新型丙纶纤维填充式回热器单级脉管制冷机性能实验研究

阚安康，吴亦农，张安阔，刘少帅



新型丙纶纤维填充式回热器单级脉管制冷机性能实验研究

阚安康1,2，吴亦农1，张安阔1，刘少帅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 201306）

回热器作为回热式低温制冷机的关键部件，其填充介质对整体性能影响很大。采用丙纶纤维作为回热器新型填充介质，对单级脉管制冷机进行了试验研究。对丙纶微尺度空间结构及物理性能进行了分析，基于充气压力分别为3.5MPa/3.0MPa/2.8MPa/2.5MPa/2.0MPa/1.5MPa的工况下，进行了降温性能、频率性能、制冷性能试验，获取了最低制冷温度，最佳工作频率及最大比卡诺效率。研究结果表明，充气压力对丙纶填充回热器的制冷机整体性能影响较大，工作频率的影响不是很明显。最终获得了最大比卡诺效率9.46%@170K/10.06W/77W，最大制冷量为5.47W@120K/2.5MPa、12.02W@150K/3.0MPa、16.49W@170K/3.0MPa，并获得了96.4K的最低制冷温度。

脉管制冷机；回热器；丙纶纤维；制冷性能

0 引言

随着医院、军事、能源、生物等领域对低温环境的需求，小型低温制冷装置得以迅速发展，尤其是军事、空间技术（如红外射线、X射线探测）对空间用制冷机的制冷温度、效率、稳定性、尺寸、重量及使用寿命等的要求越来越高，开发高效、紧凑、质轻的低温制冷装置已经成为空间低温技术的研究热点[1]。在回热式低温制冷机中，回热器作为其关键部件之一，对其性能的影响甚大[2-20]。回热器填充介质的材质、结构形式及热物性等是决定回热器性能的关键因素。W. M. Clearman[2-3]，J. S. CHA[4-5]等基于交变流下，对不同填料结构的回热器轴向压降进行测试，其填充介质主要有层叠不锈钢丝网、烧结丝网、屋叠键片等，文章导出了Forchheimer惯性系数和流阻因数等参数。陶于兵[6]、高凡[7-8]等建立了多孔填料回热器模型，分析了层叠丝网格式回热器的传热和压降性能，同时对回热器填料的换热和流动性能进行了优化，得出用高密度和高比热容的填料能够得到较高的制冷量。中科院上海技术物理研究所[9-12]对层叠丝网填充的回热器进行了实验研究，采用不同目数的不锈钢丝网进行混填，并对脉管回热器性能进行了实验研究，得出前疏后密的丝网填充方式有利于提高回热器的性能。王强等[13]对回热器进行了轴向和径向混合丝网填充，对回热器的热损失进行了理论计算，得出减少轴向热损失的方法。Bernard Castagnede等[14]对纤维多孔介质填料的流动阻力进行了理论分析，并推到出计算公式。刘益才等[15]在此基础上研究了制冷机多孔介质填料的频率特性，推导出特征频率的计算公式。T. Jin等[16]则采用纳米尺度平行光纤作为回热器填充介质，获得制冷系数13.6%@80K的效果。上述研究成果极大地推动了制冷机，尤其是回热器的进展。

为满足低温的需要，回热器内的多孔介质填料必须有传热面积大，轴向导热小，压降小，体积热容大，空体积小等优点[17-20]。采用多孔介质纤维作为回热器的填料，可以有效地减轻制冷机的形体质量。文章选用丙纶纤维作为填料，对丙纶的结构性能进行了分析，并基于即定脉管制冷机下进行了试验研究。研究结果对回热器填料的选择和运行参数优化设计具有借鉴意义。

1 丙纶纤维结构及物性参数

在低温制冷机的回热器填料选取上，要综合考虑填料的热物性及结构尺寸参数，在综合考虑回热器填料的传热和流阻影响，在回热器填料的选择上应满足以下要求[12]：

1）回热器填料体积比热容要远大于工作气体比热容。

2）回热器填料流道的当量直径应小于工作气体的热渗透深度，以保证气体与填料换热充分。流道过小的当量直径不可取，过小的流道会增加回热器流动阻力损失，影响制冷机性能。运行在特定频率下的工作气体，其热渗透深度与粘性渗透深度共同决定了回热器填料孔隙通道当量直径的上下限。

3）回热器填料固体基质也存在热穿透深度，所以回热器填料的当量直径应当小于或接近填料的热穿透深度。

丙纶材料的物性参数与不锈钢丝网SS304的比较如表1所示。

由于丙纶纤维状材质与常用低温填充介质不锈钢丝网、球形填料等都不相同，故而在采用此种材料作为填充介质来理论计算其孔隙率时，参数需另建物理模型。丙纶纤维材料微观结构如图1所示。单根纤维丝为中空圆柱状，以此计算回热器孔隙率等参数。

