10W@77K自由活塞斯特林制冷機的設計和實驗研究

祁 云 孫大明* 喬 鑫 沈 愜 章 杰 汪乘紅 丁海威

(1 浙江大學能源工程學院 杭州 310027)

(2 江蘇克勞特低溫技術有限公司 常州 213000)

1 引言

斯特林制冷機具有制冷效率高、結構緊湊、運行可靠、降溫速率快以及制冷溫度范圍廣等特點,具有廣闊的應用前景。其中,針對紅外探測、高溫超導、醫(yī)療衛(wèi)生和小型氣體液化等應用場合的特殊要求,10 W@77 K 斯特林制冷機的需求尤為迫切[1]。國外的相關研究工作起步較早,目前已有多種直線電機驅動的斯特林制冷機可滿足工程應用:美國Sunpower 公司研發(fā)了CryoTel CT 以及CryoTel GT 兩種機型,均可在液氮溫區(qū)達到10 W 以上的制冷量,效率接近7%,而且由于采用了氣體軸承技術,所以具有較高的工作可靠性[2];以色列Ricor 公司研發(fā)了K535 機型,制冷量達5 W@65 K,由于壓縮機采用雙活塞對置結構,所以可在一定程度上降低設備振動[3];德國Leybold公司研發(fā)的SC-7com 制冷機,制冷量可達6 W@77 K;法國Thales 公司研發(fā)的LSF9340 型斯特林制冷機,制冷量可達7.3 W@75 K[4]。國內的研究工作由于起步較晚,所以可成熟應用的機型相對較少。中國電子科技集團公司16 所研發(fā)的10 W@80 K 氣體軸承斯特林制冷機,可基本滿足大冷量紅外光學、冷光學系統(tǒng)的應用需求[1,5-8]。中國科學院理化技術研究所在10 W@ 77 K 斯特林制冷機的研制及其內部機理研究方面做了大量工作,同時在千瓦級制冷機方面也取得了很大的研究進展[9-12]。

在此研究背景下,為了滿足國內對于高效率、高可靠性、長壽命低溫制冷機的迫切需求,本文對10 W@77 K 自由活塞斯特林制冷機進行了深入研究。基于Sage 建立整機的數(shù)值模型并對關鍵參數(shù)進行分析,得到了制冷機的最優(yōu)設計方案并成功研制出樣機,完成了性能測試和模型驗證。結果表明,數(shù)值模型具有較高的準確度,制冷機的實測制冷量可達10.62 W@77 K,性能系數(shù)(COP)為0.062,持續(xù)穩(wěn)定運行時間可超過200 h,制冷機的總體性能達到國際先進水平。

2 數(shù)值計算

基于sage 對斯特林制冷機各部分結構模塊化處理并搭建一維數(shù)值模型,可對制冷機的各部分關鍵結構和運行參數(shù)開展優(yōu)化分析,在滿足制冷量設計目標的前提下,實現(xiàn)制冷機高效可靠運行。制冷機結構為整體式同軸型,由直線電機驅動,如圖1 所示。直線電機采用動磁式結構,永磁體與線圈的耦合磁場可產(chǎn)生軸向力,在板彈簧、氣體彈簧以及機械阻尼等的共同作用下,驅動活塞做直線往復運動,并在膨脹腔產(chǎn)生制冷效應;回熱器內部為蓄冷填料,可與氣體工質周期性換熱;高溫端與室溫端換熱器均為狹縫翅片式結構,室溫空氣可通過對流換熱冷卻壓縮腔內的氦氣工質;板彈簧分別連接壓縮活塞與排出器,在保證足夠高的徑向剛度的同時,對活塞施加適當?shù)妮S向力,使二者維持一定的位移幅值和相位差。

圖1 制冷機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of Stirling cryocooler

