同轴行波热声制冷机性能实验

李山峰 余 波 罗二仓 戴 巍

(1中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室 北京 100190)

(2北京航天试验技术研究所 北京 100074)

1 引 言

热声制冷具有诸多优点:其一、使用工质为惰性气体，既不会破坏臭氧层又不会产生温室效应，因而完全环保;其二、低温下没有运动部件，消除了振动，因而具有很高的可靠性。而工作于室温温区的行波热声制冷机在低温端输出冷量后尚存在极大的膨胀功，通过反馈管对这部分声功进行回收利用，因而具有潜在的高效率，本研究小组于2004年研制了1台室温温区的行波热声制冷机，该制冷机将反馈管(惯性管)弯曲，与热缓冲管、冷端换热器、回热器、水冷器以及声容腔一起组成回路，其结构示意图如图1所示。研究结果表明室温温区的行波热声发动机COP已经可以跟传统蒸汽压缩式制冷相媲美［1］。然而该样机采用的是U型环路布置结构，离实用化还有很长一段距离，基于该原因开展了本研究工作，希望能够在保证效率的前提下，获得结构更加紧凑的行波热声制冷机。

图1 行波热声制冷机示意图Fig.1 Schematic draw of TWTAR

2 实验及测量装置

基于线性热声理论计算模型，设计了1台同轴行波热声制冷机。它包括惯性管(反馈管)、容性腔、水冷器、回热器、冷端换热器、热缓冲管、弹性膜(用于抑制Gedeon声流)以及真空罩。装置剖面图和实物图照片如图2和3所示。

图2 同轴行波热声制冷机剖面图Fig.2 Sectional drawing of coaxial TWTAR

图3 同轴行波热声制冷机实物照片Fig.3 Picture of coaxial TWTAR

反馈管，因其将经过冷端换热器之后的声功进行回收而得名，它的存在使得冷端换热器出口的声功得到利用，从另外一个角度来看，它为制冷机回路提供了合适的惯性，使得回热器工作在行波成分为主的声场中，因而又被成为惯性管。该实验装置中惯性管主体部分长120 mm、内径29 mm，前后都存在一段过渡截面，以减少截面突变带来的能量损失。容性腔为系统提供合适的容抗，其尺寸为内径150 mm，长220 mm。在该腔体内速度较小的位置安装有弹性膜，弹性膜用来抑制Gedeon声流的产生。水冷器为行波热声制冷机中的室温换热器，将冷端泵送过来的热量通过冷却水带走，该换热器内部为紫铜换热器，是板翅式换热器的一种，内径100 mm、长35 mm。回热器是行波热声制冷机的核心部件，实现泵送热量的功能，它采用120目不锈钢丝网填压制作而成，内径100 mm、长40 mm。冷端换热器同样是板翅式换热器，内径100 mm、长30 mm，内部插入10根加热棒，用于测量制冷量。理想的热缓冲管中的气体起一个气体活塞(略微可压)的作用，将压力和速度波动从一端传递到另一端，同时也使得管两端热绝缘。但由于管内可能存在的Rayleigh声流会将焓从一段输运到另外一端，增加了制冷机中冷端换热器的负荷，尤其是大直径的热缓冲管更容易出现这样的声流，因此该制冷机将热缓冲管分布成10根内径29 mm、长410 mm左右的圆管。真空罩采用有机玻璃制成，采用真空泵维持内部动真空。

制冷机冷头壁面温度采用薄膜铂电阻温度传感器测量，其误差为±0.1 K，温度计使用四线制，采用Lakeshore公司生产的恒流源供电。测量获得的电压信号通过NI公司的4351多通道扫描卡测量后由模块化仪器平台PXI进行采集处理，从而获得温度值。压力信号采用昆仑海岸压阻式压力变送器测量，量程为4 MPa，精度为0.25%，采样信号经过8通道同步数据采集卡PXI4472输入模块化仪器平台PXI进行采集处理，数据经过快速Fourier变化可以得到压力的幅值、相位以及振荡频率。

3 实验结果对比分析

文中同轴行波热声制冷机使用行波热声发动机驱动［3］，以 3.0 MPa 的氦气为工质，为了单独研究制冷机多个参数对性能的影响，固定制冷机入口压比((p0+p1)/(p0－p1)=1.075，p0表示平均压力，p1表示一阶波动压力幅值)，通过改变惯性管内径研究惯性管调相对制冷机性能的影响。对比使用弹性膜前后的制冷量，研究Gedeon声流的存在对制冷机性能的影响。

3.1 典型的制冷性能曲线

图4为制冷机典型的制冷性能曲线，图中两条曲线分别为制冷机冷头同一截面对称位置的壁面温度。从图中可以看出，刚开始制冷机冷头温度急剧下降，一直降到最低温－72.6℃时稳定，在冷头温度为－60℃、－40℃、－20℃以及0℃时，制冷机分别获得32.8 W、85.8 W、143 W 以及199.4 W 制冷量。图中，一些制冷量对应的温度线上，在达到稳定前都出现了一个小的峰值，这是因为加快实验进程，从一个制冷量到另外一个制冷量时，往往先将电功率加得预期值多一点，当到达制冷温度时再减小到所需测的制冷量引起的。而峰值之后会出现一个低谷，这是发动机热端温度没有稳定，制冷机入口压比高于设定值，尚未稳定，因而冷头温度会短时间内低于设定温度。随着时间的推移，发动机热端温度逐渐稳定，制冷机入口压比也逐渐降低区域平稳，从而使得冷头温度逐渐稳定。