试验采用丙纶纤维主要成分为聚对苯二甲酸乙二醇酯，其质量份数约为99%，其余为灰分，主要为TiO2，其质量份数约为1%，丙纶的宏观结构、微尺度空间结构如图1(a)、(b)所示。丙纶纤维常态下的物性参数如表1所示。鉴于常规材料在低温下性能会发生改变的特性，故而在后续的工作中将开展对丙纶纤维材料低温性能测试，尤其是测试其低温下的导热性能、热扩散系数等，对后期丙纶回热器的性能分析和数值模拟提供必要的理论参数。

在填充时，为确保回热器内丙纶纤维填充均匀，孔隙率一致，需对丙纶纤维进行预处理。本试验填充前将丙纶纤维均分为若干份，进行真空干燥去除其中水分等可能影响回热器性能的成分，并按照回热器规格加工成为若干微团结构，如图1(c)所示。填充完成后并在回热器两端分别添加铜质导流丝网。

2 实验装置

图2给出了单级脉管制冷机结构示意图。脉管制冷机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输出功率及频率；整机为直线型设计，级后换热器采用水冷方式，形式为狭缝结构，恒温水浴温度设置为20℃。脉管热端换热器采用直接风冷式。冷端温度C采用Pt100型电阻式温度传感器测量，冷指置于真空腔内，试验中采用分子泵来维持真空腔内真空度在10－4Pa以下；加热单元采用直流电源加热模拟热负荷，制冷量采用电阻丝测量，电压由恒压电源控制。采用惯性管和气库组合方式进行调相。回热器采用不锈钢材质，总长度为55mm，内径尺寸为23.5mm；脉管采用薄壁钛合金材质，长度为80mm，两端备以导流丝网；惯性管采用铜管材质，长度为4.3m；气库不锈钢材质，容量为200mL。

表1 丙纶纤维材料与不锈钢丝网热物性参数

图1 丙纶纤维材料

图2 脉管制冷机系统图

3 试验结果及讨论

试验过程中，保持整机工况一致，级后换热器水浴温度维持在20℃。考察在不同的参数状态下整机的性能。选择工作气体为氦气3，在不同充气压力下进行整机性能试验，充气压力分别为3.5MPa/3.0MPa/2.8MPa/2.5MPa/2.0MPa/1.5MPa。试验测试的主要整机性能包括降温特性，频率特性和制冷性能。

3.1 降温特性

降温特性可以表征制冷机内建立稳定的温度梯度需要的时间，也是回热器性能的重要体现。图3给出了工作频率为50Hz，输入功率为120W时，不同充气压力下的整机降温性能曲线。充气压力为2.8 MPa是对应的降温速度最快，15min后基本趋于稳定，且达到了101.7K的冷指温度，其次为3.0 MPa，16min后也基本稳定，达到了102.6K的制冷温度；充气压力为2.5MPa的工况在16min后也能基本趋于稳定，且达到几种工况下的最低制冷温度96.5K。随后，充气压力为3.2MPa，17min后达到104.4K并趋于恒定；2.0 MPa，18min后趋于恒定为100.99K；3.5MPa，20min后趋于稳定在102.95K；1.5MPa降温速度最慢，27min后才逐渐趋于稳定在111.3K。

充气压力越大，在交变流过程中流经丙纶介质的氦气质量流量大，阻力损失严重，压降大，造成降温速度缓慢，制冷温度也没有达到预期效果；而充气压力小，交变流过程中流经丙纶纤维孔隙的氦气质量流也小，阻力损失小了，但参与制冷的工质少，降温缓慢，制冷效果也不理想。从试验曲线分析，充气压力为2.5MPa，工作频率为50Hz时对应的降温特性最佳。

图3 降温特性曲线

3.2 频率特性

运行频率也是影响制冷机性能的重要参数之一。频率过高，回热器内工作介质与回热器填料之间无法得到充分换热，造成回热器不可逆损失增大，从而影响整机效率。如运行频率太低，在实现相同制冷量的前提下，需要大尺寸的回热器与之相匹配。图4显示了120K下的丙纶填充回热器制冷机频率特性。因整机性能匹配因素，试验中，对充气压力为3.5MPa/3.0MPa/2.8MPa/2.5MPa/2.0MPa的工况进行了2W@120K的输入功率测试，对1.5MPa的充气压力工况，获得1W@120K。分析比较了在相同工况下，不同运行频率对输出功的影响规律。

