祁 云 孫大明* 喬 鑫 沈 愜 章 杰 汪乘紅 丁海威

(1 浙江大學(xué)能源工程學(xué)院 杭州 310027)

(2 江蘇克勞特低溫技術(shù)有限公司 常州 213000)

1 引言

斯特林制冷機(jī)具有制冷效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠、降溫速率快以及制冷溫度范圍廣等特點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。其中,針對(duì)紅外探測(cè)、高溫超導(dǎo)、醫(yī)療衛(wèi)生和小型氣體液化等應(yīng)用場(chǎng)合的特殊要求,10 W@77 K 斯特林制冷機(jī)的需求尤為迫切[1]。國(guó)外的相關(guān)研究工作起步較早,目前已有多種直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的斯特林制冷機(jī)可滿足工程應(yīng)用:美國(guó)Sunpower 公司研發(fā)了CryoTel CT 以及CryoTel GT 兩種機(jī)型,均可在液氮溫區(qū)達(dá)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(shù),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(jī)型,制冷量達(dá)5 W@65 K,由于壓縮機(jī)采用雙活塞對(duì)置結(jié)構(gòu),所以可在一定程度上降低設(shè)備振動(dòng)[3];德國(guó)Leybold公司研發(fā)的SC-7com 制冷機(jī),制冷量可達(dá)6 W@77 K;法國(guó)Thales 公司研發(fā)的LSF9340 型斯特林制冷機(jī),制冷量可達(dá)7.3 W@75 K[4]。國(guó)內(nèi)的研究工作由于起步較晚,所以可成熟應(yīng)用的機(jī)型相對(duì)較少。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司16 所研發(fā)的10 W@80 K 氣體軸承斯特林制冷機(jī),可基本滿足大冷量紅外光學(xué)、冷光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用需求[1,5-8]。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所在10 W@ 77 K 斯特林制冷機(jī)的研制及其內(nèi)部機(jī)理研究方面做了大量工作,同時(shí)在千瓦級(jí)制冷機(jī)方面也取得了很大的研究進(jìn)展[9-12]。

在此研究背景下,為了滿足國(guó)內(nèi)對(duì)于高效率、高可靠性、長(zhǎng)壽命低溫制冷機(jī)的迫切需求,本文對(duì)10 W@77 K 自由活塞斯特林制冷機(jī)進(jìn)行了深入研究?；赟age 建立整機(jī)的數(shù)值模型并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析,得到了制冷機(jī)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案并成功研制出樣機(jī),完成了性能測(cè)試和模型驗(yàn)證。結(jié)果表明,數(shù)值模型具有較高的準(zhǔn)確度,制冷機(jī)的實(shí)測(cè)制冷量可達(dá)10.62 W@77 K,性能系數(shù)(COP)為0.062,持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間可超過(guò)200 h,制冷機(jī)的總體性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2 數(shù)值計(jì)算

基于sage 對(duì)斯特林制冷機(jī)各部分結(jié)構(gòu)模塊化處理并搭建一維數(shù)值模型,可對(duì)制冷機(jī)的各部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)開展優(yōu)化分析,在滿足制冷量設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下,實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)高效可靠運(yùn)行。制冷機(jī)結(jié)構(gòu)為整體式同軸型,由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng),如圖1 所示。直線電機(jī)采用動(dòng)磁式結(jié)構(gòu),永磁體與線圈的耦合磁場(chǎng)可產(chǎn)生軸向力,在板彈簧、氣體彈簧以及機(jī)械阻尼等的共同作用下,驅(qū)動(dòng)活塞做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),并在膨脹腔產(chǎn)生制冷效應(yīng);回?zé)崞鲀?nèi)部為蓄冷填料,可與氣體工質(zhì)周期性換熱;高溫端與室溫端換熱器均為狹縫翅片式結(jié)構(gòu),室溫空氣可通過(guò)對(duì)流換熱冷卻壓縮腔內(nèi)的氦氣工質(zhì);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(shí),對(duì)活塞施加適當(dāng)?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(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Stirling cryocooler

基于上述制冷機(jī)結(jié)構(gòu)搭建sage 模型并開展數(shù)值計(jì)算,重點(diǎn)分析運(yùn)行頻率、工作壓力以及回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)等對(duì)制冷機(jī)性能的影響規(guī)律。

2.1 運(yùn)行頻率

運(yùn)行頻率對(duì)制冷機(jī)的制冷量和COP有顯著影響。一方面,合理的運(yùn)行頻率可以使直線電機(jī)工作于最優(yōu)頻率附近,保證電機(jī)的高效輸出能力;另一方面,運(yùn)行頻率決定膨脹機(jī)部分的運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)其與直線電機(jī)合理匹配、達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí),整機(jī)可達(dá)到或接近最優(yōu)的性能。圖2、圖3 給出了運(yùn)行頻率對(duì)制冷量、電機(jī)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(yùn)行頻率,p為工作壓力。由圖2、圖3 可知,在優(yōu)化區(qū)間內(nèi),隨著運(yùn)行頻率增加,制冷機(jī)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(dāng)運(yùn)行頻率偏離最優(yōu)值時(shí),制冷機(jī)的制冷量、輸入PV 功和COP均大幅下降。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果,選定運(yùn)行頻率f=60 Hz 為設(shè)計(jì)值,此時(shí)制冷機(jī)的制冷量和COP可同時(shí)達(dá)到或接近最大值,制冷量在77 K 為11.87 W,COP可達(dá)0.068,此時(shí)輸入功為173.5 W。

