[打印] [關(guān)閉] 發(fā)布時(shí)間：[2010-01-11 00:00]

概述空壓機(jī)新型四閥脈管制冷機(jī)的試驗(yàn)研究

    前沿脈管制冷機(jī)是利用一股壓力周期性變化的氣體，在一根低導(dǎo)熱率的管內(nèi)往復(fù)振蕩，從而產(chǎn)生較大溫度梯度的制冷機(jī)。同其它形式的小型低溫制冷機(jī)，如G－M，stirling型制冷機(jī)相比，由于脈管制冷機(jī)沒(méi)有常規(guī)回?zé)崾街评錂C(jī)的低溫區(qū)運(yùn)動(dòng)部件，從根本上解決了常規(guī)制冷機(jī)普遍存在的冷腔振動(dòng)，磨損等突出問(wèn)題，可望實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命運(yùn)行，因而在空間技術(shù)、超導(dǎo)應(yīng)用、通訊、電力等高科技領(lǐng)域中有著很大的應(yīng)用潛力。自從1963年，吉福特和朗思沃斯提出并研制了基本型脈沖管制冷機(jī)[1]至今，脈管制冷機(jī)經(jīng)歷了多種變型，有小孔型[2]，雙向進(jìn)氣型[3]，四閥型[4]，主動(dòng)氣庫(kù)型[5]等。其中四閥型脈管制冷機(jī)是日本的松原洋一教授在1993年提出，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，此方案比常規(guī)小孔型脈管制冷機(jī)具有更大的制冷量[4]。而且對(duì)于目前主要通過(guò)調(diào)節(jié)脈管熱端的質(zhì)量流率和壓力波相位之間的方法來(lái)提高制冷機(jī)性能而言，四閥型脈管制冷機(jī)在這個(gè)方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，它有很大的潛力成為高效的脈管制冷機(jī)。 由于四閥型脈管制冷機(jī)的閥較多，目前主要還是針對(duì)單級(jí)的研究，德國(guó)[6-7]，日本[4,8]，中國(guó)[9]的研究者對(duì)四閥型脈管制冷機(jī)都進(jìn)行了較多的研究，研究?jī)?nèi)容基本上圍繞著提高性能，穩(wěn)定性分析方面進(jìn)行。目前四閥型脈管制冷機(jī)的最好性能在住友重工的李瑞等研制出的機(jī)器上獲得，脈管冷頭最低溫度21.6K。本文為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化制冷機(jī)冷端的結(jié)構(gòu)，提出了一種“L”型脈管結(jié)構(gòu), 并在脈管熱端采用兩個(gè)小孔閥分別進(jìn)行控制脈管熱端的進(jìn)排氣量，并對(duì)此結(jié)構(gòu)下的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。2 “L”型脈管結(jié)構(gòu)和雙小孔閥結(jié)構(gòu)和通常的四閥型脈管制冷機(jī)相比，本文中的四閥型脈管制冷機(jī)有兩大特色：一是采用“L”型脈管結(jié)構(gòu)取代了通常的“I”型脈管結(jié)構(gòu)，大大簡(jiǎn)化了脈管冷端結(jié)構(gòu)；二是脈管熱端采用雙小孔閥結(jié)構(gòu)取代了通常的單小孔閥結(jié)構(gòu)，用來(lái)分別控制脈管熱端進(jìn)排氣的質(zhì)量流率。這樣就可以更好的進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（a）“I”型脈管冷端結(jié)構(gòu) （b）“L”型脈管冷端結(jié)構(gòu)

