新型四閥脈管制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)

新型四閥脈管制冷機(jī)的試驗(yàn)研究摘要：本文首先簡(jiǎn)單介紹了文中的新型四閥脈管制冷機(jī)和普通的四閥脈管制冷機(jī)相比較具有的兩個(gè)特色：一是“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)，提高了制冷機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，且脈管水平部分可以聯(lián)合冷頭一起供冷；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)，用來分別控制脈管熱端進(jìn)排氣的質(zhì)量流率。接著介紹了采用有閥氦壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)下的初步性能試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，并給出進(jìn)一步改善性能的方法。關(guān)鍵字：四閥脈管制冷機(jī)“L”型脈管雙小孔閥試驗(yàn)研究1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，制冷量33.5W@80K[8]。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)圖1四閥型脈管制冷機(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，這樣就直接通過冷端換熱器把脈管和蓄冷器冷端連通起來，大大簡(jiǎn)化了脈管低溫端結(jié)構(gòu)，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(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)小孔閥用來調(diào)節(jié)通過脈管的進(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)圖2四閥型脈管制冷機(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，它通過氣動(dòng)閥和小孔閥和制冷機(jī)熱端相聯(lián)結(jié)，通過定時(shí)器來調(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)。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，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。刪試驗(yàn)系胞統(tǒng)還包風(fēng)括抽真兄空系統(tǒng)充，數(shù)據(jù)毅采集系蔽統(tǒng)等。營(yíng)4慌試驗(yàn)結(jié)堅(jiān)果及分而析算初步試傲驗(yàn)是在惕壓縮機(jī)捷充氣壓玻力抖為莖1.6深MP越a叢，工作秀頻率芝為臥2.5疲H滾z辯的條件瘋下進(jìn)行滋的，經(jīng)秘過反復(fù)丸多次試脆驗(yàn)，我稻們的新袋結(jié)構(gòu)的屯四閥型這脈管制市冷機(jī)能究夠達(dá)到廢的最低蝶溫度段為啊72玩K朱。倆經(jīng)杜過歪4滲個(gè)小時(shí)笛左右的夠運(yùn)轉(zhuǎn)（殖通常的祥四閥型備脈管制顛冷機(jī)也評(píng)需熔要義4街個(gè)小時(shí)哭左右的稻時(shí)間達(dá)嶺到最低宿溫度）乳，制冷撇機(jī)冷頭惡處溫度孕趨于穩(wěn)象定貴到致72魄K替，脈管惑彎頭處傭溫度也那基本上績(jī)趨于穩(wěn)煤定毛在餅170搞K熟左右，路脈管彎法頭處的牛溫度還翠是比較粉高，同沫時(shí)二者件之間的少溫差隨滾著溫度這的降低緊而升高朗，最后本也呈現(xiàn)示出穩(wěn)定壇趨勢(shì)，夠分析其勉可能原尺因：一五是由于賢在彎頭階的兩端枕有兩處丟焊接，密可能導(dǎo)劇致內(nèi)壁奏面不是厲很光滑險(xiǎn)，再者口焊接的孫地方比扮較厚，租總體導(dǎo)哪致此處陵的熱損扎較大，哲從而導(dǎo)嘩致彎頭醬處溫度潛不容易鉗降的很戰(zhàn)低。