下的制冷量與COP，并將最終的數(shù)據(jù)與理論情況進行了對比分析。

2.1 降溫性能實驗

維持制冷機系統(tǒng)的充氣壓力為3 MPa，壓縮機運行頻率為100 Hz，輸入功在150 W，熱端溫度為300 K。在此工況下，通過SAGE模擬所得的無負荷制冷溫度為135.6 K，如圖2為實驗中冷機的降溫曲線。

圖2 脈管制冷機的降溫曲線Fig.2 Cooling-down curve

實驗中隨著脈管制冷機工作時間的推移，冷端溫度快速降低，可以看出在前30 min內(nèi)溫度的降幅較大，在第30 min時冷頭已經(jīng)從300 K降至170 K；當運行時間為70 min后，冷頭的溫度趨于穩(wěn)定，最后得到149.3 K的無負荷制冷溫度，與模擬值相差13.7 K。

2.2 充氣壓力對制冷性能的影響

脈管制冷機充氣壓力的提高可以增大回熱器兩端的壓比，同時也影響著壓縮機的固有頻率和活塞阻尼。在本次實驗研究中保持系統(tǒng)運行頻率100 Hz，熱端300 K，壓縮機電功100 W。如圖3為不同冷端溫度下制冷量隨系統(tǒng)充氣壓力曲線，制冷量隨著制冷溫度的增加而增加。

圖3 不同充氣壓力對制冷量的影響Fig.3 Cooling power versus charging pressure

如表2所列，由示波器測得當充氣壓力分別為2.5 MPa、3.0 MPa、3.5 MPa時，壓縮機出口壓比分別為1.23、1.22、1.20。可以說明在100 W輸入電功時，當制冷機內(nèi)的充氣壓力升高，壓縮腔內(nèi)氣體剛度增大，阻抗增大，使得振幅減小，壓縮機效率降低，即壓縮活塞電功轉(zhuǎn)化為PV功的效率減小，從而導(dǎo)致制冷量減小。

表2 壓縮機出口壓力波參數(shù)Table2 Pressure wave parameters of the compress or outlet

2.3 脈管制冷機的頻率特性實驗

當壓縮機運行在諧振頻率時其效率最高。一般來說壓縮機的固有頻率與彈簧和氣體剛度以及動子質(zhì)量有關(guān)，而本實驗所使用的壓縮機其彈簧剛度與動子質(zhì)量已經(jīng)給定，因此其固有頻率只與氣體剛度有關(guān)。壓縮機輸入電功為150 W時，當頻率在94～110 Hz增加時，制冷量隨頻率的改變?nèi)鐖D4所示。實驗結(jié)果顯示制冷量隨著脈管制冷機的運行頻率增加而先增加后減少，在102 Hz時制冷量達到最大值，最佳頻率為102 Hz。即當制冷機運行在102 Hz時最接近其諧振狀態(tài)，壓縮機效率最高。與模擬值100 Hz符合的較好，誤差較小。當制冷機運行頻率在100～106 Hz之間時制冷量較為接近，只有小幅度的增減。

圖4 不同運行頻率時制冷量的變化曲線Fig.4 Cooling power versus operating frequency

2.4 熱端溫度對制冷性能的影響

若要保證回熱器在不同環(huán)境下穩(wěn)定工作，首先要了解制冷機在不同環(huán)境下的制冷性能，因此本次實驗對脈管熱端溫度對制冷量的影響進行研究。在實驗過程中，保持系統(tǒng)充氣壓力3 MPa，運行在100 Hz，冷端溫度為170 K，壓縮機電功為150 W。

圖5為不同熱端溫度下測試的脈管制冷機的冷量。當熱端溫度在區(qū)間280 K到300 K之間增加時制冷量明顯下降。

圖5 不同熱端溫度時的制冷量曲線Fig.5 Cooling power versus hot end temperature

在熱端280 K時，制冷量為9 W左右，而當熱端溫度增加到300 K時，制冷性能惡化，制冷量只有5 W，下降幅度44%。由此趨勢可以推測當脈管制冷機熱端溫度305 K時，即制冷機在170 K制冷溫度下無法提供冷量。

2.5 實驗測試性能與SAGE模擬比較分析

如圖6所示，當冷端溫度的升高時，模擬值基本保持均勻增漲。實際制冷量有較小的不均勻性。制冷量隨冷頭溫度的上升斜率也小于模擬值。在溫度較低時二者的制冷量差值較小，150 K時模擬值為6.5 W，實驗測量值為2 W，相差4.5 W。在溫度較高時制冷量差別增大，220 K時模擬值為45 W，實驗測量值為24 W，相差21 W。

圖6 模擬和實驗的性能對比曲線Fig.6 Comparison between simulation and experiment on cooling performance

模擬分析時，SAGE默認回熱器內(nèi)填充材料均勻、不可壓，且工質(zhì)與填料處于熱平衡。但本次實驗中采用了丙綸纖維作為回熱器填料，通過手工按壓的方式進行了隨機填充，雖然操作簡單成本低廉，但是與模擬中的理想假設(shè)相差較大。保溫結(jié)構(gòu)采用珠光砂作為絕熱材料，存在一定的跑冷損失。同時考慮到后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計以及在一定程度上減少實驗成本，該脈管冷指沒有采用一體化加工，而是由各個部件通過法蘭、螺釘和螺母組裝而成，這些因素都會造成偏差較大。

3 結(jié)論

基于1臺線性壓縮機，研制出1臺與其相匹配的中溫區(qū)斯特林型脈管制冷機。在150 W電功下可取得149 K的最低溫度，在170 K的制冷溫度下可獲得9 W的制冷量。實驗中最優(yōu)頻率為102 Hz，與模擬值100 Hz相差不大?；責崽盍喜捎眯滦捅]纖維，相較于金屬絲網(wǎng)安裝方便且成本低廉，但裝填過程的不可控因素使得均勻性指標難以達到，再加上加工工藝水平有限，珠光砂絕熱層的漏熱損失等因素，導(dǎo)致實驗所測制冷量與模擬值偏差較大。高頻運行可以使制冷機小型化和輕量化，但是同時增大了內(nèi)部流動損失從而降低效率，所以功回收型高頻脈管制冷機將會有較好的發(fā)展前景。

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