新型四閥脈管制冷機的試驗

新型四閥脈管制冷機的試驗研究摘要：本文首先簡單介紹了文中的新型四閥脈管制冷機和普通的四閥脈管制冷機相比較具有的兩個特色：一是“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，提高了制冷機結構的對稱性，且脈管水平部分可以聯合冷頭一起供冷；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。接著介紹了采用有閥氦壓縮機驅動下的初步性能試驗，對試驗結果進行比較分析，并給出進一步改善性能的方法。關鍵字：四閥脈管制冷機“L”型脈管雙小孔閥試驗研究1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，制冷量33.5W@80K[8]。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”型脈管冷端結構圖1四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）雙小孔閥結構圖2四閥型脈管制冷機脈管熱端兩種閥結構3試驗設備壓縮機采用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。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。競4弱試驗結果及分豐析殲初步試驗是在誠壓縮機充氣壓呀力軍為跳1.6MP寇a顯，工作頻率械為起2.5H竹z紅的條件下進行選的，經過反復候多次試驗，我屋們的新結構的養(yǎng)四閥型脈管制汽冷機能夠達到族的最低溫度領為浮72末K所。匆經凈過瞎4活個小時左右的天運轉（通常的兔四閥型脈管制夸冷機也需呀要螞4通個小時左右的炊時間達到最低亂溫度），制冷欺機冷頭處溫度遮趨于穩(wěn)定耳到欠72股K戲，脈管彎頭處走溫度也基本上圓趨于穩(wěn)定己在虜170錫K稠左右，脈管彎寶頭處的溫度還億是比較高，同賣時二者之間的箭溫差隨著溫度厲的降低而升高堤，最后也呈現衰出穩(wěn)定趨勢，踏分析其可能原凝因：一是由于腎在彎頭的兩端店有兩處焊接，抖可能導致內壁頓面不是很光滑翼，再者焊接的身地方比較厚，妻總體導致此處夏的熱損較大，沿從而導致彎頭校處溫度不容易野降的很低。推和通尖常晃“始I血”利型脈管結構的響四閥型脈管制鮮冷機相比，降錦溫時間相同，穗但是冷頭達到震的最低溫度比蠻較高，分析原痛因，主要由于懷彎頭和直管采黎用焊接，所以院對管壁的厚度盒有一定的要求挨，導致脈管的厘壁厚不能達到印普通脈管的壁襖厚（通常為喚0.5mm書），這樣就導厭致了較大的導霞熱損失，初步飽估算此處的導杏熱損失饞為昆1.17工W麗，而同等溫差緩下，壁厚慕0.5mm理的直脈管的導懸熱損失僅僅孔為筆0.365沖W肆。彼和具有單小孔愁閥的脈管制冷各機具有最佳的裳小孔開度一樣弊，文中的制冷濁機也存在最佳勇的兩個小孔閥蒼開度雕，碼O限3吉開度聽為慈2.6/25失,O摸4定開度鳥為雙3.4/2榮5條，（對于文中漿的小孔閥而言忌，最大開度瀉為敲3稿圈，每一圈分體為回2鼓5噸格），此時，緣脈管制冷機冷乏頭溫度達到最財低惱為史72.1擾K侍。疫我們發(fā)現達到希最佳開度時的僅兩個小孔恰閥贊O觸3臭和次O疤4橡的開度不同，廳這也是單小孔梢閥的結構所不預能反映的，由器此說明單小孔仍閥的調節(jié)能力司是有限的，雙劍小孔閥結構可削以進行更好的氣調節(jié)。論制冷機達到最績低溫度時的蓄流冷器熱端，脈涂管熱端的氣體跟壓力變化，脈攀管熱端平均壓真力略大于蓄冷松器熱端氣體平昌均壓力，原因偽在于蓄冷器中疊填料的阻力比傘較大，波形和志正常的方波偏羽離較遠，和正治弦波形非常相嗓似，這說明脈版管制冷機入口燥處存在較大的勇流動阻力，如繳果采用更加更更加合適的閥門亂，減小氣流阻話力，使進氣口豆處的壓力波更凡接近方波，這什樣，壓力處于脖最高點的時間顧就比較長，所航作鄰的食P倦V厭功增大，使提懷高脈管制冷機湯的性能成為可擴能。燙不同頻率對制知冷機冷頭最低騎溫度的影響，判制冷機存在最賽佳工作頻蹈率潮2.5H號z輪，此時制冷機斯冷頭溫度最低唉為簽72述K懼。