层流化元件对脉冲管制冷机性能影响的实验研究

1 引 言

在空间小型低温制冷机领域，脉冲管制冷机相比传统的斯特林制冷机，其冷头没有运动部件，因而具有结构简单、可靠性高、寿命长等优势，逐渐成为新一代的空间应用制冷机。近年，红外探测器件逐渐朝着大面阵、长线列、多光谱的方向发展，其需求的冷量越来越大[1]。为了满足空间对大冷量的需求，脉冲管制冷机也逐渐朝着大功率的方向发展。然而，随着制冷机冷量的提升，也带来了一系列新的问题。大功率脉冲管制冷机的脉冲管直径一般较大，而与之相连接的惯性管直径较小，工质由惯性管流入脉冲管中时，将会在脉冲管中产生较大的射流。为了抑制制冷机的冷热端的漏热，脉冲管内部的气体呈层状较佳[2]。而射流的存在会将热端热气体带入到脉冲管的中下部，增大了冷热端的漏热损失，严重恶化了制冷机的性能。同时，大功率脉冲管制冷机的输入功一般较大，脉冲管热端的质量流量也相应增大，射流气流进一步增加，引起的漏热损失也更大。因此为了抑制射流对制冷机性能的恶化，需要为大功率脉冲管制冷机设计合适的层流化元件。

目前，一般采用20—30片50—200目的铜丝网或者不锈钢丝网作为层流化元件。通过丝网的导流作用，层流化脉冲管中的气流[3-4]。早在2001年，杨鲁伟等[2]通过理论分析了小孔型脉冲管制冷机热端的射流损失，并设计了一种倒圆锥型导流体，一定程度上减弱了射流损失。2015年，刘欣彤[5]采用CFD建模及实验研究两种方式，研究了脉冲管热端铜丝网对制冷机射流的抑制作用。2017年，张祥镇等[6]提出采用导流挡片的方式，抑制直线型脉冲管制冷机冷端射流，通过模拟与实验验证了导流挡片对制冷机的积极作用。本文在前人研究基础上，设计了一种应用于热端的圆锥形挡片，通过实验研究了该挡片的大小与输入功率等因素，对同轴型脉冲管制冷机热端射流的抑制作用及对制冷机性能的影响规律，并系统地比较了铜丝网与圆锥形挡片的层流化效果的异同。

2 理论分析

由孔口、管口、喷嘴等出路依靠压差或外力推动而流出，形成喷射成束的流动形态称为射流。对于脉冲管制冷机而言，工质由直径较小的惯性管流入直径较大的脉冲管时，就形成了射流。本文基于FLUENT建立了脉冲管部件的模型，分别对无挡板与有挡板时的流场与温度场进行了模拟，结果如图1所示。在射流的初始段，射流中心处的工质流速远大于边界处工质的流速。如图1a所示，脉冲管中的射流主流已延伸至脉管中部。这股射流将热端的热量带入脉管中部，如图1b所示，使得脉冲管热端至中部均为高温区，因而脉冲管的有效隔热长度仅为总长度的1/3，漏热损失增加。当在脉冲管热端入口处添加一块圆锥形挡板之后，如图1c所示，脉冲管中射流主流被挡板格挡，工质流速高速区仅局限于脉冲管的一小段长度之内。如图1d所示，由于该射流被隔挡，脉冲管中的高温区长度也大大缩短，因而脉冲管的有效隔热长度增加至总长度的2/3以上，漏热损失大大降低。

3 实验系统

同轴型脉冲管制冷机结构示意图如图2所示，该脉冲管制冷机主要包括压缩机、调相机构及冷指3大部件。其中压缩机是制冷机的供能部件，为制冷机提供交变流动的工质；调相机构主要用来调节工质的体积流和压力波的相位角；冷指是制冷机的产生冷量的核心部件， 其包括热端换热器、蓄冷器、冷端换热器、脉冲管等部件。脉冲管制冷机主要结构参数如表1所示。冷指与调相机构通过一段圆锥形过渡结构相连接。然而，惯性管直径仅为2 mm，而脉冲管直径为12 mm，两者直径相差悬殊。当工质由惯性管流入脉冲管时，工质将会在突扩处产生射流。脉冲管中的射流将会严重恶化制冷机的性能。本文在惯性管与脉冲管连接处，安装了层流化元件，以减弱射流。

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如图3所示，在脉冲管热端分别填充0片、10片、15片、20片80目的铜丝网，通过实验分别测试了各脉冲管制冷机无负荷最低温度及在各温区的制冷量。从图中可以看出，不加铜网时，制冷机最低温高达70 K，在80 K温区的制冷量也仅为3 W左右，性能严重恶化。当在热端填充丝网之后，脉冲管制冷机性能得到了明显的提升。热端填充15—20片铜网时， 制冷机性能最佳，最低温可达33 K，80 K温区制冷量为11 W左右。以上结果说明，不添加层流元件时，脉冲管内部的射流严重恶化了制冷机的整机性能。添加层流元件之后，脉冲管内部的射流得到了一定程度的抑制，制冷机整机性能得到了明显提升。因此，设计合适的层流化元件，抑制脉冲管内部的射流，具有重要意义。

