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 王乃亮 赵密广 李金泽 荀玉强 梁惊涛

(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)

1 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1.6[14]。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。

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.1 Photo of pulse tube refrigerator

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.2 Schematic of experimental device

3 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.3 Temperature measuring point in circumferential direction of outer wall of regenerator

3.1 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,1—4 分别代表1—4 号点位。

表1 液氮温区不同冷量的蓄冷器结构对比Table 1 Comparison of structure of regenerator with different cooling capacity at liquid nitrogen temperature

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,测点温度呈上升趋势,这说明蓄冷器沿轴向的温度分布除了受冷头温度的影响外,与频率还有明显的关系。如,52 Hz时,冷头温度为38.8 K,42 Hz 时,冷头温度为41.1 K,但52 Hz 各测点温度均明显高于42 Hz 各测点温度,因此,频率和冷头温度都会对蓄冷器的轴向温度分布产生影响。

图4 频率对蓄冷器外壁圆周方向温度分布的影响Fig.4 Influence of frequency on temperature distribution in 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.5 Diagram of maximum temperature difference in circumference direction of regenerator and temperature of cold head variation with frequency

这也说明在实际情况中,蓄冷器沿轴向的温度分布并不是线性变化的。并且,频率的改变并没有引起周向温度分布的改变,最高温度始终在2 点位,而最低温始终在5 点位。

图5 可见,当频率为42 Hz 时温差最小,为14.7 K,48 Hz 时温差最大,为27.8 K。温差随着频率的提高没有明显的规律,这也间接表明频率与蓄冷器圆周方向的温度分布是否均匀相关性不大。

3.2 输入功率的影响

图6 为保持频率为48 Hz 不变、冷头无热负荷的实验条件下,将输入电功从200 W 增大到1 400 W,不同输入功率下的蓄冷器周向温度分布图。200 W输入功率下,各点位的温度差异小于8 K,温度基本均匀。从400 W 开始,随着输入电功的增大不同点位处的温度发生了不同趋势的改变。1 点位的温度几乎不发生改变,2 点位的温度随输入电功的增大而升高,3 点位随输入电功的增大而减小,5 点位在400—1 000 W 输入功率下随输入电功增大而降低,超过1 000 W 后,温度变化趋势发生了突变,在1 000—1 400 W 范围内随输入电功的增大升高。对于为何会出现这一现象,通过结合图7 中冷头温度随输入电功的变化曲线来进行分析。

图6 输入功率对蓄冷器外壁圆周方向温度分布的影响Fig.6 Influence of input power on temperature distribution in circumferential direction of outer wall of regenerator

图7 蓄冷器圆周方向最大温差、冷头温度随输入电功的变化关系图Fig.7 Diagram of maximum temperature difference in circumference direction of regenerator and temperature of cold head variation with input electric power

当输入电功为1 000 W 时,冷头温度达到最低,为33.3 K。之后随着输入电功的增加冷头温度逐渐升高,这与Dietrich 等人的研究结果一致,说明当操作条件到达某一“临界值”后,蓄冷器内部流场的不均匀性也到达某一程度,严重恶化制冷机性能,而输入功率与这一“临界值”有密切的关系。蓄冷器内部气体的流动状态在到达这一“临界值”后发生了剧烈的改变,蓄冷器内部环流效应加剧,因此,管壁上某些区域的温度变化也因流动状态的改变呈现出了与之前相反的趋势。

3.3 冷头热负荷的影响

保持输入电功600 W 和频率44 Hz 不变,通过改变冷头加热量以探究冷头热负荷对蓄冷器圆周方向温度分布的影响。实验结果表明,随着冷头热负荷的增加,蓄冷器周向温差逐渐减小,各点温度逐渐升高,如图8 所示。将上述实验数据进行整理,可以得到不同冷头热负荷下冷头温度及测量位置周向最大温差的关系,如图9 所示。

图8 冷头热负荷对蓄冷器外壁圆周方向温度分布的影响Fig.8 Influence of heat flux of cold head on temperature distribution in circumferential direction of outer wall of regenerator

从实验结果可以看出,随着冷头热负荷的增加,冷头温度近似线性地上升,而周向最大温差则近似线性地下降。由图9 可知,当加热量为零时,周向最大温差为29.4 K,当加热量为30 W 时,圆周方向的最大温差为25 K,当加热量增加至50 W 时,周向最大温差约为21 K。加热功率为10 W 时,冷头温度和周向最大温差略微偏离线性关系,这可能是由于实验测量误差引起的。

图9 蓄冷器圆周方向最大温差、冷头温度随热负荷的变化关系图Fig.9 Diagram of maximum temperature difference in circumference direction of regenerator and temperature of cold head variation with heat flux

针对这一现象,经分析认为,由于冷头添加热负荷给系统增加了一个额外的焓流δH输入,使得冷端换热器处的气体吸收了这一热量Qlift,热源所释放的热量均匀加热了冷端换热器部位附近的气体,因而减小了冷头附近同一圆截面上气体的温度差异,从而减小了测点间的最大温差。从另一方面来看,外部热量的输入使得冷头温度升高,蓄冷器的轴向温度梯度减小,这也有利于蓄冷器内部流场的均匀性。

4 结论

为了从实验的角度揭示大冷量脉冲管制冷机特有的长径比小于1 的“短粗”型蓄冷器内部流动过程及其特性,本研究以一台100 W/90 K 的脉冲管制冷机为研究对象,探究了频率、输入电功、冷头热负荷对蓄冷器流场和温度分布均匀性的影响,并初步分析了产生这些影响的原因。主要结论如下:

(1)随着频率的提高,蓄冷器的周向温差没有表现出与之的相关性,但频率会影响蓄冷器的轴向温度分布。

(2)增大制冷机的输入电功,蓄冷器周向温差呈增大的趋势,蓄冷器内部流场会在达到某一“临界值”后产生剧烈的不均匀性并严重影响制冷机的性能。本实验中,该临界值与冷指最低温度存在对应关系。

(3)在冷头施加热负荷可以减小蓄冷器周向温差,原因一是气体吸收了外界输入的热量,气体被加热后温度均匀性有所改善,二是冷头温度的升高使得轴向温度梯度减小,这也有利于蓄冷器内部热力学稳定性。