站5意為結論和展壁望鷹蘇（醫(yī)1楊）提出若了剃“曬L肺”陵型脈管結構，羞比起通常貼的玉“害I惡”昂脈管結構，大自大簡化了脈管癢冷端結構，且么提高了結構的沉對稱性，更為聚重要的是，脈礦管水平部分可移以和冷頭聯合篇起來提供冷量正，大大提高了瞧冷能的利用面鏟積。傭（傘2的）在脈管熱端推采用雙小孔閥壽結構，試驗結公果表明制冷機門冷頭達到最低嬸溫度時的兩個臘小孔閥開度不丸同，由此說明配采用雙小孔閥描結構比起單小燥孔閥結構可以炊進行更好的調息節(jié)。寶（蠢3伯）文中的制冷省機所能達到的族最低溫擴度侵72谷K賭并不是非常理勤想，分析其原秤因主要在于彎撈頭處的兩端焊曉接對壁厚的限棗制，導致我們假的弦“缺L鍬”賽型脈管的壁厚儀不能減達到普通尊的寇“斧I出”識型脈管那么薄諒，從而導致導駁熱損失較大。輪所以進一步的肌如何提高焊接阿手段從而降閃低晨“桂L禽”束型脈管的壁厚節(jié)將是我們下一隊步的主要工作楚。步目前已在進行勉采用紫銅金屬控泡沫材料取代局絲網材料對換弊熱器強化換熱燒的實驗。參考文獻：忙1.W.E.習Giffo關rdand務勵ongswo效rth,P肌ulse-t由ubere寶friger宿ation,考ASME站paper結No.63扁-WA-29短0pres申ented乖atAnnu挖alMee怎tingo夸fthe戴Americ咽anSoc餃ietyo料fMech草anical演Engin者eering旦,拳Philad鼓elphia藥,袍Pennsy灘lvania厘1963.先p17-2常2.至2.E.I.連Mikuli程n,A.A棕.Taras袖ov,M.P旗.Shkre罰byonoc透k.Low叉tempe蛙rature賠Pulse居Tube.躬Adv.橫Cry.En單g.1984趟(29),袖p629-6達37.谷3.S.Z勝hu,P.臭Wu,Z緒.Chen清,W.Zh肢uand柱Y.Zho誕u,As反ingle祖stage省double隙inlet災pulse段tube磚refrig些erator輛capab掉leofr碧eachin絕g42K持,Cryo匙genics扁30IC傭EC13謹Supple特ment:意1990,伐p257.常4.Y.M鼓atsuba聞ra,K.當Tanid墨a,J.L.奏Gao,見Y.Hir離esaki光andM.雷Kanek胖o,Fou輛r-valv銜epuls盡etube徹refri武gerato街r,in剖:燥“肉Procee冤dings處ofFou吉rthJo餃intSi允no-Jap狡anese盛Semina券ronC沫ryocoo極lersa恭ndCon地cerned藝Topic稻s魔”普,Beij脹ing19衫93,p5罵4.娃5.S.W.佛Zhu,敗Y.Kak堪imi,K仗.Fujio圈kaand借Y.Ma抱tusbar勵a,Act賠ive-bu艷fferp左ulse-t曉ubere寒friger床ator,昆in瞞:容“健Procee鄙dings廢ofICE靜C16/態(tài)ICM當C巧”稱,Kita移kyushu佳1996,型p.291備.甲6.G.K辜aiser,局H.Br美ehm,R才.Wagne禍r,J.召Gerste舌r,S.濫Wunder憂lich,巷M.Thu襖rkand式P.Se乒idel,排advant控ageso響fafou噸r-valv脊epuls陸etube筒cryoc緣ooler扣forhi串gh-Tc紀sensor魄opera俱tion,籠cryoge言nics,府1997(坐37),p蹦699-70歌3.修化hmaude億r,A.W攻aldauf醬,M.Th彈urk,R禽.Wagne柱r,P.s喜eidel,刺Inves增tigati掩onof舞asing感l(wèi)efou哨r-valv考epuls貸etube磨refrig憲erator供forh貫ighco訓oling堆power,歸Insti鈴tutef耍urfes糕tkorpe王rphysi弦k,frie瞞drich-挺schill腔er-uni享versit境atjen寬a,D-0資7743j繡ena,g役ermany具,cryo錫cooler嘩s11,2味001,視8.Li,銀Rui(S恢umitom遇oHeav呆yIndus彩tries堪Ltd);腫Kanao,仙Ken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