基于上述制冷機結構搭建sage 模型并開展數(shù)值計算,重點分析運行頻率、工作壓力以及回熱器結構等對制冷機性能的影響規(guī)律。

2.1 運行頻率

運行頻率對制冷機的制冷量和COP有顯著影響。一方面,合理的運行頻率可以使直線電機工作于最優(yōu)頻率附近,保證電機的高效輸出能力;另一方面,運行頻率決定膨脹機部分的運行狀態(tài),當其與直線電機合理匹配、達到諧振狀態(tài)時,整機可達到或接近最優(yōu)的性能。圖2、圖3 給出了運行頻率對制冷量、電機輸入功和COP的影響規(guī)律,其中Th為室溫端溫度,Tc為冷端溫度,Qc為制冷量,Wpv為輸入PV 功,f為運行頻率,p為工作壓力。由圖2、圖3 可知,在優(yōu)化區(qū)間內,隨著運行頻率增加,制冷機的制冷量、輸入PV 功和COP均呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律,存在最優(yōu)值。當運行頻率偏離最優(yōu)值時,制冷機的制冷量、輸入PV 功和COP均大幅下降。根據(jù)數(shù)值計算結果,選定運行頻率f=60 Hz 為設計值,此時制冷機的制冷量和COP可同時達到或接近最大值,制冷量在77 K 為11.87 W,COP可達0.068,此時輸入功為173.5 W。

圖2 運行頻率對制冷量和輸入PV 功的影響Fig.2 Effect of operating frequency on cooling capacity and input PV power

圖3 運行頻率對COP 的影響Fig.3 Effect of operating frequency on COP

2.2 工作壓力

圖4、圖5 給出了工作壓力對制冷量、COP等參數(shù)的影響規(guī)律。由圖可知,工作壓力對制冷機性能同樣具有顯著影響,隨著工作壓力升高,制冷量以及輸入PV 功均先增大后減小,COP單調增加但增速在壓力高于1.4 MPa 后漸緩。考慮制冷量和COP的設計要求,以及設備的承壓能力,選定工作壓力p=2.1 MPa,此時制冷量和COP可同時接近最大值。

圖4 工作壓力對制冷量和輸入PV 功的影響Fig.4 Effect of working pressure on cooling capacity and input PV power

圖5 工作壓力對COP 的影響Fig.5 Effect of working pressure on COP

2.3 回熱器填料

回熱器是回熱式制冷機的核心部件,其填料參數(shù)的優(yōu)化設計至關重要。如圖6、圖7 所示為基于運行參數(shù)的優(yōu)化結果,在f=60 Hz、p=2.1 MPa 時制冷機制冷量和COP隨填料參數(shù)的變化規(guī)律,圖中dwire為絲徑,φ為孔隙率。由圖6、圖7 可知,隨著絲徑和孔隙率增大,制冷量、COP均呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律,存在最優(yōu)值,分別為絲徑dwire=12 μm、孔隙率φ=0.88。

圖6 絲徑對制冷量與COP 的影響Fig.6 Effect of wire diameter on cooling capacity and COP

圖7 孔隙率對制冷量與COP 的影響Fig.7 Effect of porosity on cooling capacity and COP

綜上所述,在工作壓力p=2.1 MPa、運行頻率f=60 Hz、回熱器絲徑dwire=12 μm 以及孔隙率φ=0.88時,斯特林制冷機可以達到最優(yōu)工作性能,制冷量為11.87 W@77 K,COP為0.068。

3 實驗研究

基于數(shù)值計算結果,研制斯特林制冷機樣機(如圖8 所示)并搭建實驗系統(tǒng),對工作性能進行了實驗研究。制冷機冷端安裝真空絕熱腔,可減小冷端漏熱,并避免結霜造成損壞;真空腔側面布置航空插頭,可連接冷端傳感器及加熱電阻的引線;直線電機一側安裝被動式減震器,減小運行過程中的機身振動和噪聲。

圖8 斯特林制冷機實物照片1-絕熱腔;2-航空插頭;3-直線電機;4-被動式減震器Fig.8 Photogragh of Stirling cryocooler

3.1 實驗系統(tǒng)

斯特林制冷機的性能測試系統(tǒng)如圖9 所示,圖中1 為風扇電源,2 為萬用表,3 為功率表,4 為直流電源,5 為交流電源,6 為控制器,7 為斯特林制冷機(冷端安裝PT-100 溫度傳感器和加熱電阻),8 為風扇。風扇電源對風扇供電,以室溫空氣強制對流冷卻室溫端的翅片換熱器;萬用表可測量冷端PT-100 溫度傳感器的電阻值;功率表可測量制冷機輸入電功率;直流電源向冷端加熱電阻供電,用以推算不同制冷溫度下的制冷量;交流電源經(jīng)控制器可向制冷機輸入24 V、60 Hz 的交流電。