    四閥型脈管制冷機(jī)的兩種脈管冷端結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)于通常的單級(jí)并列型脈管制冷機(jī)，脈管是一根直的薄壁厚的不銹鋼管（在本文中簡(jiǎn)稱為“I”型脈管），如圖1（a）所示，冷端通過(guò)脈管冷端換熱器，冷端連接管，蓄冷器冷端換熱器和蓄冷器冷端聯(lián)結(jié)，脈管的冷端連同冷端換熱器稱為冷頭，對(duì)于本文中的單級(jí)四閥型脈管制冷機(jī)，我們采用了“L”型的內(nèi)徑為19mm，壁厚為1.65mm的不銹鋼管作為脈管，中間彎頭角度為90度，（其中豎直部分長(zhǎng)度為148.4mm，水平部分長(zhǎng)度為46mm），如圖1（b）所示，這樣就直接通過(guò)冷端換熱器把脈管和蓄冷器冷端連通起來(lái)，大大簡(jiǎn)化了脈管低溫端結(jié)構(gòu)，換句話說(shuō)，就是把原來(lái)的冷端連接管變成了脈管的一部分，把兩個(gè)冷端換熱器合二為一。通常的四閥型脈管制冷機(jī)在脈管熱端只有一個(gè)小孔閥用來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)脈管的進(jìn)排氣流量，如圖2（a）所示，調(diào)節(jié)的范圍有限，文中的四閥型脈管制冷機(jī)采用在脈管熱端分別布置了兩個(gè)小孔閥分別用來(lái)調(diào)節(jié)脈管熱端進(jìn)排氣流量，如圖2（b）所示，這試驗(yàn)結(jié)果表明制冷機(jī)達(dá)到最低溫度時(shí)的兩個(gè)小孔閥的最佳開(kāi)度是不同的，同時(shí)也證明了采用兩個(gè)小孔閥可以進(jìn)行更充分的調(diào)節(jié)。
 
（a）單小孔閥結(jié)構(gòu) （b）雙小孔閥結(jié)構(gòu)

    四閥型脈管制冷機(jī)脈管熱端兩種閥結(jié)構(gòu)3 試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3所示，壓縮機(jī)采用G- M 制冷機(jī)常用的有閥氦壓縮機(jī)，額定輸入功率為5.5kW，它通過(guò)氣動(dòng)閥和小孔閥和制冷機(jī)熱端相聯(lián)結(jié)，通過(guò)定時(shí)器來(lái)調(diào)節(jié)和控制氣動(dòng)閥的閥門時(shí)序以及制冷機(jī)的工作頻率。蓄冷器內(nèi)徑為40mm，壁厚為2mm，長(zhǎng)度為123mm的不銹鋼管，內(nèi)部填充200目的青銅絲網(wǎng)。

   試驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意簡(jiǎn)圖脈管和蓄冷器熱端的熱交換器均處于室溫下，脈管熱端的熱交換器采用水冷卻，蓄冷器熱端的熱交換器采用自然風(fēng)冷，冷端換熱器把蓄冷器冷端和脈管冷端直接聯(lián)結(jié)起來(lái)，冷熱端換熱器內(nèi)部均填有20目青銅絲網(wǎng)作為層流化元件和強(qiáng)化換熱的用途。在冷頭處以及脈管彎頭處布置金－鐵熱電偶溫度計(jì)，在脈管熱端，蓄冷器熱端布置壓力傳感器，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)系統(tǒng)還包括抽真空系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。4 試驗(yàn)結(jié)果及分析初步試驗(yàn)是在壓縮機(jī)充氣壓力為1.6MPa，工作頻率為2.5Hz的條件下進(jìn)行的，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次試驗(yàn)，我們的新結(jié)構(gòu)的四閥型脈管制冷機(jī)能夠達(dá)到的最低溫度為72K，圖4示出了最佳小孔開(kāi)度下的制冷機(jī)的降溫曲線。

