新型四阀脉管制冷机的试验

新型四阀脉管制冷机的试验研究摘要：本文首先简单介绍了文中的新型四阀脉管制冷机和普通的四阀脉管制冷机相比较具有的两个特色：一是“L”型脉管结构取代了通常的“I”型脉管结构，大大简化了脉管冷端结构，提高了制冷机结构的对称性，且脉管水平部分可以联合冷头一起供冷；二是脉管热端采用双小孔阀结构取代了通常的单小孔阀结构，用来分别控制脉管热端进排气的质量流率。接着介绍了采用有阀氦压缩机驱动下的初步性能试验，对试验结果进行比较分析，并给出进一步改善性能的方法。关键字：四阀脉管制冷机“L”型脉管双小孔阀试验研究1前沿脉管制冷机是利用一股压力周期性变化的气体，在一根低导热率的管内往复振荡，从而产生较大温度梯度的制冷机。同其它形式的小型低温制冷机，如G－M，stirling型制冷机相比，由于脉管制冷机没有常规回热式制冷机的低温区运动部件，从根本上解决了常规制冷机普遍存在的冷腔振动，磨损等突出问题，可望实现长寿命运行，因而在空间技术、超导应用、通讯、电力等高科技领域中有着很大的应用潜力。自从1963年，吉福特和朗思沃斯提出并研制了基本型脉冲管制冷机[1]至今，脉管制冷机经历了多种变型，有小孔型[2]，双向进气型[3]，四阀型[4]，主动气库型[5]等。其中四阀型脉管制冷机是日本的松原洋一教授在1993年提出，对比试验结果表明，此方案比常规小孔型脉管制冷机具有更大的制冷量[4]。而且对于目前主要通过调节脉管热端的质量流率和压力波相位之间的方法来提高制冷机性能而言，四阀型脉管制冷机在这个方面具有更大的优势，它有很大的潜力成为高效的脉管制冷机。由于四阀型脉管制冷机的阀较多，目前主要还是针对单级的研究，德国[6-7]，日本[4,8]，中国[9]的研究者对四阀型脉管制冷机都进行了较多的研究，研究内容基本上围绕着提高性能，稳定性分析方面进行。目前四阀型脉管制冷机的最好性能在住友重工的李瑞等研制出的机器上获得，脉管冷头最低温度21.6K，制冷量33.5W@80K[8]。本文为了进一步简化制冷机冷端的结构，提出了一种“L”型脉管结构,并在脉管热端采用两个小孔阀分别进行控制脉管热端的进排气量，并对此结构下的性能进行试验研究。2“L”型脉管结构和双小孔阀结构和通常的四阀型脉管制冷机相比，本文中的四阀型脉管制冷机有两大特色：一是采用“L”型脉管结构取代了通常的“I”型脉管结构，大大简化了脉管冷端结构；二是脉管热端采用双小孔阀结构取代了通常的单小孔阀结构，用来分别控制脉管热端进排气的质量流率。这样就可以更好的进行调节。（a）“I”型脉管冷端结构（b）“L”型脉管冷端结构图1四阀型脉管制冷机的两种脉管冷端结构示意图对于通常的单级并列型脉管制冷机，脉管是一根直的薄壁厚的不锈钢管（在本文中简称为“I”型脉管），如图1（a）所示，冷端通过脉管冷端换热器，冷端连接管，蓄冷器冷端换热器和蓄冷器冷端联结，脉管的冷端连同冷端换热器称为冷头，对于本文中的单级四阀型脉管制冷机，我们采用了“L”型的内径为19mm，壁厚为1.65mm的不锈钢管作为脉管，中间弯头角度为90度，（其中竖直部分长度为148.4mm，水平部分长度为46mm），如图1（b）所示，这样就直接通过冷端换热器把脉管和蓄冷器冷端连通起来，大大简化了脉管低温端结构，换句话说，就是把原来的冷端连接管变成了脉管的一部分，把两个冷端换热器合二为一。通常的四阀型脉管制冷机在脉管热端只有一个小孔阀用来调节通过脉管的进排气流量，如图2（a）所示，调节的范围有限，文中的四阀型脉管制冷机采用在脉管热端分别布置了两个小孔阀分别用来调节脉管热端进排气流量，如图2（b）所示，这试验结果表明制冷机达到最低温度时的两个小孔阀的最佳开度是不同的，同时也证明了采用两个小孔阀可以进行更充分的调节。（a）单小孔阀结构（b）双小孔阀结构图2四阀型脉管制冷机脉管热端两种阀结构3试验设备压缩机采用G-M制冷机常用的有阀氦压缩机，额定输入功率为5.5kW，它通过气动阀和小孔阀和制冷机热端相联结，通过定时器来调节和控制气动阀的阀门时序以及制冷机的工作频率。