图4 频率特性曲线

从图中可以看出，在不同的充气压力下，丙纶回热器存在一个最佳运行频率。充气压力为3.5MPa时，可获得2W@120K的性能，在运行频率为50Hz时，压缩机输入功最低，90.8W；3.0MPa/2.8MPa对应的最佳运行频率亦为50Hz，且压缩机输入功率分别为87.82W和82W；充气压力为2.8MPa的工况，频率特性变化不显著，但在50Hz的输入功率最小为69.77W；充气压力为2.0MPa的工况对应最佳频率为49Hz，输入功率为65W；充气压力为1.5MPa的工况对应最佳频率为48Hz，输入功率为55W。

3.3 制冷性能

制冷机的性能一般可以从最大制冷量和比卡诺效率两个参数加以考察。保持冷端的温度恒定，在相同的边界条件下获得制冷量及压缩机输入功率的关系及制冷量和比卡诺系数的关系是分析整机性能的常用方法。实验时的输入功可以电压电流值测量及计算获取，调整加热单元的输入电压值来调整加热量，稳定冷指温度，进而采用热平衡的方法获取该工况下的制冷量。本试验分别获得了制冷温度为120K/150K/170K三种工况下的丙纶填充回热器的制冷性能曲线如图5所示。

稳定冷指温度为120K，采用热平衡法获得不同工况下的制冷量和输入功率的关系及比卡诺效率如图5所示。从图中可以看出，充气压力为2.5MPa时，输入为129.9W时获得最大制冷量为5.47W，COP为4.2%，其比卡诺效率为6.11%，此时对应的比卡诺效率在本实验对应的工况中也最高。

稳定冷指温度为150K时，从图6可以看出，充气压力为3.0MPa时，输入功率为158.4W时获得最大制冷量为12.02W，COP为7.59%，其比卡诺效率为7.23%。而事实上，充气压力为2.0MPa时，输入功率虽仅有66W，但获得了6W的制冷量，COP为9.1%，比卡诺效率达8.68%。

稳定冷指温度为170K时，从图7可以看出，充气压力为3.0MPa时，输入功率为159.54W，可获得16.49W的最大制冷量，此时比卡诺效率为7.49%。充气压力为2.0MPa时，输入功率为77W，却可以获得10.06W的制冷量，对应COP为13.06%，比卡诺效率为9.46%。实际工程中，可以根据制冷量的需要，调整充气压力以实现整机性能最佳。

从上述分析可以也可以看出，对既定丙纶填充回热器的单级脉管制冷机而言，整机性能受充气压力的影响最为显著。

4 结论

文章对丙纶纤维材料进行了微尺度空间结构分析，并采用其作为填料，对单级脉管制冷机回热器进行了填充。基于既定系统下，充气压力分别为3.5MPa/3.0MPa/2.8MPa/2.5MPa/2.0MPa/1.5Mpa的工况下分别进行了降温特性、频率特性和制冷性能试验。试验结论如下：

1）充气压力是影响降温速度的关键因素。在工作频率为50Hz，输入功为120W时，充气压力为2.5MPa时获得95.5K的最低制冷温度；充气压力为2.8MPa时降温速度最快，约15min即可到达平衡。

图5 120K运行工况制冷性能

Fig.5 Curves of cooling capacity@120K

图6 150K运行工况制冷性能

图7 170K运行工况制冷性能

Fig.7 Curves of cooling capacity@170K

2）脉管制冷机一般存在最佳工作频率，试验中对不同充气压力下的工况进行了扫频试验，并获取了对应工况的最佳工作频率。事实上，工作频率对丙纶填充回热器的单级脉管制冷机性能影响不大。

3）基于不同充气压力下考察了120K/150K/170K制冷温度下的制冷性能，测取了最大制冷量和最大比卡诺效率。获得最大制冷量为5.47W@120K/2.5MPa、12.02W@150K/3.0Mpa、16.49 W@170K/3.0MPa，获得最大比卡诺效率为6.11%@120K/2.0MPa，8.68%@150K/2.0MPa，9.46%@170K/2.0MPa。

文章选择了一种新型的回热器填充多孔介质材料，并基于即定低温制冷机下进行了试验研究。研究发现充气压力是影响整机效率的关键参数，故而可以调整单级脉管制冷机的充气压力以匹配工程所需。

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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.

阚安康（1981-），男，山东济宁人，博士后，主要从事小型低温制冷装置性能研究。E-mail：ankang0537@126.com。

中国博士后科学基金项目（2016M590385）；上海市自然基金资助项目（15ZR1419900）。