新型四阀脉管制冷机的试验研究

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发布时间:2017年6月17日

    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。
关键词: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

    试验装置系统简图如图3所示,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。


图3 试验装置系统示意简图

    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。

    试验系统还包括抽真空系统,数据采集系统等。

4 试验结果及分析

    初步试验是在压缩机充气压力为1.6MPa,工作频率为2.5Hz的条件下进行的,经过反复多次试验,我们的新结构的四阀型脉管制冷机能够达到的最低温度为72K,图4示出了最佳小孔开度下的制冷机的降温曲线。

    经过4个小时左右的运转(通常的四阀型脉管制冷机也需要4个小时左右的时间达到最低温度),制冷机冷头处温度趋于稳定到72K,脉管弯头处温度也基本上趋于稳定在170K左右,脉管弯头处的温度还是比较高,同时二者之间的温差随着温度的降低而升高,最后也呈现出稳定趋势,分析其可能原因:一是由于在弯头的两端有两处焊接,可能导致内壁面不是很光滑,再者焊接的地方比较厚,总体导致此处的热损较大,从而导致弯头处温度不容易降的很低。

    和通常“I”型脉管结构的四阀型脉管制冷机相比,降温时间相同,但是冷头达到的最低温度比较高,分析原因,主要由于弯头和直管采用焊接,所以对管壁的厚度有一定的要求,导致脉管的壁厚不能达到普通脉管的壁厚(通常为0.5mm),这样就导致了较大的导热损失,初步估算此处的导热损失为1.17W,而同等温差下,壁厚0.5mm的直脉管的导热损失仅仅为0.365W。

    图5示出了不同小孔阀开度对脉管冷头处无负荷最低制冷温度的影响,从图上可以清晰的看出,

    和具有单小孔阀的脉管制冷机具有最佳的小孔开度一样,文中的制冷机也存在最佳的两个小孔阀开度,O3开度为2.6/25,O4开度为3.4/25,(对于文中的小孔阀而言,最大开度为3圈,每一圈分为25格),此时,脉管制冷机冷头温度达到最低为72.1K。

    我们发现达到最佳开度时的两个小孔阀O3和O4的开度不同,这也是单小孔阀的结构所不能反映的,由此说明单小孔阀的调节能力是有限的,双小孔阀结构可以进行更好的调节。

    图6示出了制冷机达到最低温度时的蓄冷器热端,脉管热端的气体压力变化,脉管热端平均压力略大于蓄冷器热端气体平均压力,原因在于蓄冷器中填料的阻力比较大,图6中的波形和正常的方波偏离较远,和正弦波形非常相似,这说明脉管制冷机入口处存在较大的流动阻力,如果采用更加更加合适的阀门,减小气流阻力,使进气口处的压力波更接近方波,这样,压力处于最高点的时间就比较长,所作的PV功增大,使提高脉管制冷机的性能成为可能。

图7示出了不同频率对制冷机冷头最低温度的影响,从图可见,制冷机存在最佳工作频率2.5Hz,此时制冷机冷头温度最低为72K。


图7 频率对制冷机冷头最低温度的影响

5 结论和展望

(1)提出了“L”型脉管结构,比起通常的“I”脉管结构,大大简化了脉管冷端结构,且提高了结构的对称性,更为重要的是,脉管水平部分可以和冷头联合起来提供冷量,大大提高了冷能的利用面积。

(2)在脉管热端采用双小孔阀结构,试验结果表明制冷机冷头达到最低温度时的两个小孔阀开度不同,由此说明采用双小孔阀结构比起单小孔阀结构可以进行更好的调节。

(3)文中的制冷机所能达到的最低温度72K并不是非常理想,分析其原因主要在于弯头处的两端焊接对壁厚的限制,导致我们的“L”型脉管的壁厚不能达到普通的“I”型脉管那么薄,从而导致导热损失较大。所以进一步的如何提高焊接手段从而降低“L”型脉管的壁厚将是我们下一步的主要工作。

目前已在进行采用紫铜金属泡沫材料取代丝网材料对换热器强化换热的实验。