表1 脉冲管制冷机主要结构参数 Table 1 Main parameters of pulse tube cryocooler

部件数值脉冲管直径/mm12脉冲管长度/mm70第一段惯性管直径/mm2第一段惯性管长度/m0．5

4 实验研究

选取中心圆锥直径从Φ3至Φ7共5种大小的圆锥形铜挡片，分别与10片80目铜丝网组合在一起，安装在脉冲管热端。如图6所示，通过实验研究了在脉冲管热端填充不同大小圆锥挡片时，250W输入电功的制冷性能。从图中可以看出填充Φ3 mm挡片+10片铜网的制冷机获得了最高的制冷量，在80 K具有11.2 W的冷量。这种组合对射流的层流化效果最佳。中心挡片直径越大，制冷机的性能越差。分析原因认为，当圆锥挡片较大时，挡片除了层流化射流外，产生了较大的阻力损失，反而使得整机性能较差。另外，可以发现比起单独填充10片铜网，采用挡片加铜网的组合方式的制冷机，均能获得更高的制冷性能。这主要是因为中心挡片首先破坏了射流的主流，之后由丝网进一步均匀流场为了层状流，这种组合方式，不仅有效地抑制了射流，而且层流化了脉冲管中气流。

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4.1 铜丝网层流化研究

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实验研究，得出了以下结论：

4.2 圆锥铜挡片层流化研究

本文设计加工了一种圆锥形的挡片，实物如图4所示。选取了中心圆片直径分别为3 mm、5 mm、7 mm的3种圆锥形挡片，将其放置在脉冲管热端，进行了制冷机性能的测试。如图5所示，可以看到添加挡片的脉冲管制冷机性能均高于无挡片的制冷机的性能。这说明，圆锥挡片对脉冲管中的射流具有一定的抑制作用，能够起到层流化脉冲管中流体的作用。添加3 mm直径的圆锥挡片时，制冷机性能较不添加挡片的制冷机性能大幅提升。继续增加圆锥挡片的直径，制冷机性能得到进一步提升。当添加5—7 mm直径的挡片时，制冷机性能较高，在250 W输入电功下，最高可以获得10.6 W@80 K的制冷能力。因此，该圆锥形的挡片对射流具有良好的抑制作用。

对比了不同电功率下的层流元件的层流作用，如图7所示，可以发现随着输入电功率的增加，添加各层流元件的制冷机的制冷能力差距越来越大。换言之，随着制冷机输入电功率的增加，填充Φ3 mm挡片+10片铜网的组合层流元件对射流的层流化效果愈加显著。产生这个规律的主要原因在于随着输入功率的增大，脉管热端质量流量增大，射流现象更加显著，而挡片对射流主流的破坏作用越加明显。因此，相对而言，组合式层流元件的层流效果愈加显著，制冷机制冷性能也就越好。

4.3 铜丝网与圆锥铜挡片组合层流化研究

为研究不同层流化元件对射流的层流化作用，本文设计了相关实验，分别研究了单独采用铜丝网、单独采用圆锥铜挡片、采用组合铜丝网与圆锥挡片等3种层流方式对制冷机性能的影响规律。

4.4 输入功率对层流化元件的影响

由图1可知，6种化合物的MRM峰型还是比较尖锐的，在6个目标峰处均无杂质峰干扰，分离度高，方法专属性良好。

5 结论

通过对脉冲管制冷机热端层流化元件的分析与

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(1)设计了圆锥形挡片式层流化元件，该圆锥形挡片可以有效抑制脉冲管热端的射流，提高脉冲管制冷机的性能。该圆锥形挡片与传统铜丝网层流化元件相比，层流化效果相当，但可靠性更高。为脉冲管制冷机热端层流化元件提供了一种新的选择。

(2)在脉冲管热端，采用圆锥形挡片与铜丝网组合式层流元件，具有更好的层流化效果。此时，该制冷机在250 W输入电功下，最高可以获得11.2 W@80 K的制冷量。

(3)层流化元件对脉冲管制冷机的层流化作用随输入电功率的增加而越加明显。对于大功率脉冲管制冷机，层流化元件的优化工作更加重要。

参考文献

1 陈国邦，汤珂.小型低温制冷机原理[M].北京：科学出版社，2010.

2 杨鲁伟，卞诗瑶. 射流损失—小孔型脉冲管制冷机的一种重要损失[J]. 工程热物理学报，2001，22(1)：22-24.

3 Swift G W，Garrett S L. Thermoacoustics：a unifying perspective for some engines and refrigerators[J]. Journal of the Acoustical Society of America，2003，113(5)：2379-2381.

4 Potratz S A， Nellis G F， Maddocks J R，et al. Development of a large-capacity，Stirling-type，pulse-tube refrigerator[C]. American Institute of Physics，2006：3-10.

5 刘欣彤. 9W@80K级大冷量同轴型脉冲管制冷机研究[D]. 北京：中国科学院大学，2014.

6 张祥镇，胡剑英，陈燕燕，等. 导流结构对脉管制冷机性能影响的研究[J]. 工程热物理学报，2017，38(2)：231-234.