[打印] [關閉] 發(fā)布時間：[2010-01-11 00:00]

概述空壓機新型四閥脈管制冷機的試驗研究

    前沿脈管制冷機是利用一股壓力周期性變化的氣體，在一根低導熱率的管內往復振蕩，從而產生較大溫度梯度的制冷機。同其它形式的小型低溫制冷機，如G－M，stirling型制冷機相比，由于脈管制冷機沒有常規(guī)回熱式制冷機的低溫區(qū)運動部件，從根本上解決了常規(guī)制冷機普遍存在的冷腔振動，磨損等突出問題，可望實現長壽命運行，因而在空間技術、超導應用、通訊、電力等高科技領域中有著很大的應用潛力。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[1]至今，脈管制冷機經歷了多種變型，有小孔型[2]，雙向進氣型[3]，四閥型[4]，主動氣庫型[5]等。其中四閥型脈管制冷機是日本的松原洋一教授在1993年提出，對比試驗結果表明，此方案比常規(guī)小孔型脈管制冷機具有更大的制冷量[4]。而且對于目前主要通過調節(jié)脈管熱端的質量流率和壓力波相位之間的方法來提高制冷機性能而言，四閥型脈管制冷機在這個方面具有更大的優(yōu)勢，它有很大的潛力成為高效的脈管制冷機。 由于四閥型脈管制冷機的閥較多，目前主要還是針對單級的研究，德國[6-7]，日本[4,8]，中國[9]的研究者對四閥型脈管制冷機都進行了較多的研究，研究內容基本上圍繞著提高性能，穩(wěn)定性分析方面進行。目前四閥型脈管制冷機的最好性能在住友重工的李瑞等研制出的機器上獲得，脈管冷頭最低溫度21.6K。本文為了進一步簡化制冷機冷端的結構，提出了一種“L”型脈管結構, 并在脈管熱端采用兩個小孔閥分別進行控制脈管熱端的進排氣量，并對此結構下的性能進行試驗研究。2 “L”型脈管結構和雙小孔閥結構和通常的四閥型脈管制冷機相比，本文中的四閥型脈管制冷機有兩大特色：一是采用“L”型脈管結構取代了通常的“I”型脈管結構，大大簡化了脈管冷端結構；二是脈管熱端采用雙小孔閥結構取代了通常的單小孔閥結構，用來分別控制脈管熱端進排氣的質量流率。這樣就可以更好的進行調節(jié)。

（a）“I”型脈管冷端結構 （b）“L”型脈管冷端結構

    四閥型脈管制冷機的兩種脈管冷端結構示意圖對于通常的單級并列型脈管制冷機，脈管是一根直的薄壁厚的不銹鋼管（在本文中簡稱為“I”型脈管），如圖1（a）所示，冷端通過脈管冷端換熱器，冷端連接管，蓄冷器冷端換熱器和蓄冷器冷端聯結，脈管的冷端連同冷端換熱器稱為冷頭，對于本文中的單級四閥型脈管制冷機，我們采用了“L”型的內徑為19mm，壁厚為1.65mm的不銹鋼管作為脈管，中間彎頭角度為90度，（其中豎直部分長度為148.4mm，水平部分長度為46mm），如圖1（b）所示，這樣就直接通過冷端換熱器把脈管和蓄冷器冷端連通起來，大大簡化了脈管低溫端結構，換句話說，就是把原來的冷端連接管變成了脈管的一部分，把兩個冷端換熱器合二為一。通常的四閥型脈管制冷機在脈管熱端只有一個小孔閥用來調節(jié)通過脈管的進排氣流量，如圖2（a）所示，調節(jié)的范圍有限，文中的四閥型脈管制冷機采用在脈管熱端分別布置了兩個小孔閥分別用來調節(jié)脈管熱端進排氣流量，如圖2（b）所示，這試驗結果表明制冷機達到最低溫度時的兩個小孔閥的最佳開度是不同的，同時也證明了采用兩個小孔閥可以進行更充分的調節(jié)。
 
