新型丙綸纖維填充式回熱器單級脈管制冷機性能實驗研究

闞安康，吳亦農，張安闊，劉少帥

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新型丙綸纖維填充式回熱器單級脈管制冷機性能實驗研究

闞安康1,2，吳亦農1，張安闊1，劉少帥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 201306）

回熱器作為回熱式低溫制冷機的關鍵部件，其填充介質對整體性能影響很大。采用丙綸纖維作為回熱器新型填充介質，對單級脈管制冷機進行了試驗研究。對丙綸微尺度空間結構及物理性能進行了分析，基于充氣壓力分別為3.5MPa/3.0MPa/2.8MPa/2.5MPa/2.0MPa/1.5MPa的工況下，進行了降溫性能、頻率性能、制冷性能試驗，獲取了最低制冷溫度，最佳工作頻率及最大比卡諾效率。研究結果表明，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。最終獲得了最大比卡諾效率9.46%@170K/10.06W/77W，最大制冷量為5.47W@120K/2.5MPa、12.02W@150K/3.0MPa、16.49W@170K/3.0MPa，并獲得了96.4K的最低制冷溫度。

脈管制冷機；回熱器；丙綸纖維；制冷性能

0 引言

隨著醫院、軍事、能源、生物等領域對低溫環境的需求，小型低溫制冷裝置得以迅速發展，尤其是軍事、空間技術（如紅外射線、X射線探測）對空間用制冷機的制冷溫度、效率、穩定性、尺寸、重量及使用壽命等的要求越來越高，開發高效、緊湊、質輕的低溫制冷裝置已經成為空間低溫技術的研究熱點[1]。在回熱式低溫制冷機中，回熱器作為其關鍵部件之一，對其性能的影響甚大[2-20]。回熱器填充介質的材質、結構形式及熱物性等是決定回熱器性能的關鍵因素。W. M. Clearman[2-3]，J. S. CHA[4-5]等基于交變流下，對不同填料結構的回熱器軸向壓降進行測試，其填充介質主要有層疊不銹鋼絲網、燒結絲網、屋疊鍵片等，文章導出了Forchheimer慣性系數和流阻因數等參數。陶于兵[6]、高凡[7-8]等建立了多孔填料回熱器模型，分析了層疊絲網格式回熱器的傳熱和壓降性能，同時對回熱器填料的換熱和流動性能進行了優化，得出用高密度和高比熱容的填料能夠得到較高的制冷量。中科院上海技術物理研究所[9-12]對層疊絲網填充的回熱器進行了實驗研究，采用不同目數的不銹鋼絲網進行混填，并對脈管回熱器性能進行了實驗研究，得出前疏后密的絲網填充方式有利于提高回熱器的性能。王強等[13]對回熱器進行了軸向和徑向混合絲網填充，對回熱器的熱損失進行了理論計算，得出減少軸向熱損失的方法。Bernard Castagnede等[14]對纖維多孔介質填料的流動阻力進行了理論分析，并推到出計算公式。劉益才等[15]在此基礎上研究了制冷機多孔介質填料的頻率特性，推導出特征頻率的計算公式。T. Jin等[16]則采用納米尺度平行光纖作為回熱器填充介質，獲得制冷系數13.6%@80K的效果。上述研究成果極大地推動了制冷機，尤其是回熱器的進展。

為滿足低溫的需要，回熱器內的多孔介質填料必須有傳熱面積大，軸向導熱小，壓降小，體積熱容大，空體積小等優點[17-20]。采用多孔介質纖維作為回熱器的填料，可以有效地減輕制冷機的形體質量。文章選用丙綸纖維作為填料，對丙綸的結構性能進行了分析，并基于即定脈管制冷機下進行了試驗研究。研究結果對回熱器填料的選擇和運行參數優化設計具有借鑒意義。

