韓 磊 邱利民 甘智華 黃 宸 夏 曦 植曉琴

(1浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027) (2 浙江省制冷與低溫技術重點實驗室 杭州 310027) (3溫州大學機電工程學院 溫州 325035)

DC流對液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機的影響

韓 磊1,2,3邱利民1,2甘智華1,2黃 宸1,2夏 曦1,2植曉琴1,2

(1浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027) (2浙江省制冷與低溫技術重點實驗室 杭州 310027) (3溫州大學機電工程學院 溫州 325035)

理論研究表明DC流(Direct Current flow)存在于大多數(shù)雙向進氣結構的脈管制冷機中。開展了10 K以下多級斯特林脈管的實驗研究，考察了在液氦溫區(qū)斯特林脈管內直流流動對制冷機性能影響的規(guī)律。在采用雙向進氣結構對DC流流向及流量適當控制時，制冷機性能得到明顯提升，在8—7 K溫區(qū)適當?shù)腄C流下冷端由7.42 K降低至7.16 K。

脈管制冷機 回熱器損失 DC流 液氦溫區(qū)

1 引 言

從20世紀60年代年Gifford和Longsworth發(fā)明有制冷效果的基本型脈管以來，由于脈管制冷機具有冷端無運動部件及相對于其它類型制冷機在壽命、振動、可靠性和價格等方面的優(yōu)勢，更多的學者對其應用產(chǎn)生興趣并開始研究[1]。1984年，前蘇聯(lián)科學家Mikulin在基本型脈管制冷機的脈管和熱端換熱器間增加節(jié)流小孔，使用空氣作為工質的最低溫度達到105 K[2]。1986年，美國國家標準技術研究院的Radebaugh博士將小孔從脈管與熱端換熱器之間移到氣庫與熱端換熱器之間，并用針閥代替小孔。采用氦氣為工質，得到60 K最低制冷溫度[3]。1990年，朱紹偉等提出了雙向進氣型脈管制冷機方案，使得制冷機性能得到顯著提升，單級脈管制冷機最低制冷溫度降低至42 K[4]，相比小孔型降低13 K。雙向進氣結構減輕了回熱器熱負荷，進一步分析發(fā)現(xiàn)雙向進氣具有增強調相的作用，預計使得使得制冷機內部獲得更優(yōu)的相位關系,因此雙向進氣顯著地提高制冷性能。雙向進氣結構在國內外多個研究機構均得到驗證[5-7]。雙向進氣結構是脈管制冷機重要的調相方式，尤其是G-M型脈管制冷機突破液氦溫區(qū)的重要技術之一。

1996年,日本學者Seki等人指出，使用雙向進氣結構的脈管制冷機在長期運行中會出現(xiàn)溫度波動，而這種波動是由雙向進氣閥門帶來的環(huán)流引起的[8]。隨后，Gedeon首次理論上分析了脈管制冷機中環(huán)路引起的DC流特性，相關機理及計算方法[9]。此后，研究者將雙向進氣產(chǎn)生的此環(huán)流稱為Gedeon直流(DC flow)，直流不僅從熱端流向冷端附加熱流增大冷端換熱器負荷，還可能使制冷溫度不穩(wěn)定甚至惡化制冷性能。脈管內的直流問題在一定范圍內也限制了雙向進氣結構的應用。由此直流效應被正式提出并引起廣泛重視。

為了抑制雙向進氣引起的直流，研究者開始嘗試多種措施。1997年，巨永林等在環(huán)路打開下采用熱線風速儀測量到進出口制冷不平衡現(xiàn)象，觀察并證實了多路旁通脈管制冷機內DC流的存在。隨后通過分析旁通閥開度與制冷機內質量流關系，證實了適當?shù)亩嗦放酝ㄕ{節(jié)可以抑制雙向進氣導致的脈管內直流現(xiàn)象[10]。同時，浙江大學邱利民等提出第二小孔創(chuàng)新結構，通過小孔閥將氣庫與壓縮機低壓側連接，引入一股可控直流來消除雙向進氣帶來的直流，使得二級脈管達到了3.1 K[11]。Swift等由流體力學角度出發(fā)對DC流產(chǎn)生機理進行分析，提出利用流體阻力來消除和控制直流，且取得明顯效果[12]。隨后，王超等采用串聯(lián)兩個雙氣進氣閥的方式研究了單級脈管制冷機中雙向進氣與DC流控制間的關系[13]。浙江大學甘智華等在分析單閥雙向進氣問題的基礎上提出采用雙閥結構，實驗結果表明該閥門結構可以對脈管制冷機的直流進行有效控制，是使脈管制冷機單級情況下達到低于20 K溫區(qū)的有效手段[14]。1998年，王超等理論和實驗研究了液氦溫區(qū)G-M脈管制冷機中DC流調節(jié)和控制的影響。結果顯示，在G-M脈管制冷機中適當?shù)腄C流量控制可以提高液氦溫區(qū)脈管制冷機性能，4.2 K下制冷量由260 mW增大到460 mW[15]。以上針對G-M型脈管制冷機研究結果表明，有效的DC流調節(jié)和控制可以提高脈管制冷機性能。

相對于G-M型脈管制冷機，斯特林型脈管制冷機通常運行于30—60 Hz頻率范圍，體積更為緊湊，且有著更高的潛在電功轉化效率。斯特林型脈管制冷機主要采用慣性管作為調相裝置，實驗表明在高頻情況下要優(yōu)于小孔氣庫調相[16]。不同于G-M型脈管制冷機，由于使用高頻慣性管調相方式且DC流存在溫度波動不確定性等問題，因此在斯特林型脈管尤其是液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機中，很少采用雙向進氣結構形式。針對帶有DC流的雙向進氣結構應用到液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機中是否同樣可以有效提高制冷性能的問題，本研究將調節(jié)DC流的雙向進氣結構應用到三級斯特林脈管制冷機上，實驗研究DC流調節(jié)和控制在液氦溫區(qū)斯特林脈管制冷機中的影響規(guī)律。

