混合填充式回热器单级脉管制冷机性能研究

阚安康 张安阔 吴亦农

(1 中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083; 2 上海海事大学商船学院 上海 201306)

混合填充式回热器单级脉管制冷机性能研究

阚安康1,2张安阔1吴亦农1

(1 中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083; 2 上海海事大学商船学院 上海 201306)

回热器为回热式低温制冷机的关键部件，其性能对系统的影响甚大。为探索回热器内金属丝网混合填充对回热器性能的影响，文章基于回热器模拟软件REGEN3.3仿真结果的基础上，制作了单级脉管制冷装置，采用#300SS，#400SS和#500SS的金属丝网混填了四组回热器，并在不同输入功率下进行了系统制冷性能实验。实验结果表明，较之低目数丝网填充的回热器制冷机，采用高目数丝网填充的回热器制冷机性能较优；在回热器热端填充低目数，冷端填充高目数的丝网，可提高回热器冷端压比，提高整机制冷性能。

脉管低温制冷机；回热器；金属丝网；实验研究

自脉管制冷机问世以来，其性能优化及应用研究得到广泛关注[1]。由于其低温端无运动部件，结构简单，运行稳定可靠，使用寿命长，振动小等诸多优点，近年来在信息、国家安全、航空航天、医疗设备等领域的应用备受青睐，且已成为国际相关领域的研究热点[2]。回热器为脉管制冷机的重要部件之一，其性能对制冷机整机性能有着重要影响[3]。工作频率、回热器长径比、充气压力、冷端压比、填充介质物性等均对回热器性能有着重要印象。国内外诸多学者[3-16]就回热器展开了多方面的研究，尤其在回热器结构及填充方式上，采用数值模拟和实验研究方法，取得很大进展。陈曦等[2]对回热器填充结构及填充介质形式的国内外研究现状进行了阐述，并对不同填充形式下的回热器特性及整机性能进行了总结。丝网填充的回热器，填充金属丝网多为单一的某一目数，通过改变丝网目数及填充片数来调节回热器性能[12-13]。Radebaugh R等[16]在既定填充丝网的情况下，通过改变工作频率来提高整机性能。西安交通大学大学何雅玲课题组[14-15]对回热器内丝网混填方式进行了理论分析和仿真，研究成果对回热器优化设计具有一定的理论指导意义。中科院技术物理所吴亦农课题组[4]采用实验的方法研究了脉管回热器的填充形式，对金属丝网的选择具有实验指导意义，浙江大学甘智华等[10]通过优化填充丝网的结构及材料，使单级GM型脉管制冷机获得10 K的制冷温度。这些研究工作都极大推动了低温制冷机的发展。

通过上述专家的研究，笔者分析回热器的回热损失和工作气体在回热器内流动所造成的压降损失是影响其性能的主要原因。采用金属丝网填充的回热器，高目数丝网所致轴向导热损失小，压降大；低目数丝网流阻小，压降小，所致轴向导热损失严重。综合两者利弊，笔者所在课题组提出采用不同目数的金属丝网按照一定的比例组合填充，可以提高回热器的性能，是回热器优化的有效方法。

文章采用REGEN对单级直线型回热器进行模拟，并以此为基础，设计了一台脉管制冷机，采用不同目数的金属丝网混合填充，并进行相关实验研究。研究结果对回热器填充结构的优化具有借鉴意义。

1 回热器设计

美国国家标准技术研究院(NIST)所推出的REGEN3.3软件，可用于模拟计算低温制冷机回热器性能，指导脉管制冷机回热器的设计。在该软件中，回热器作为被多孔介质填充的圆管，工作流体氦气在多孔介质孔体积内交变流动，并与之进行换热。基于氦气一维流动基础，采用焓流调相理论和守恒原理的有限差分方程，该软件对所建立的模型采用热平衡法，对给定的回热器冷端质量流、冷端压力波相位、平均压力、压比、频率及回热器填充多孔介质几何和物性参数等，进行数值求解。一般设计时，需先确定回热器填充介质的结构和材质，然后假定回热器的尺寸，根据实际工况进行计算和调整，最终按照设计要求的制冷量和算例制冷量对比，获得回热器的最佳直径。

选择的回热器工况：工作频率为50 Hz，冷端温度为90 K，初始充气压力为3.0 MPa，压比为1.2～1.5，冷端质量流为6 g/s，回热器填充介质为不锈钢丝网混填，具体参数如表1所示。最终确定回热器长度为55 mm。

表1 回热器填充介质金属丝网物性参数Tab.1 The physical properties of regenerator filled porous materials (metal twilled screen)

2 实验装置

图1给出了单级脉管制冷机的结构示意图。压缩机采用对置式活塞压缩机LVDT20，通过外接电源及变频器控制压缩机的输出功率和频率；制冷机为直线型设计，级后换热器和脉管热端换热器均采用水冷方式，换热器形式为狭缝式。测试单元中，冷端温度Tc采用Pt-100型电阻式温度传感器测量，冷指置于真空腔内，实验中采用分子泵来维持真空腔内真空度在10-4Pa以下；制冷量采用电阻丝测量，加热单元采用直流电源加热进而模拟热负荷，电压由恒电压电源控制；线性压缩机输气压力等采用压力传感器采集和传输。采用惯性管和气库组合方式进行调相。系统相位对制冷性能的影响极大，采用气库和惯性管调节整个系统质量流、压力波的相位及两者的相位差[4]。一般冷端质量流相位滞后于压力波而热端质量流相位领先于压力波，可获得较好的制冷性能。冷端30°的相位滞后一般认为最优[10]。故而在回热器内部填充介质进行调整时，其对应的气库和惯性管也需要做相应的调整。