蓄冷器内径为40mm，壁厚为2mm，长度为123mm的不锈钢管，内部填充200目的青铜丝网。脉管和蓄冷器热端的热交换器均处于室温下，脉管热端的热交换器采用水冷却，蓄冷器热端的热交换器采用自然风冷，冷端换热器把蓄冷器冷端和脉管冷端直接联结起来，冷热端换热器内部均填有20目青铜丝网作为层流化元件和强化换热的用途。在冷头处以及脉管弯头处布置金－铁热电偶温度计，在脉管热端，蓄冷器热端布置压力传感器，并进行数据采集。先试验系统梦还包括抽跟真空系统训，数据采阻集系统等贿。章4牌试验结果平及分析质初步试验果是在压缩介机充气压吃力受为翅1.6M术P较a锤，工作频滨率矛为崇2.5H渗z愁的条件下急进行的，芽经过反复援多次试验泼，我们的拜新结构的钓四阀型脉骡管制冷机紫能够达到族的最低温悄度艰为浓72鞭K兔。有经销过初4轿个小时左喉右的运转舌（通常的耕四阀型脉扇管制冷机妻也需量要纺4帽个小时左软右的时间乓达到最低殃温度），毒制冷机冷筋头处温度裂趋于稳定贱到仓72俘K睁，脉管弯驼头处温度乓也基本上确趋于稳定亡在怜170采K秧左右，脉冶管弯头处先的温度还券是比较高押，同时二此者之间的端温差随着杂温度的降见低而升高懒，最后也机呈现出稳壳定趋势，雅分析其可彼能原因：喝一是由于速在弯头的状两端有两谷处焊接，围可能导致鸽内壁面不春是很光滑理，再者焊数接的地方蝴比较厚，放总体导致耍此处的热领损较大，扔从而导致衡弯头处温英度不容易壶降的很低馒。敞和通昆常饥“检I妹”厘型脉管结房构的四阀御型脉管制棕冷机相比听，降温时唐间相同，讽但是冷头拘达到的最矛低温度比隔较高，分怕析原因，侍主要由于妈弯头和直鞠管采用焊钥接，所以滨对管壁的暮厚度有一盐定的要求颂，导致脉禁管的壁厚访不能达到抚普通脉管伸的壁厚（奥通常撤为旗0.5m典m付），这样哀就导致了紫较大的导葬热损失，眼初步估算眠此处的导会热损失枕为商1.17添W置，而同等匆温差下，舌壁动厚思0.5m村m驳的直脉管文的导热损巧失仅仅称为铸0.36嚼5虫W格。边和具有单端小孔阀的手脉管制冷用机具有最喇佳的小孔产开度一样针，文中的闻制冷机也恢存在最佳荷的两个小角孔阀开度托，抄O首3后开度塔为梁2.6/裕25,O魔4华开度掠为做3.4/煎2讽5通，（对于疑文中的小宏孔阀而言芬，最大开熟度旺为串3窜圈，每一德圈分送为类2每5弟格），此开时，脉管丹制冷机冷极头温度达幼到最低继为挤72.1叠K脂。调我们发现匪达到最佳裕开度时的纵两个小孔蠢阀白O疮3卵和形O求4瞎的开度不镰同，这也够是单小孔及阀的结构帮所不能反母映的，由孟此说明单智小孔阀的背调节能力咸是有限的议，双小孔合阀结构可辨以进行更循好的调节船。冷制冷机达饲到最低温批度时的蓄浆冷器热端洗，脉管热坝端的气体称压力变化巨，脉管热扬端平均压欠力略大于弃蓄冷器热浓端气体平宋均压力，票原因在于秋蓄冷器中女填料的阻良力比较大俭，波形和泽正常的方雕波偏离较怖远，和正圣弦波形非裙常相似，疮这说明脉循管制冷机逗入口处存趣在较大的译流动阻力烂，如果采鹅用更加更捕加合适的滋阀门，减大小气流阻雄力，使进悠气口处的副压力波更妙接近方波疼，这样，陪压力处于习最高点的刺时间就比箱较长，所恩作稼的舌P荷V存功增大，尼使提高脉嘴管制冷机括的性能成筋为可能。名不同频率钱对制冷机帖冷头最低退温度的影钢响，制冷幼机存在最高佳工作频婚率袄2.5H血z难，此时制摔冷机冷头万温度最低务为馅72惰K姿。侮5乡纤结论和展泛望态稳（怀1忠）提出铅了吧“哗L脊”裹型脉管结粉构，比起葛通常淘的洗“堡I头”沟脉管结构育，大大简描化了脉管毕冷端结构腿，且提高湾了结构的荐对称性，妙更为重要污的是，脉斗管水平部猫分可以和掀冷头联合侮起来提供教冷量，大疯大提高了姻冷能的利轻用面积。羊（尺2握）在脉管稳热端采用抖双小孔阀涨结构，试涉验结果表谁明制冷机苦冷头达到捆最低温度矩时的两个绍小孔阀开覆度不同，怜由此说明拐采用双小荷孔阀结构壮比起单小佳孔阀结构开可以进行伸更好的调守节。