裙和通寇常降“毯I泡”滋型脈管柏結(jié)構(gòu)的想四閥型沃脈管制戒冷機(jī)相址比，降決溫時(shí)間億相同，歌但是冷個(gè)頭達(dá)到樹的最低雷溫度比襖較高，啦分析原細(xì)因，主眾要由于為彎頭和謠直管采頃用焊接袍，所以輸對(duì)管壁帳的厚度廁有一定弊的要求坦，導(dǎo)致休脈管的轟壁厚不棍能達(dá)到搜普通脈騰管的壁術(shù)厚（通倒常便為己0.5絮m壞m水），這躁樣就導(dǎo)殊致了較喘大的導(dǎo)廈熱損失恩，初步市估算此信處的導(dǎo)水熱損失幟為榴1.1仇7灶W絨，而同庸等溫差臘下，壁介厚妖0.5弦m授m誼的直脈漠管的導(dǎo)悶熱損失幅僅僅子為潛0.3秤65習(xí)W獅。蘿和具有谷單小孔閉閥的脈滴管制冷夢(mèng)機(jī)具有繡最佳的壤小孔開廁度一樣柱，文中嬸的制冷辦機(jī)也存系在最佳世的兩個(gè)摸小孔閥奔開度魯，逼O丸3裹開度命為壇2.6白/25裳,O攤4威開度宜為簽3.4引/2互5聰，（對(duì)有于文中喚的小孔維閥而言嘴，最大勸開度伍為愛3豎圈，每貞一圈分朝為碑2翠5悼格），胡此時(shí)，吉脈管制毫冷機(jī)冷嫂頭溫度乒達(dá)到最圣低爪為隱72.夢(mèng)1俗K廈。施我們發(fā)假現(xiàn)達(dá)到形最佳開勸度時(shí)的掘兩個(gè)小拜孔侄閥竊O骨3謹(jǐn)和戒O篩4帽的開度推不同，權(quán)這也是登單小孔峽閥的結(jié)湊構(gòu)所不悟能反映測(cè)的，由身此說明免單小孔細(xì)閥的調(diào)龜節(jié)能力引是有限丸的，雙毯小孔閥給結(jié)構(gòu)可煎以進(jìn)行木更好的霧調(diào)節(jié)。鼻制冷機(jī)度達(dá)到最完低溫度鑰時(shí)的蓄燙冷器熱住端，脈排管熱端堡的氣體迫壓力變酷化，脈如管熱端社平均壓希力略大傳于蓄冷往器熱端費(fèi)氣體平東均壓力基，原因吊在于蓄婆冷器中咱填料的余阻力比愛較大，前波形和臂正常的啦方波偏繼離較遠(yuǎn)策，和正機(jī)弦波形魚非常相每似，這罪說明脈逗管制冷惜機(jī)入口患處存在玉較大的壤流動(dòng)阻勢(shì)力，如押果采用忙更加更腎加合適恰的閥門德，減小咱氣流阻榮力，使往進(jìn)氣口亂處的壓珠力波更善接近方獨(dú)波，這秤樣，壓喝力處于芽最高點(diǎn)晶的時(shí)間丈就比較癥長(zhǎng)，所晉作汽的筐P籃V帶功增大岡，使提國(guó)高脈管刺制冷機(jī)鬧的性能海成為可娘能。咱不同頻院率對(duì)制授冷機(jī)冷墊頭最低吵溫度的臟影響，片制冷機(jī)峰存在最心佳工作副頻擺率籮2.5肥H墾z毀，此時(shí)弓制冷機(jī)斧冷頭溫抖度最低竊為壟72形K亂。西5紙亡結(jié)論和枕展堵望究勒（簡(jiǎn)1俗）提出豎了辭“本L遠(yuǎn)”級(jí)型脈管袖結(jié)構(gòu)，暮比起通擱常側(cè)的濕“屢I來”不脈管結(jié)抖構(gòu)，大占大簡(jiǎn)化績(jī)了脈管球冷端結(jié)刊構(gòu)，且角提高了疊結(jié)構(gòu)的袋對(duì)稱性肝，更為幟重要的合是，脈搏管水平蟲部分可蜓以和冷恨頭聯(lián)合芽起來提枕供冷量記，大大麗提高了侵冷能的氏利用面定積。賽（而2徐）在脈蕩管熱端德采用雙飲小孔閥忽結(jié)構(gòu)，住試驗(yàn)結(jié)夫果表明尋制冷機(jī)為冷頭達(dá)陡到最低莖溫度時(shí)飯的兩個(gè)淚小孔閥念開度不綠同，由間此說明拖采用雙凍小孔閥店結(jié)構(gòu)比峽起單小步孔閥結(jié)打構(gòu)可以糞進(jìn)行更典好的調(diào)漁節(jié)。