2 實驗裝置介紹

本文DC流實驗裝置主體為自制液氦溫區(qū)三級斯特林型脈管制冷機[17-18]。圖1示出了第三級脈管熱端(20 K溫區(qū))通過毛細管穿出真空罩后與一組高精度可調針閥組成的閥門組相連，該閥門組另一端接壓縮機出口。規(guī)定從回熱器熱端流向冷端為正向。DC流支路選用內徑0.5 mm的不銹鋼管。

在100—300 K 和7—100 K制冷機溫度位區(qū)間分別布置了4只鉑電阻溫度計和8只銠鐵電阻溫度計，溫度計測量精度均為0.1 K，數(shù)據(jù)采集相應的分別為Lakeshore218溫度采集儀器和Keithley2000。二級冷頭、三級冷頭回熱器和脈管側均采用Cernox溫度傳感器，其測量精度為0.01 K。

圖1 帶DC流回路的第三級斯特林型脈管制冷機試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of the three-stage SPTC with DC flow loop

3 實驗研究和討論

圖2為第三級冷端最低溫度隨不同閥門開度下DC流量變化實驗結果。由圖中曲線可以看出，當DC=0時，冷端溫度為7.42 K。隨開度增大，冷端溫度逐漸減小，在閥開度為50時，冷端溫度最小為7.16 K。隨后開度進一步增大，冷端溫度開始增大。

圖2 第三級冷端最低溫度隨DC流量變化實驗結果Fig.2 Measured no-load temperatures of the third stage as function of opening of the DC Valve

降低預冷溫度對于制冷機調相能力影響非常重要，預冷溫度越低，慣性效應越強，調相能力也越大。同時，降低預冷溫度對于增大絕熱膨脹效率及減小回熱器軸向損失也很重要。在調節(jié)DC流時發(fā)現(xiàn)，流量大小對熱耦合第二級冷端溫度有影響。圖3為第二級預冷溫度隨DC流量變化實驗結果。由曲線可以看出，當流動方向為正時，隨著流量增大，第二級冷端溫度減小，DC從0增大到20小格時，二級溫度Tc2從28 K降到26.85 K，隨后降幅減小，當開度為90時二級溫度Tc2降低到26.2 K。由圖8知冷端溫度對應最佳開度為50—60小格。因此，雖然增加開度帶來預冷溫度降低，但當直流流量增加到一定程度回熱器內損失加劇，最終使得性能下降。

圖3 第二級冷端溫度隨DC流量變化實驗結果Fig.3 Measured temperatures of the second stage as function of opening of the DC Valve

圖4不同DC流量下第三級制冷量曲線實驗結果。DC流向為正向，即回熱器熱端流向冷端方向。由圖看出，DC=0時，冷端無負荷最低溫度為7.75 K，8.2 K對應冷量為20 mW，制冷量線斜率為43.3 mW/K。隨直流質量流增大DC=30時，冷端無負荷最低溫度為7.17 K，7.7 K對應冷量為20 mW，制冷量線斜率為33.2 mW/K。由兩條制冷量曲線對比看出，DC流可以提高液氦溫區(qū)脈管制冷機制冷性能，在制冷溫度低的情況下更明顯。由曲線斜率可以預測當冷端溫度升高到一定值時，DC流影響為零，繼續(xù)升高溫度開度將降低制冷性能。

圖4 不同DC流量下第三級制冷量曲線實驗結果Fig.4 Cooling power versus temperature of the 3nd stage with different opening of the DC Valve

4 結 論

理論研究發(fā)現(xiàn)適當流量下由回熱器熱端流向冷端方向的DC流可以提高液氦溫區(qū)斯特林脈管制冷機制冷性能，這是因為制冷機內DC流使冷端PV功增大。實驗研究發(fā)現(xiàn)，正向流動的DC流在6—8 K溫區(qū)同樣可以提高制冷機性能。引入DC流后，一、二級預冷溫度也將隨之減小。因此，對于斯特林型脈管制冷機，如何綜合利用DC流對制冷機各溫度區(qū)間影響提高制冷性能將是后續(xù)研究的重點。

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Effect of DC flow on a Stirling-type pulse tube cryocooler working around liquid helium temperature range

Han Lei1,2,3Qiu Limin1,2Gan Zhihua1,2Huang Chen1,2Xia Xi1,2Zhi Xiaoqin1,2

(1Institute of Cryogenics and Refrigeration, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) (2Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenic Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310027, China) (3College of Mechnical and Electrical Engineering, Wenzhou University, Wenzhou 325035,China)

Previous numerical and experimental analysis show the effect of DC flow (Direct Current flow) in pulse tube cooler with double-inlet. This paper analyzes effect of DC flow on multi-stage pulse tube cryocooler with double inlet below 10 K.We have found that the proper DC flow control can enhance the performance and reduce the cold end temperature from 7.42 K to 7.16 K in 8—7 K temperature area.

Stirling pulse tube cryocooler; liquid helium temperature; regenerator losses; DC flow

2016-09-28；

2016-09-28

國家杰出青年科學基金項目(50825601)資助。

韓 磊，男，33歲，博士研究生。

邱利民，博士，教授，博導。

TB651

A

1000-6516(2016)05-0001-04