1 丙綸纖維結構及物性參數

在低溫制冷機的回熱器填料選取上，要綜合考慮填料的熱物性及結構尺寸參數，在綜合考慮回熱器填料的傳熱和流阻影響，在回熱器填料的選擇上應滿足以下要求[12]：

1）回熱器填料體積比熱容要遠大于工作氣體比熱容。

2）回熱器填料流道的當量直徑應小于工作氣體的熱滲透深度，以保證氣體與填料換熱充分。流道過小的當量直徑不可取，過小的流道會增加回熱器流動阻力損失，影響制冷機性能。運行在特定頻率下的工作氣體，其熱滲透深度與粘性滲透深度共同決定了回熱器填料孔隙通道當量直徑的上下限。

3）回熱器填料固體基質也存在熱穿透深度，所以回熱器填料的當量直徑應當小于或接近填料的熱穿透深度。

丙綸材料的物性參數與不銹鋼絲網SS304的比較如表1所示。

由于丙綸纖維狀材質與常用低溫填充介質不銹鋼絲網、球形填料等都不相同，故而在采用此種材料作為填充介質來理論計算其孔隙率時，參數需另建物理模型。丙綸纖維材料微觀結構如圖1所示。單根纖維絲為中空圓柱狀，以此計算回熱器孔隙率等參數。

試驗采用丙綸纖維主要成分為聚對苯二甲酸乙二醇酯，其質量份數約為99%，其余為灰分，主要為TiO2，其質量份數約為1%，丙綸的宏觀結構、微尺度空間結構如圖1(a)、(b)所示。丙綸纖維常態下的物性參數如表1所示。鑒于常規材料在低溫下性能會發生改變的特性，故而在后續的工作中將開展對丙綸纖維材料低溫性能測試，尤其是測試其低溫下的導熱性能、熱擴散系數等，對后期丙綸回熱器的性能分析和數值模擬提供必要的理論參數。

在填充時，為確保回熱器內丙綸纖維填充均勻，孔隙率一致，需對丙綸纖維進行預處理。本試驗填充前將丙綸纖維均分為若干份，進行真空干燥去除其中水分等可能影響回熱器性能的成分，并按照回熱器規格加工成為若干微團結構，如圖1(c)所示。填充完成后并在回熱器兩端分別添加銅質導流絲網。

2 實驗裝置

圖2給出了單級脈管制冷機結構示意圖。脈管制冷機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輸出功率及頻率；整機為直線型設計，級后換熱器采用水冷方式，形式為狹縫結構，恒溫水浴溫度設置為20℃。脈管熱端換熱器采用直接風冷式。冷端溫度C采用Pt100型電阻式溫度傳感器測量，冷指置于真空腔內，試驗中采用分子泵來維持真空腔內真空度在10－4Pa以下；加熱單元采用直流電源加熱模擬熱負荷，制冷量采用電阻絲測量，電壓由恒壓電源控制。采用慣性管和氣庫組合方式進行調相。回熱器采用不銹鋼材質，總長度為55mm，內徑尺寸為23.5mm；脈管采用薄壁鈦合金材質，長度為80mm，兩端備以導流絲網；慣性管采用銅管材質，長度為4.3m；氣庫不銹鋼材質，容量為200mL。

表1 丙綸纖維材料與不銹鋼絲網熱物性參數

圖1 丙綸纖維材料

圖2 脈管制冷機系統圖

3 試驗結果及討論

試驗過程中，保持整機工況一致，級后換熱器水浴溫度維持在20℃。考察在不同的參數狀態下整機的性能。選擇工作氣體為氦氣3，在不同充氣壓力下進行整機性能試驗，充氣壓力分別為3.5MPa/3.0MPa/2.8MPa/2.5MPa/2.0MPa/1.5MPa。試驗測試的主要整機性能包括降溫特性，頻率特性和制冷性能。

3.1 降溫特性

降溫特性可以表征制冷機內建立穩定的溫度梯度需要的時間，也是回熱器性能的重要體現。圖3給出了工作頻率為50Hz，輸入功率為120W時，不同充氣壓力下的整機降溫性能曲線。充氣壓力為2.8 MPa是對應的降溫速度最快，15min后基本趨于穩定，且達到了101.7K的冷指溫度，其次為3.0 MPa，16min后也基本穩定，達到了102.6K的制冷溫度；充氣壓力為2.5MPa的工況在16min后也能基本趨于穩定，且達到幾種工況下的最低制冷溫度96.5K。隨后，充氣壓力為3.2MPa，17min后達到104.4K并趨于恒定；2.0 MPa，18min后趨于恒定為100.99K；3.5MPa，20min后趨于穩定在102.95K；1.5MPa降溫速度最慢，27min后才逐漸趨于穩定在111.3K。

