大冷量同轴型脉冲管制冷机蓄冷器周向温度分布实验研究_张雅婷.pdf

2023 年第 1 期总第 251 期低温工程CRYOGENICSNo.1 2023SumNo.251大冷量同轴型脉冲管制冷机蓄冷器周向温度分布实验研究张雅婷1,2王乃亮1赵密广1,2李金泽1荀玉强1梁惊涛1,2(1中国科学院理化技术研究所中国科学院空间功热转换技术重点实验室北京 100190)(2中国科学院大学北京 100049)摘要:针对一台液氮温区可产生 100 W 制冷量的脉冲管制冷机,通过控制变量的方法实验研究了工作频率、输入功率、冷头热负荷量对蓄冷器圆周方向温度分布和最大温差的影响。研究结果表明:工作频率的改变对蓄冷器的周向温度分布影响不大,增大输入功率导致蓄冷器的周向温度不均匀性明显变强,增大冷头热负荷量可以减小蓄冷器的周向温度不均匀性。关键词:脉冲管制冷机大冷量温度分布蓄冷器中图分类号:TB651文献标识码:A文章编号:1000-6516(2023)01-0001-05收稿日期:2022-12-12;修订日期:2023-02-09基金项目:国家自然科学基金(521006036)。作者简介:张雅婷,女,24 岁,硕士研究生。Experimental study on circumferential temperature distribution ofregenerator in coaxial pulse tube refrigerator with large cooling capacityZhang Yating1,2Wang Nailiang1Zhao Miguang1,2Li Jinze1Xun Yuqiang1Liang Jingtao1,2(1Key Laboratory of Technology on Space Energy Conversion,Technical Institute of Physics and Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)(2University of Chinese Academy of Science,Beijing 100049,China)Abstract:The study object is a pulse tube refrigerator with a cooling capacity of 100W in liq-uid nitrogen temperature zone.The effects of operating frequency,input power and heat load ofthe cold head on the temperature distribution and maximum temperature difference in the circum-ferential direction of the regenerator are experimentally studied by the method of control variables.The results show that the change of operating frequency has little effect on the circumferential tem-perature distribution of the regenerator,the increase of input power leads to the obvious increaseof the circumferential temperature nonuniformity of the regenerator,and the increase of the heatload of the cold head can reduce the circumferential temperature nonuniformity of the regenerator.Key words:pulse tube refrigerator;large cooling capacity;temperature distribution;regen-erator1引言随着科学技术的进步,空间应用对于制冷量的需求越来越大。如红外技术向着大面阵、多光谱的方向发展;大冷量的深低温制冷机的前级预冷量需求大幅增加;低温推进剂的长期储存等,将需要制冷机提供低温工程2023 年越来越多的冷量1-2。国内外学者对此开展了一系列研究工作。2010 年,中国科学院理化技术研究所研制的大冷量脉冲管制冷机,可以在 120 K 提供 10 W的冷量,可用来冷却光学系统3。2016 年,中国科学院上海技术物理研究所研究了一种 10 W 70 K 的脉冲管制冷机,用于红外焦平面阵列的制冷,在 70 K时相对卡诺效率达到了 14.75%4。液氮温区 10 W冷量左右的空间脉冲管制冷机应用已有所应用,而制冷量在百瓦级的脉冲管制冷机的应用目前还主要集中在地面上,包括冷却超导电缆、低温液体的“零”蒸发等5-6。2014 年,胡剑英等人研制了一台大冷量脉冲管制冷机,7.6 kW 输入功率下,能够在 80 K 产生 520 W 的制冷量7。2019 年,党海政等人研制出了一台在 77 K 温度下制冷量为 500 W 的脉冲管制冷机,相对卡诺效率为 14%8。虽然百瓦级的脉冲管制冷机已有一定的应用,但其中仍存在着流场和温度场不均匀的科学问题等待解决。关于脉冲管内的Rayleigh 流、射流、第三种直流9-10等非交变流的研究已比较充分,但对于大冷量的脉冲管制冷机而言,蓄冷器内部流动的稳定性才是影响冷指效率的关键因素。2007 年,Dietrich 等人11在一台 200 W 的脉冲管制冷机上发现,超过某个临界点后,蓄冷器内产生环流,其大小与蓄冷器的温度梯度、质量流量以及横向导热率有关。