3.2 惯性管调相

对于行波热机来说，相位非常重要，一般来说，制冷机回热器工作在压力波与速度相位差为0°左右，其热声转化效率最高，但是对于整机来说，由于还存在其它部件的一些损耗，其效率并不一定最高，需要通过优化计算来获取最佳值。但对于环路来说，由于一些不可预计的损失，往往使得实际值与设计值有所偏差，因而需要在实验中进行调节，使效率达到最大值。在本系统中，由于热缓冲管已经固定，而惯性管则比较容易调节，因而采取调节惯性管的尺寸来获取最大值。

图5为不同温度下制冷机的制冷量随惯性管内径变化曲线。从图中可以看出，在惯性管内径从29 mm变化到40 mm之间，制冷机的制冷量先增大后减小，最大值出现在35 mm。冷头温度Tc=－40℃时，制冷量极大值为106.86 W，对应COP为0.89;Tc=－20℃时，制冷量为166.6 W，对应COP为1.65;Tc=0℃时，制冷量为222 W，对应COP为2.74，其中COP通过实际制冷量除以制冷机入口声功获得，由于入口声功难以通过实验测量获得，因此使用计算值替代。

图4 典型的制冷性能曲线Fig.4 Typical curve of performance of refrigerator

图5 不同温度下制冷量随惯性管内径变化曲线图Fig.5 Cooling power vs inner diameter of inertance tube

3.3 Gedeon声流的影响

Gedeon声流是一种时均质量流，它普遍存在于具有回路结构的热声系统中。该声流以时均对流焓的形式将热量从热端带到冷端，给冷端换热器增加了一个无用的热负荷。为了防止这种情况发生，时均质量流通过回热器就应该接近0。

根据密度与体积流的关系，忽略二阶以上的小量，得到时均质量、U1分别为一阶密度和体积流率，ρm为平均密度，U2，0为二阶体积流率。而在回热器通过回热器的声功流［2］。可知定不等于 0，从而要求:了保证回热器内部满足该要求，必须在环路中提供压差Δp20，而回热器自身因为粘性产生的压差通常远远小于该值，因而需要附加的物理效应或者在环路上添加结构，从而产生足够的压差。文中制冷机使用弹性膜来人为产生压差，从而消除Gedeon声流(另一种方法是使用喷射泵［2］)。因而通过对比使用弹性膜前后制冷机的性能可以分析Gedeon声流的存在对制冷机性能的影响。

图6为使用35 mm内径的惯性管调相时，Gedeon声流的存在对制冷机性能的影响，从图中可以看出:冷头温度为0℃时，Gedeon声流造成了25.3 W的冷量损失，制冷量下降了11.4%。随着冷头温度的降低，Gedeon声流导致的冷量损失增大，冷头温度为－20℃时，Gedeon声流造成了79.4 W的冷量损失，制冷量下降了47.66%，在冷头温度为－35℃左右时，共有120 W左右的冷量全部损失，冷头温度无法继续降低，Gedeon声流的存在使得制冷机最低温度由－73℃变为－35℃，极大地恶化了制冷机的性能。分析其原因:由于回热器内时均质量流=，在制冷机入口压比不变的前提下，随着冷头温度的降低，回热器内温度梯度增大，通过回热器的声功流增大，因而 ρm/pm增大，而未采用人为手段抑制 Gedeon声流时，U2，0主要由回热器自身粘性产生的压差驱动，该值基本不变，因而ρmU2，0基本不变。因此在入口压比不变、Gedeon声流未抑制时，随着冷头温度的降低，回热器内时均质量流增大，制冷机冷头的冷量损失将增大。

图6 Gedeon声流对制冷机性能的影响Fig.6 Influence of Gedeon streaming on peformance of refrigerator

4 结 论

基于线性热声理论计算模型，设计了1台结构紧凑的同轴行般热声制冷机。采用行波热声发动机驱动，工作频率在57 Hz左右，以平均压力3.0 MPa的氦气为工作介质，固定制冷机入口压比为1.075的前提下，研究制冷机的性能。通过改变惯性管内径，研究调相作用对制冷机性能的影响，制冷量随着惯性内径的增大先增大后减小，最大值出现在35 mm。冷头温度Tc=－40℃时，制冷量极大值是106.86 W，对应COP为0.89;Tc=－20℃时，制冷量极大值是166.6 W，对应COP为1.65;Tc=0℃时，制冷量极大值是222 W，对应COP为2.74。通过对比使用弹性膜前后制冷机冷量的变化，研究Gedeon声流对制冷机性能的影响。冷头温度为0℃时，Gedeon使制冷量下降11.4%。随着冷头温度的降低，损失增大，冷头温度为 －20℃时，Gedeon声流使制冷量下降47.66%。Gedeon声流的存在使得制冷机最低温度由－73℃变为－35℃，极大地恶化了制冷机的性能。

1 Luo E C，Dai W，Zhang Y，et al.Thermoacoustically driven refrigerator with double thermoacoustic-Stirling cycles［J］.Applied Physics Letters，2006，88(7):074102.

2 Swift G W.Thermoacoustic engines［J］.Journal of the Acoustic Society of America，1988，84(4):1145-1180.

3 Luo E C，Ling H，Dai W，et al.A high pressure ratio，energy-focused thermoacoustic heat engine with a tapered resonator［J］.Chinese Sci.Bull.，2005，50:284-286.