    制冷機(jī)冷頭處和脈管彎頭處的降溫曲線經(jīng)過(guò)4個(gè)小時(shí)左右的運(yùn)轉(zhuǎn)（通常的四閥型脈管制冷機(jī)也需要4個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間達(dá)到最低溫度），制冷機(jī)冷頭處溫度趨于穩(wěn)定到72K，脈管彎頭處溫度也基本上趨于穩(wěn)定在170K左右，脈管彎頭處的溫度還是比較高，同時(shí)二者之間的溫差隨著溫度的降低而升高，最后也呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢(shì)，分析其可能原因：一是由于在彎頭的兩端有兩處焊接，可能導(dǎo)致內(nèi)壁面不是很光滑，再者焊接的地方比較厚，總體導(dǎo)致此處的熱損較大，從而導(dǎo)致彎頭處溫度不容易降的很低。和通常“I”型脈管結(jié)構(gòu)的四閥型脈管制冷機(jī)相比，降溫時(shí)間相同，但是冷頭達(dá)到的最低溫度比較高，分析原因，主要由于彎頭和直管采用焊接，所以對(duì)管壁的厚度有一定的要求，導(dǎo)致脈管的壁厚不能達(dá)到普通脈管的壁厚（通常為0.5mm），這樣就導(dǎo)致了較大的導(dǎo)熱損失，初步估算此處的導(dǎo)熱損失為1.17W，而同等溫差下，壁厚0.5mm的直脈管的導(dǎo)熱損失僅僅為0.365W。圖5示出了不同小孔閥開(kāi)度對(duì)脈管冷頭處無(wú)負(fù)荷最低制冷溫度的影響，從圖上可以清晰的看出，和具有單小孔閥的脈管制冷機(jī)具有最佳的小孔開(kāi)度一樣，文中的制冷機(jī)也存在最佳的兩個(gè)小孔閥開(kāi)度，O3開(kāi)度為2.6/25,O4開(kāi)度為3.4/25，（對(duì)于文中的小孔閥而言，最大開(kāi)度為3圈，每一圈分為25格），此時(shí)，脈管制冷機(jī)冷頭溫度達(dá)到最低為72.1K。我們發(fā)現(xiàn)達(dá)到最佳開(kāi)度時(shí)的兩個(gè)小孔閥O3和O4的開(kāi)度不同，這也是單小孔閥的結(jié)構(gòu)所不能反映的，由此說(shuō)明單小孔閥的調(diào)節(jié)能力是有限的，雙小孔閥結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行更好的調(diào)節(jié)。
 
脈管熱端小孔閥開(kāi)度對(duì)冷頭無(wú)負(fù)荷最低溫度的影響

    蓄冷器熱端，脈管熱端的氣體壓力波動(dòng)圖6示出了制冷機(jī)達(dá)到最低溫度時(shí)的蓄冷器熱端，脈管熱端的氣體壓力變化，脈管熱端平均壓力略大于蓄冷器熱端氣體平均壓力，原因在于蓄冷器中填料的阻力比較大，圖6中的波形和正常的方波偏離較遠(yuǎn)，和正弦波形非常相似，這說(shuō)明脈管制冷機(jī)入口處存在較大的流動(dòng)阻力，如果采用更加更加合適的閥門，減小氣流阻力，使進(jìn)氣口處的壓力波更接近方波，這樣，壓力處于最高點(diǎn)的時(shí)間就比較長(zhǎng)，所作的PV功增大，使提高脈管制冷機(jī)的性能成為可能。圖7示出了不同頻率對(duì)制冷機(jī)冷頭最低溫度的影響，從圖可見(jiàn)，制冷機(jī)存在最佳工作頻率2.5Hz，此時(shí)制冷機(jī)冷頭溫度最低為72K。

頻率對(duì)制冷機(jī)冷頭最低溫度的影響5 結(jié)論和展望

（1）提出了“L”型脈管結(jié)構(gòu)，比起通常的“I”脈管結(jié)構(gòu)，大大簡(jiǎn)化了脈管冷端結(jié)構(gòu)，且提高了結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，更為重要的是，脈管水平部分可以和冷頭聯(lián)合起來(lái)提供冷量，大大提高了冷能的利用面積。（2）在脈管熱端采用雙小孔閥結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明制冷機(jī)冷頭達(dá)到最低溫度時(shí)的兩個(gè)小孔閥開(kāi)度不同，由此說(shuō)明采用雙小孔閥結(jié)構(gòu)比起單小孔閥結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行更好的調(diào)節(jié)。

（3）文中的制冷機(jī)所能達(dá)到的最低溫度72K并不是非常理想，分析其原因主要在于彎頭處的兩端焊接對(duì)壁厚的限制，導(dǎo)致我們的“L”型脈管的壁厚不能達(dá)到普通的“I”型脈管那么薄，從而導(dǎo)致導(dǎo)熱損失較大。所以進(jìn)一步的如何提高焊接手段從而降低“L”型脈管的壁厚將是我們下一步的主要工作。目前已在進(jìn)行采用紫銅金屬泡沫材料取代絲網(wǎng)材料對(duì)換熱器強(qiáng)化換熱的實(shí)驗(yàn)。