2007 年,Andersen 等人12通过数值计算,发现环流的产生机理主要有 3 个原因:蓄冷器两端压力波的波形与正弦波的偏差;瞬时质量流量,取决于蓄冷器两端的瞬时压差温度;蓄冷器内的温度波动,首次提出采用“并联回热器模型”简化和解释蓄冷器内部环流。随后,浙江大学邱利民等人13发展了这一方法,并提出了用以定量计算蓄冷器周向温差的方法。目前关于大冷量的脉冲管制冷机蓄冷器内部不均匀流动的理论研究结果还处于一个定性和不充分的阶段,通过实验研究是理解蓄冷器内部流动过程的一个重要途径。其中,通过实验得到制冷机各主要参数对于同一轴向长度位置周向温度分布的影响,可以直观地获得反映蓄冷器内部流动过程特征的重要信息。由于诸多参数都可能影响蓄冷器温度分布的均匀性,而对于会产生明显的影响的参数的辨识及其影响程度还缺乏定量的实验研究。基于目前的研究现状,本研究通过采用控制变量法探究了输入电功、频率、冷头热负荷对蓄冷器周向温差的影响,并对实验结果进行了分析和讨论,通过定量的实验结果说明了以上 3 种参数对蓄冷器温度分布的具体影响,并解释了产生这些影响的原因,从而加深了对蓄冷器内部流动过程的理解。2实验平台搭建2.1结构参数本研 究 所 使 用 的 动 磁 式 压 缩 机 活 塞 直 径 为60 mm,最大输入电功约 2 000 W,输入电功为 1 800 W时,制冷机可以在 90 K 产生 100 W 的冷量。所使用的脉冲管制冷样机的蓄冷器长径比为 0.86;对于一台 12 W/80 K 冷量的脉冲管制冷机,其蓄冷器长径比为 1.614。随着冷量的提高,蓄冷器长径比逐渐减小,对于冷量在百瓦级的脉冲管制冷机,蓄冷器的长径比大多小于 1。表 1液氮温区不同冷量的蓄冷器结构对比Table 1Comparison of structure of regenerator withdifferent cooling capacity at liquid nitrogen temperature冷量蓄冷器直径/mm蓄冷器长度/mm长径比12 W/80 K28451.6100 W/90 K70600.86根据设计参数,结合本实验室以往的设计经验,对样机进行了三维设计、投产、加工、组装,最终完成了实验样机的研制,样机实物如图 1 所示。图 1实验样机实物图Fig.1Photo of pulse tube refrigerator2第 1 期大冷量同轴型脉冲管制冷机蓄冷器周向温度分布实验研究2.2实验装置实验装置简图如图 2 所示。在压缩机两侧安装了激光位移传感器以监测活塞的运动行程,防止其行程超过最大限位值发生撞缸。在进气连管上安装了压力波传感器,用来监测进入冷指的压力波幅值。将激光位移传感器与压力波传感器输出的信号输入到示波器上,可以实时监测活塞位移与压力波的相位。安装位移传感器与压力波传感器的目的是为了计算压缩机实际输出的 PV 功,以此可以单独评估压缩机效率与冷指效率。图 2实验装置简图Fig.2Schematic of experimental device3不同参数对蓄冷器温度分布的影响蓄冷器中的气体是交变流动的,任何非对称的因素都可能会对蓄冷器内部产生热力学不稳定性。当制冷机的冷量小于 5 W 时,蓄冷器的长径比通常大于 1.5,由于蓄冷器直径小且长度大,通过内部填料的径向导热一般可以基本消除非对称因素带来的温度场不均匀性。而随着冷量增大,蓄冷器直径变大,长径比减小,由于蓄冷器内部填料的径向导热有限,将不足以抵消温度或压力扰动带来的影响,因此非对称因素会对小长径比的蓄冷器内部热力学过程产生显著的影响。非对称性的产生与诸多参数有关,因此需要定量的实验结果以探究每个参数对蓄冷器内温度分布均匀性影响程度的大小。由于蓄冷器内部流场不易直接观测,因此可以通过监测蓄冷器同一轴向长度处管壁的周向温差来间接衡量其内部流场的稳定性。实验中通过在蓄冷器管壁上距离冷端换热器底端 42 mm(热端换热器底部到冷端换热器底部 1/2 处)位置处布置 6处温度计测量点来监测周向温度分布情况。沿逆时针方向每隔 90在圆周方向布置了 4 个温度测点,由于在实验中发现 1、4 和 2、3 点位间的温差较大,因此在这两处点位中间又增加了 5 号和 6 号两处温度测点。图 3蓄冷器外壁圆周方向的温度测点Fig.3Temperature measuring point in circumferentialdirection of outer wall of regenerator3.1制冷机工作频率的影响图 4 为保持输入电功 600 W 不变,冷头无热负荷的实验条件下,将制冷机工作频率从 42 Hz 开始以2 Hz 为间隔逐步增大到 56 Hz 时,不同频率下的蓄冷器周向温度分布图。图 5 为相同实验条件下圆周方向最大温差和冷头温度随频率的变化关系图。图中横坐标代表点位,2.5 代表 6 号点位,4.5 代表 5 号点位,14 分别代表 14 号点位。由图 4 分析可知,随着频率的增加,各点位的温度也 随 之 提 高。42 Hz 时,1 号 点 位 的 温 度 为81.7 K,56 Hz 时 1 号 点 位 的 温 度 升 高 到 了114.1 K。由图 5 可见,随着频率的提高,冷头温度先降低后升高,当频率为 48 Hz 时,冷头温度最低,为 35.6 K。但随着频率的提高,测点温度呈上升趋3低温工程2023 年图 4频率对蓄冷器外壁圆周方向温度分布的影响Fig.4Influence of frequency on temperature distributionin circumferential direction of outer wall of regenerator图 5蓄冷器圆周方向最大温差、冷头温度随频率的变化关系图Fig.5Diagram of maximum temperature difference incircumference direction of regenerato