圖2 運(yùn)行頻率對(duì)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(yùn)行頻率對(duì)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(duì)制冷量、COP等參數(shù)的影響規(guī)律。由圖可知,工作壓力對(duì)制冷機(jī)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(diào)增加但增速在壓力高于1.4 MPa 后漸緩?？紤]制冷量和COP的設(shè)計(jì)要求,以及設(shè)備的承壓能力,選定工作壓力p=2.1 MPa,此時(shí)制冷量和COP可同時(shí)接近最大值。

圖4 工作壓力對(duì)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(duì)COP 的影響Fig.5 Effect of working pressure on COP

2.3 回?zé)崞魈盍?/h3>

回?zé)崞魇腔責(zé)崾街评錂C(jī)的核心部件,其填料參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。如圖6、圖7 所示為基于運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果,在f=60 Hz、p=2.1 MPa 時(shí)制冷機(jī)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(duì)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(duì)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(yùn)行頻率f=60 Hz、回?zé)崞鹘z徑dwire=12 μm 以及孔隙率φ=0.88時(shí),斯特林制冷機(jī)可以達(dá)到最優(yōu)工作性能,制冷量為11.87 W@77 K,COP為0.068。

3 實(shí)驗(yàn)研究

基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果,研制斯特林制冷機(jī)樣機(jī)(如圖8 所示)并搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)工作性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。制冷機(jī)冷端安裝真空絕熱腔,可減小冷端漏熱,并避免結(jié)霜造成損壞;真空腔側(cè)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(jī)一側(cè)安裝被動(dòng)式減震器,減小運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)身振動(dòng)和噪聲。

圖8 斯特林制冷機(jī)實(shí)物照片1-絕熱腔;2-航空插頭;3-直線電機(jī);4-被動(dòng)式減震器Fig.8 Photogragh of Stirling cryocooler

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

斯特林制冷機(jī)的性能測(cè)試系統(tǒng)如圖9 所示,圖中1 為風(fēng)扇電源,2 為萬(wàn)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(jī)(冷端安裝PT-100 溫度傳感器和加熱電阻),8 為風(fēng)扇。風(fēng)扇電源對(duì)風(fēng)扇供電,以室溫空氣強(qiáng)制對(duì)流冷卻室溫端的翅片換熱器;萬(wàn)用表可測(cè)量冷端PT-100 溫度傳感器的電阻值;功率表可測(cè)量制冷機(jī)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(jī)輸入24 V、60 Hz 的交流電。

圖9 制冷機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)1-風(fēng)扇電源;2-萬(wàn)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(jī);8-風(fēng)扇Fig.9 Test rig of cryocooler

3.2 制冷機(jī)性能

制冷機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試了降溫曲線和制冷量,并與sage 模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比?；跀?shù)值計(jì)算的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,運(yùn)行參數(shù)選取工作壓力p=2.1 MPa,運(yùn)行頻率f=60 Hz。

首先實(shí)驗(yàn)測(cè)試了冷端在無(wú)熱負(fù)荷條件下由室溫冷卻至最低制冷溫度的降溫時(shí)間曲線,圖10 給出了完整的降溫曲線,其中t為時(shí)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(dá)到最低制冷溫度。由室溫狀態(tài)開機(jī),制冷機(jī)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(jī)降溫曲線Fig.10 Cooling curve of cryocooler

事實(shí)上,降溫曲線所呈現(xiàn)的規(guī)律與斯特林制冷機(jī)在不同制冷溫度下的工作特性有關(guān),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(dāng)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(dá)到熱平衡,溫度幾乎不再下降。

圖11 給出了制冷機(jī)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(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬的結(jié)果。由圖11 可知,在模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,制冷量與制冷溫度之間均近似呈線性關(guān)系,77 K 時(shí)實(shí)際制冷量可達(dá)10.62 W,而且數(shù)值計(jì)算值始終略高于實(shí)驗(yàn)值,計(jì)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(jì)算的誤差主要是由于模型與實(shí)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(jī)簡(jiǎn)化為了一維節(jié)點(diǎn)模型,且包含理想氣體假設(shè)等條件,忽略了部分流阻和傳熱損失,所以計(jì)算結(jié)果會(huì)略高于實(shí)測(cè)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(shí),計(jì)算誤差會(huì)相對(duì)增大。

3.3 運(yùn)行穩(wěn)定性

為研究該斯特林制冷機(jī)長(zhǎng)期工作的可靠性,開展了運(yùn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn),測(cè)試結(jié)果如圖12 所示。圖中可見,在工作壓力為2.1 MPa、運(yùn)行頻率為60 Hz、制冷溫度為77 K 的條件下,制冷機(jī)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行200 h以上,制冷量波動(dòng)范圍小于0.5 W(即總制冷量的±4.7%),表明該制冷機(jī)具備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

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

4 結(jié)論

基于Sage 建立了10 W@77 K 自由活塞斯特林制冷機(jī)的數(shù)值模型,重點(diǎn)對(duì)制冷機(jī)的運(yùn)行頻率、工作壓力和回?zé)崞鲄?shù)等開展了優(yōu)化設(shè)計(jì),并成功研制出制冷機(jī)樣機(jī),完成了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,制冷機(jī)實(shí)測(cè)制冷量可達(dá)10.62 W@ 77 K,COP可達(dá)0.062,在200 h 持續(xù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)制冷量波動(dòng)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(guó)內(nèi)已有研究中處于領(lǐng)先水平。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,說(shuō)明所建的模型具有較高的準(zhǔn)確性,為后續(xù)制冷機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作奠定了良好的基礎(chǔ)。