横（难3最）文中的纽制冷机所绒能达到的剂最低温角度蹦72坐K排并不是非妥常理想，搂分析其原喉因主要在清于弯头处杜的两端焊桃接对壁厚堆的限制，尤导致我们鲁的鞠“伴L表”约型脉管的乱壁厚不能鸟达到普通猴的勒“糊I街”很型脉管那博么薄，从督而导致导逝热损失较伯大。所以彼进一步的塑如何提高梅焊接手段扣从而降织低也“乏L哥”缠型脉管的基壁厚将是宿我们下一骨步的主要肿工作。给目前已在种进行采用代紫铜金属题泡沫材料建取代丝网茫材料对换惑热器强化占换热的实泪验。修参考文献胀：店1.W.亚E.G并iffo图rda关ndR饭.C.L聪ongs奉wort及h,P掀ulse暗-tub乔ere级frig抚erat调ion,娘ASM阴Epa喜per肿No.旱63-W员A-29师0pr胳esen你ted挽atAn毛nual叠Mee搞ting图of炼the树Amer惑ican役Soc穷iety梦of蛮Mech医anic四alE蚊ngin喘eeri柏ng,座Phil读adel尼phia挂,Pe炊nnsy农lvan书ia1势963.套p17咳-22.勾2.E.亮I.Mi欺kuli嘉n,A司.A.T失aras咳ov,M伏.P.S骆hkre像byon焰ock.宝Low折tem股pera阀ture品Pul色seT蛮ube.丢Adv丢.Cr皆y.En芽g.19暴84(2手9),晃p629补-637好.枕3.S.散Zhu膨,P.册Wu,债Z.层Chen亲,W.绕Zhu名and毒Y.Z低hou,著As灯ingl奴est摧age潮doub倦lei贵nlet虏pul幕set馆ube稳refr钢iger买ator爽cap抬able丹ofr认each好ing挪42K助,Cr减yoge棕nics趣30月ICEC淡13侵Supp帅leme抚nt:鼓1990留,p2嫁57.勉4.Y.炊Mat蜜suba拾ra,唐K.T锯anid景a,J.梁L.G念ao,仓Y.H油ires基aki胃and炕M.K轧anek炭o,F及our-胜valv焰epu帐lse克tube要ref样rige崭rato报r,i晕n铜:惕“济Proc唐eedi卵ngs销ofF省ourt句hJo续int旗Sino滑-Jap洗anes栋eSe痒mina泉ron搁Cry色ocoo共lers匹and捉Con扰cern棒edTo午pic限s蝶”召,Be瓶ijin鸟g19胸93,龟p54.雁5.S.烈W.Z菠hu,谁Y.K蹦akim徐i,K桶.Fuj横ioka闯and博Y.辜Matu黎sbar善a,A醋ctiv厦e-bu秃ffer劫pul净se-t棒ube俱refr明iger蓄ator非,in闻:聪“溜Proc串eedi穿ngs移ofI恨CEC拣16/轰ICM牺C甘”沙,Ki腹taky拢ushu割1996慨,p.脆291测.椅6.G.践Kai离ser,庆H.墓Breh邻m,R絮.Wag炕ner,桂J.样Gers做ter,纱S.垮Wund宿erli无ch,可M.T屠hurk善and这P.静Seid徐el,强adva琴ntag昌eso退faf素our-烛valv来epu茄lse汇tube劝cry秩ocoo挠ler隔for摔high网-Tc穿sens破oro颗pera菜tion燃,cr退yoge约nics谅,19胜97(付37)枣,p69碍9-70林3.游7.T.常Schm叛aude潮r,A乓.Wal伍dauf诞,M.季Thur躬k,R冤.Wag合ner,卖P.s塔eide勤l,I期nves蚁tiga扭tion掩of素asi博ngle朗fou洲r-va魄lve笋puls希etu阵bere芽frig易erat隔orf书orh熟igh符cool侍ing啄powe所r,I狗nsti膀tute姿fur映fes数tkor压perp泪hysi件k,fr权iedr尝ich-滑schi斥ller沸-uni左vers锹itat固jen福a,D刚-077恨43j期ena,攻ger用many药,cr拜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