充氣壓力越大，在交變流過程中流經丙綸介質的氦氣質量流量大，阻力損失嚴重，壓降大，造成降溫速度緩慢，制冷溫度也沒有達到預期效果；而充氣壓力小，交變流過程中流經丙綸纖維孔隙的氦氣質量流也小，阻力損失小了，但參與制冷的工質少，降溫緩慢，制冷效果也不理想。從試驗曲線分析，充氣壓力為2.5MPa，工作頻率為50Hz時對應的降溫特性最佳。

圖3 降溫特性曲線

3.2 頻率特性

運行頻率也是影響制冷機性能的重要參數之一。頻率過高，回熱器內工作介質與回熱器填料之間無法得到充分換熱，造成回熱器不可逆損失增大，從而影響整機效率。如運行頻率太低，在實現相同制冷量的前提下，需要大尺寸的回熱器與之相匹配。圖4顯示了120K下的丙綸填充回熱器制冷機頻率特性。因整機性能匹配因素，試驗中，對充氣壓力為3.5MPa/3.0MPa/2.8MPa/2.5MPa/2.0MPa的工況進行了2W@120K的輸入功率測試，對1.5MPa的充氣壓力工況，獲得1W@120K。分析比較了在相同工況下，不同運行頻率對輸出功的影響規律。

圖4 頻率特性曲線

從圖中可以看出，在不同的充氣壓力下，丙綸回熱器存在一個最佳運行頻率。充氣壓力為3.5MPa時，可獲得2W@120K的性能，在運行頻率為50Hz時，壓縮機輸入功最低，90.8W；3.0MPa/2.8MPa對應的最佳運行頻率亦為50Hz，且壓縮機輸入功率分別為87.82W和82W；充氣壓力為2.8MPa的工況，頻率特性變化不顯著，但在50Hz的輸入功率最小為69.77W；充氣壓力為2.0MPa的工況對應最佳頻率為49Hz，輸入功率為65W；充氣壓力為1.5MPa的工況對應最佳頻率為48Hz，輸入功率為55W。

3.3 制冷性能

制冷機的性能一般可以從最大制冷量和比卡諾效率兩個參數加以考察。保持冷端的溫度恒定，在相同的邊界條件下獲得制冷量及壓縮機輸入功率的關系及制冷量和比卡諾系數的關系是分析整機性能的常用方法。實驗時的輸入功可以電壓電流值測量及計算獲取，調整加熱單元的輸入電壓值來調整加熱量，穩定冷指溫度，進而采用熱平衡的方法獲取該工況下的制冷量。本試驗分別獲得了制冷溫度為120K/150K/170K三種工況下的丙綸填充回熱器的制冷性能曲線如圖5所示。

穩定冷指溫度為120K，采用熱平衡法獲得不同工況下的制冷量和輸入功率的關系及比卡諾效率如圖5所示。從圖中可以看出，充氣壓力為2.5MPa時，輸入為129.9W時獲得最大制冷量為5.47W，COP為4.2%，其比卡諾效率為6.11%，此時對應的比卡諾效率在本實驗對應的工況中也最高。

穩定冷指溫度為150K時，從圖6可以看出，充氣壓力為3.0MPa時，輸入功率為158.4W時獲得最大制冷量為12.02W，COP為7.59%，其比卡諾效率為7.23%。而事實上，充氣壓力為2.0MPa時，輸入功率雖僅有66W，但獲得了6W的制冷量，COP為9.1%，比卡諾效率達8.68%。

穩定冷指溫度為170K時，從圖7可以看出，充氣壓力為3.0MPa時，輸入功率為159.54W，可獲得16.49W的最大制冷量，此時比卡諾效率為7.49%。充氣壓力為2.0MPa時，輸入功率為77W，卻可以獲得10.06W的制冷量，對應COP為13.06%，比卡諾效率為9.46%。實際工程中，可以根據制冷量的需要，調整充氣壓力以實現整機性能最佳。