（a）單小孔閥結構 （b）雙小孔閥結構

    四閥型脈管制冷機脈管熱端兩種閥結構3 試驗設備試驗裝置系統(tǒng)簡圖如圖3所示，壓縮機采用G- M 制冷機常用的有閥氦壓縮機，額定輸入功率為5.5kW，它通過氣動閥和小孔閥和制冷機熱端相聯結，通過定時器來調節(jié)和控制氣動閥的閥門時序以及制冷機的工作頻率。蓄冷器內徑為40mm，壁厚為2mm，長度為123mm的不銹鋼管，內部填充200目的青銅絲網。

   試驗裝置系統(tǒng)示意簡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冷，冷端換熱器把蓄冷器冷端和脈管冷端直接聯結起來，冷熱端換熱器內部均填有20目青銅絲網作為層流化元件和強化換熱的用途。在冷頭處以及脈管彎頭處布置金－鐵熱電偶溫度計，在脈管熱端，蓄冷器熱端布置壓力傳感器，并進行數據采集。試驗系統(tǒng)還包括抽真空系統(tǒng)，數據采集系統(tǒng)等。4 試驗結果及分析初步試驗是在壓縮機充氣壓力為1.6MPa，工作頻率為2.5Hz的條件下進行的，經過反復多次試驗，我們的新結構的四閥型脈管制冷機能夠達到的最低溫度為72K，圖4示出了最佳小孔開度下的制冷機的降溫曲線。

    制冷機冷頭處和脈管彎頭處的降溫曲線經過4個小時左右的運轉（通常的四閥型脈管制冷機也需要4個小時左右的時間達到最低溫度），制冷機冷頭處溫度趨于穩(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，同時二者之間的溫差隨著溫度的降低而升高，最后也呈現出穩(wěn)定趨勢，分析其可能原因：一是由于在彎頭的兩端有兩處焊接，可能導致內壁面不是很光滑，再者焊接的地方比較厚，總體導致此處的熱損較大，從而導致彎頭處溫度不容易降的很低。和通?！癐”型脈管結構的四閥型脈管制冷機相比，降溫時間相同，但是冷頭達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，所以對管壁的厚度有一定的要求，導致脈管的壁厚不能達到普通脈管的壁厚（通常為0.5mm），這樣就導致了較大的導熱損失，初步估算此處的導熱損失為1.17W，而同等溫差下，壁厚0.5mm的直脈管的導熱損失僅僅為0.365W。圖5示出了不同小孔閥開度對脈管冷頭處無負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具有最佳的小孔開度一樣，文中的制冷機也存在最佳的兩個小孔閥開度，O3開度為2.6/25,O4開度為3.4/25，（對于文中的小孔閥而言，最大開度為3圈，每一圈分為25格），此時，脈管制冷機冷頭溫度達到最低為72.1K。我們發(fā)現達到最佳開度時的兩個小孔閥O3和O4的開度不同，這也是單小孔閥的結構所不能反映的，由此說明單小孔閥的調節(jié)能力是有限的，雙小孔閥結構可以進行更好的調節(jié)。
 
脈管熱端小孔閥開度對冷頭無負荷最低溫度的影響

    蓄冷器熱端，脈管熱端的氣體壓力波動圖6示出了制冷機達到最低溫度時的蓄冷器熱端，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，和正弦波形非常相似，這說明脈管制冷機入口處存在較大的流動阻力，如果采用更加更加合適的閥門，減小氣流阻力，使進氣口處的壓力波更接近方波，這樣，壓力處于最高點的時間就比較長，所作的PV功增大，使提高脈管制冷機的性能成為可能。圖7示出了不同頻率對制冷機冷頭最低溫度的影響，從圖可見，制冷機存在最佳工作頻率2.5Hz，此時制冷機冷頭溫度最低為72K。

頻率對制冷機冷頭最低溫度的影響5 結論和展望

（1）提出了“L”型脈管結構，比起通常的“I”脈管結構，大大簡化了脈管冷端結構，且提高了結構的對稱性，更為重要的是，脈管水平部分可以和冷頭聯合起來提供冷量，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構，試驗結果表明制冷機冷頭達到最低溫度時的兩個小孔閥開度不同，由此說明采用雙小孔閥結構比起單小孔閥結構可以進行更好的調節(jié)。

（3）文中的制冷機所能達到的最低溫度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壁厚的限制，導致我們的“L”型脈管的壁厚不能達到普通的“I”型脈管那么薄，從而導致導熱損失較大。所以進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。目前已在進行采用紫銅金屬泡沫材料取代絲網材料對換熱器強化換熱的實驗。