回热器总长度为55 mm，内部填充丝网结构为不锈钢，混合填充情况如表2所示。实验选取了四种填充方式，每种填充方式均配以相应的气库和惯性管组合，用以调节制冷系统所需相位，可提高制冷机性能。脉管采用薄壁钛合金材质，长度为80 mm，两端备以导流丝网，热端换热器采用狭缝式水冷换热器以提高换热效率。

1 对置式活塞压缩机2传输管3级后换热器4回热器5冷端 6脉管7热端换热器8惯性管9气库10电源11数据采集器 P1，P2压力传感器Tc温度传感器图1 脉冲管制冷机系统简图Fig.1 Schematic of the pulse tube refrigerator

标号目数丝网长度/mmR1#40055R2#300#4002035R3#400#5003520R4#300#400#500102520

注：#填充顺序为自热端向冷端。

3 实验结果及讨论

实验过程中，保持热端温度为300 K，考察四种填充方式对制冷量和制冷性能的影响。主要研究四种不同填充方式对降温速度和制冷性能的影响。

3.1 降温速度对比

图2给出了在相同频率工况下的降温曲线。由上述可知，回热器填充率最高为R3，其次为R4，继之R1，最低为R2。在频率为50 Hz工况下，R2的最低制冷温度可以达到75 K；其次为R1，71 K；继之为R4，69 K；最低的为R3，约为66 K。降到设定温度90 K，R1、R2、R3、R4分别用了5.5 min、6.5 min、4.5 min、5.5 min。脉管冷端实测压比约为1.32、1.21、1.42、1.35，基本均在设计所需的冷端压比(1.2～1.5)范围内。随着填充目数的增多，填充率增大，回热器内交变流动工质流速减小，压降增大。回热器内多孔介质目数增高，微通道空间变细小，起到一定的节流降压作用，能进一步降低冷端制冷速度和最低温度，如果改变充气压力或提高工作频率，这种变化可能更为明显，尚待进一步实验验证。

图2 填充回热器单级脉管制冷机降温曲线Fig.2 Cooling down process of pulse tube refrigerators with multi-metal-mesh filled regenerators

3.2 制冷性能对比

保持冷热端温度恒定为90 K，在相同工况下考察制冷机的整体制冷性能，获得的制冷量与压缩机输入功关系如图3所示。实验结果表明，就制冷性能而言，R3(#400SS+#500SS)所对应的制冷机性能最佳，而填充率最低的R2(#300SS+#400SS)所对应之制冷机性能最差。填充丝网目数增大，填充过密，回热器空容积减小，回热器丝网比表面积增大，流道的水力直径小于工作介质的热渗透深度，提高了氦气的换热能力，回热器性能增强。另一方面，交变流工质随着回热器填充丝网目数的增加，填充率的增大，其流速减缓，气体焓流损失随之降低。本实验的结果与文献[15]中的理论分析和实验验证结论是一致的。事实上，增大回热器填充丝网目数，会导致回热器与交变流工质之间的流动摩擦，造成能量损失，但在本实验过程中，在既定工况和相同频率下，其带来的摩擦损失并不明显。随着工作频率的变化，这种损失的影响可能会存在差异[16]，在后续的实验中，将对其加以验证。

图3 不同填充形式回热器脉管制冷机性能Fig.3 Cooling performance curve for different filled forms of pulse tube refrigerators

回热器R4(#300SS +#400SS+#500SS)的性能较之单一丝网填充的R1(#400SS)性能要好，证明文献[15]中所述的采用不同目数丝网填充时，冷端填充较高目数丝网，热端填充较低目数丝网，可以有效提高回热器冷端压比，提高制冷机性能的预测。因此，在回热器的冷热端填充高低目数的丝网能有效提高回热器的性能。但R4制冷机的性能比R3(#400SS+#500SS)制冷机的性能要差一些，所以采用更密一些的丝网，回热器换热更加充分。由于流道水力直径的减小，交变流体在变流道内节流降压，换热更为充分，即使阻力损失增大，整体性能却提高了。

4 结论

本文采用REGEN3.3对脉管制冷机回热器进行优化设计，基于设计和优化的基础上研制了单级脉管制冷机，并对回热器填充丝网的结构形式进行了对比实验研究。研究发现：

1)在设定冷指温度为90 K的工况下，相对于回热器采用单一的#400不锈钢丝网填充方式，混合填充(#300+#400+#500和#400+#500)更有利于降低制冷机的冷却时间，提高整机制冷性能；

2)在回热器热端填充低目数(#300 SS)的丝网，在回热器冷端填充高目数(#500 SS)的丝网，较之单一的(#400 SS)填充方式而言，可有效提高冷端压比，提高制冷机的性能，设计时可采用该方法对回热器进行优化。

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

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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

阚安康, 男，博士，高级工程师，中国科学院上海技术物理研究所博士后，上海海事大学商船学院，(021)38282971，E-mail: ankang0537@126.com。研究方向：多孔介质传热传质、低温制冷技术等。