從上述分析可以也可以看出，對既定丙綸填充回熱器的單級脈管制冷機而言，整機性能受充氣壓力的影響最為顯著。

4 結論

文章對丙綸纖維材料進行了微尺度空間結構分析，并采用其作為填料，對單級脈管制冷機回熱器進行了填充。基于既定系統下，充氣壓力分別為3.5MPa/3.0MPa/2.8MPa/2.5MPa/2.0MPa/1.5Mpa的工況下分別進行了降溫特性、頻率特性和制冷性能試驗。試驗結論如下：

1）充氣壓力是影響降溫速度的關鍵因素。在工作頻率為50Hz，輸入功為120W時，充氣壓力為2.5MPa時獲得95.5K的最低制冷溫度；充氣壓力為2.8MPa時降溫速度最快，約15min即可到達平衡。

圖5 120K運行工況制冷性能

Fig.5 Curves of cooling capacity@120K

圖6 150K運行工況制冷性能

圖7 170K運行工況制冷性能

Fig.7 Curves of cooling capacity@170K

2）脈管制冷機一般存在最佳工作頻率，試驗中對不同充氣壓力下的工況進行了掃頻試驗，并獲取了對應工況的最佳工作頻率。事實上，工作頻率對丙綸填充回熱器的單級脈管制冷機性能影響不大。

3）基于不同充氣壓力下考察了120K/150K/170K制冷溫度下的制冷性能，測取了最大制冷量和最大比卡諾效率。獲得最大制冷量為5.47W@120K/2.5MPa、12.02W@150K/3.0Mpa、16.49 W@170K/3.0MPa，獲得最大比卡諾效率為6.11%@120K/2.0MPa，8.68%@150K/2.0MPa，9.46%@170K/2.0MPa。

文章選擇了一種新型的回熱器填充多孔介質材料，并基于即定低溫制冷機下進行了試驗研究。研究發現充氣壓力是影響整機效率的關鍵參數，故而可以調整單級脈管制冷機的充氣壓力以匹配工程所需。

[1] 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 Hual, et al. Review of investigation on regenerator for regenerative cryocoolers[J]., 2011, 32(3): 6-14, 28.

[2] Clearman W M, Ghiaasiaan S M, CHA J S. Longitudinal hydraulic resistance parameters of cryocooler and Stirling regenerators in steady flow[C]//, 2008, 53: 728-735.

[3] Clearman W M, CHA J S, Ghanaian S M, et al. Anisotropic steady-flow hydrodynamic parameters of micro porous media applied to pulse tube and Stirling cryocooler regenerators cryogenics[J]. 2008, 48: 112-121.

[4] CHA J S, Ghiaasiaan S M, Connell C S Kirk. Longitudinal hydraulic resistance parameters of cryocooler and Stirling regenerators in periodic flow. Advances in Cryogenic Engineering[C]//, 2008, 53: 259-266.

[5] CHA J S, Ghiaasiaan S M, Kirkconnell C S. Oscillatory flow in microporous media applied in pulse-tube and Stirling—cycle cryocooler regenerators[C]//, 2008, 32: 1264-1278.

[6] 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]., 2009: 497-503

[7] 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(9): 1071-1075.

GAO Fan, HE Yaling. Heat transfer performance optimization for mesh regenerator[J]., 2008(9): 1071-1075.

[8] 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]., 2008, 29(4): 668-670.

[9] 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. Experiment study of multinesh fill regenerator for pulse tube cryocooler[J]., 2013(2): 36-37,41.

[10] 闞安康, 張安闊, 吳亦農. 混合填充式回熱器單級脈管制冷機性能研究[J].制冷學報, 2015, 36 (6): 74-77.

KAN Ankang, ZHANG Ankuo, WU Yinong. The performance of pulse tube cryogenic cryocooler with multil metal mesh filled regenerator[J]., 2015, 36 (6): 74-77.

[11] 黃小蘭, 蔣珍華, 陳曦, 等. 斯特林制冷機分層回熱器優化設計與實驗[J]. 低溫工程, 2014(2): 14-18.