圖9 制冷機性能測試系統(tǒng)1-風扇電源;2-萬用表;3-功率表;4-直流電源;5-交流電源;6-控制器;7-斯特林制冷機;8-風扇Fig.9 Test rig of cryocooler

3.2 制冷機性能

制冷機性能測試實驗主要測試了降溫曲線和制冷量,并與sage 模型的計算結果進行了對比。基于數(shù)值計算的優(yōu)化設計結果,運行參數(shù)選取工作壓力p=2.1 MPa,運行頻率f=60 Hz。

首先實驗測試了冷端在無熱負荷條件下由室溫冷卻至最低制冷溫度的降溫時間曲線,圖10 給出了完整的降溫曲線,其中t為時間。由圖10 可知,降溫初期降溫曲線接近線性,即降溫速率幾乎不變,在快速降溫至90 K 左右后,降溫速率逐漸減緩,最終幾乎水平,達到最低制冷溫度。由室溫狀態(tài)開機,制冷機降溫至77 K 約需5 min,約13 min 降溫至最低制冷溫度35.68 K。

圖10 制冷機降溫曲線Fig.10 Cooling curve of cryocooler

事實上,降溫曲線所呈現(xiàn)的規(guī)律與斯特林制冷機在不同制冷溫度下的工作特性有關,即制冷溫度越低,制冷量越小。在降溫初期的線性區(qū)域,由于制冷量較大,所以降溫速率較快,約為0.73 K/s,而當降溫至更低的溫區(qū)之后,制冷量大幅下降,冷端降溫速率明顯減小,在36 K 附近達到熱平衡,溫度幾乎不再下降。

圖11 給出了制冷機在不同制冷溫度下的制冷量曲線。圖中分別列出了液氮溫區(qū)附近實驗測量與數(shù)值模擬的結果。由圖11 可知,在模擬與實驗結果中,制冷量與制冷溫度之間均近似呈線性關系,77 K 時實際制冷量可達10.62 W,而且數(shù)值計算值始終略高于實驗值,計算誤差約為5.2%—15.4%。

圖11 制冷量隨溫度變化曲線Fig.11 Variation curve of cooling capacity with temperature

數(shù)值計算的誤差主要是由于模型與實際工作狀態(tài)存在一定的差異。數(shù)值模型將斯特林制冷機簡化為了一維節(jié)點模型,且包含理想氣體假設等條件,忽略了部分流阻和傳熱損失,所以計算結果會略高于實測制冷性能。此外,由于數(shù)值模型的優(yōu)化區(qū)間集中于70 K 至80 K 之間,所以在偏離這一溫度區(qū)間時,計算誤差會相對增大。

3.3 運行穩(wěn)定性

為研究該斯特林制冷機長期工作的可靠性,開展了運行穩(wěn)定性實驗,測試結果如圖12 所示。圖中可見,在工作壓力為2.1 MPa、運行頻率為60 Hz、制冷溫度為77 K 的條件下,制冷機持續(xù)穩(wěn)定運行200 h以上,制冷量波動范圍小于0.5 W(即總制冷量的±4.7%),表明該制冷機具備長期穩(wěn)定運行的能力。

圖12 制冷機持續(xù)開機制冷量變化曲線Fig.12 Variation curve of cooling capacity during continuous operation

4 結論

基于Sage 建立了10 W@77 K 自由活塞斯特林制冷機的數(shù)值模型,重點對制冷機的運行頻率、工作壓力和回熱器參數(shù)等開展了優(yōu)化設計,并成功研制出制冷機樣機,完成了實驗研究。結果表明,制冷機實測制冷量可達10.62 W@ 77 K,COP可達0.062,在200 h 持續(xù)運行時間內制冷量波動范圍小于0.5 W,顯示出高效穩(wěn)定的工作性能,總體性能在目前國內已有研究中處于領先水平。數(shù)值模擬結果與實驗結果吻合較好,說明所建的模型具有較高的準確性,為后續(xù)制冷機的設計和優(yōu)化工作奠定了良好的基礎。