HUANG Xiaolan,JIANG Zhenhua,CHEN Xi, et al. Optimization design and experiment study on multi -layerregenerator of Stirling cryocooler[J]., 2014(2): 14-18.

[12] 朱海峰, 吳亦農, 李娜, 等. 新型斯特林制冷機回熱器填料實驗研究[C]//第十二屆全國低溫工程大會, 2015: 149-152.

ZHU Haifeng, WU Yinong, LI Na, et al. Study on the new typle filled materials for regerator of Stirling cycle cryocooler[C]//12, 2015: 149-152.

[13] 王強, 陳曦, 劉業風, 等. 新型徑軸向混合填充式回熱器軸向導熱特性研究[J]. 低溫與超導, 2011, 39(5): 60-64.

WANG Qiang, CHEN Xi，LIU Yefeng, et al. Study on axial heat conduction properties of novel regenerator with combined radial filling and axial filling[J].., 2011, 39(5): 60-64.

[14] Bernard Castagnede, Achour Aknine, Bruno Brouard, et al. Effects of compression on the sound absorption of fibrous materials[J]., 2000, 61: 173-182.

[15] 劉益才, 鄂青, 郭方中. 微型熱聲斯特林制冷機填料多孔頻率研究[J]. 低溫工程, 2004(5): 22-25.

LIU Yicai,E Qing,GUO Fangzhong. Investigation on the characteristic frequency of the microminature the rmoacoustic-Stirling refrigerator [J]., 2004(5): 22-25.

[16] JIN T, HUANG J L, TANG K, et al. Performance analysis of a micro-scale pulse tube cryocooler based on optical fiber regenerator[J]., 2013 (55-56): 30-34

[17] Ray Radebaugh. Cryocoolers for aircraft superconducting generators and motors[C]//, 2012, 1434: 171-182.

[18] Sungryel Choi, Kwanwoo Nam, Sangkwon Jeong. Investigation on the pressure drop characteristics of cryocooler regenerators under oscillating flow and pulsating pressure conditions[J]., 2004, 44: 203-210.

[19] Kwanwoo Nam, Sangkwon Jeong. Development of parallel wire regenerator for cryocoolers [J]., 2006, 46: 278-287

[20] 沈崴. 微型脈管制冷機光纖回熱器流動及制冷特性研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2012.

SHEN Wei. Study on the gas flow characteristics and refrigeration performance of the fiber based regenerator in a micro-scale pulse tube cryocooler[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012.

Thermal Performance Analysis of a Pulse Tube Refrigerator with Fine Polyester Fibrous Material FilledRegenerator

KAN Ankang1,2，WU Yinong1，ZHANG Ankuo1，LIU Shaoshuai1

(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 regenerative cryocooler, regenerator and its filled material has great influence on thermal performance of the whole machine. Fine fibrous Polyester was selected as new material filled for regenerator, and experimental research was taken on a single-stage pulse tube cryocooler. The microstructure and physical parameters of the fibrous material were taken. Based on helium-3 charging pressures respectively of 3.5MPa /3.0MPa /2.8MPa /2.5MPa /2.0MPa /1.5MPa, the thermal performances of temperature dropping, working frequency and cooling are collected. The lowest refrigeration temperature, the optimum working frequency, maximum cooling capacity and the maximum percent of Carnot efficiency are obtained and analyzed. The charging air pressure had a profound effect on the thermal performance of the pulse tube cryocooler while the operating frequency played a slightly effect on it. The maximum percent of Carnot efficiency 9.46%@170K/10.06W/77W, the maximum cooling capacity 5.47W@120K/2.5MPa, 12.02W@150K/3.0MPa, 16.49W@170K/3.0MPa, and the lowest refrigeration temperature 96.4K are obtained in the experiment.

pulse tube cryocooler，regenerator，Polyester fiber，cooling capacity

TB651

A

1001-8891(2017)04-0372-06

2016-04-10；

2016-10-25.

闞安康（1981-），男，山東濟寧人，博士后，主要從事小型低溫制冷裝置性能研究。E-mail：ankang0537@126.com。

中國博士后科學基金項目（2016M590385）；上海市自然基金資助項目（15ZR1419900）。