煙（挨3提）文中夕的制冷照機(jī)所能乎達(dá)到的拴最低溫愚度綿72禽K衫并不是雖非常理擾想，分仍析其原倍因主要廣在于彎踩頭處的脾兩端焊帖接對(duì)壁襖厚的限咳制，導(dǎo)竄致我們齊的惕“客L它”撓型脈管的的壁厚變不能覽達(dá)到普君通躬的虹“系I羨”瘋型脈管照那么薄膊，從而何導(dǎo)致導(dǎo)潔熱損失個(gè)較大。儀所以進(jìn)怨一步的撈如何提謙高焊接宮手段從澡而降夕低膀“拖L揀”檔型脈管夫的壁厚搶將是我遺們下一螞步的主犯要工作畜。脅目前已乎在進(jìn)行籍采用紫跳銅金屬趕泡沫材院料取代籮絲網(wǎng)材嫂料對(duì)換灶熱器強(qiáng)盲化換熱粗的實(shí)驗(yàn)閣。鉗參考文劇獻(xiàn)：告1.W筍.E.仆Gi罩ffo將rd臉and環(huán)R.尊C.L欺ong榆swo糧rth級(jí),P悔uls益e-t咽ube硬re出fri牽ger拳ati志on,倡AS法ME此pap智er尋No.清63欄-WA槐-29理0p辟res長(zhǎng)ent城ed穩(wěn)atA辨nnu返al們Mee駝tin抱go嘩ft析he盼Ame扔ric叨an議Soc惱iet躺yo鋪fM稻ech軍ani晌cal激En澆gin克eer轟ing遮,P姿hil啄ade星lph約ia,嚷Pe示nns逼ylv滿ani楚a1薄963貫.p殺17-砌22.被2.E剛.I.姜Mik超uli奉n,芽A.A湊.Ta墾ras緞ov,臣M.P色.Sh語(yǔ)kre停byo拍noc倘k.特Low拳te找mpe已rat萌ure串Pu揮lse堵Tu毅be.獵Ad博v.書Cry信.En披g.1裳984東(29秒),裂p62肅9-6醉37.市3.S岡.Z獎(jiǎng)hu,庭P.使Wu粉,Z腳.C夢(mèng)hen咬,W.殘Zh日ua應(yīng)nd爬Y.汪Zho盒u,眨As棟ing敬le莊sta僅ge渴dou挖ble葵in煉let趙pu箱lse標(biāo)tu渡be提ref敬rig厲era撒tor抹ca園pab盛leo狼fr衰eac小hin夜g4祥2K俗,C午ryo打gen爸ics印30數(shù)IC似EC貫13柴Sup團(tuán)ple年men碎t:貝199融0,搖p25喘7.牽4.Y貍.M單ats世uba磨ra,猶K.搬Ta娃nid剃a,J秘.L.眾Ga澇o,阿Y.舊Hir忙esa亦ki倒and漁M.接Ka亞nek尚o,額Fou逮r-v喬alv肝ep適uls賴et概ube皆re然fri爭(zhēng)ger努ato躺r,甩in由:擦“生Pro朋cee志din歐gs淘of廣Fou蠅rth配Jo毯int訊Si布no-社Jap賄ane嘉se午Sem感ina怪ro嫁nC華ryo退coo債ler看sa棟nd觀Con傾cer暈ned蠶Top榮ic紅s凝”緒,B質(zhì)eij偵ing晴19仗93,浪p5造4.滑5.S香.W.遲Zh皇u,秧Y.醫(yī)Kak韻imi挽,K葵.Fu將jio筐ka假and益Y.擠Ma康tus淚bar憶a,恥Act并ive汽-bu盾ffe擴(kuò)rp窯uls好e-t怨ube原re川fri聚ger初ato繪r,列in紋:悲“與Pro遇cee靜din提gs虹of悅ICE倒C1悔6/霉IC濕M海C慨”惡,K練ita剪kyu括shu技199萌6,訓(xùn)p.凳291撲.認(rèn)6.G幕.K稿ais勉er,陣H.非Br非ehm在,R紀(jì).Wa閃gne哪r,擔(dān)J.演Ger舊ste洞r,喉S.聞Wun共der丙lic笑h,各M.浩Thu銳rk銀and馳P.牲Se舞ide鉆l,孩adv夕ant僅age懷so伯fa濾fou丸r-v磨alv搜ep叉uls償et蔥ube倍cr侮yoc古ool昂er叔for名hi呢gh-屆Tc甲sen經(jīng)sor供op薦era累tio濫n,疾cry甘oge愧nic毫s,炸199蔑7(權(quán)37)燕,p狼699飯-70要3.腐7.T境.Sc秤hma也ude肥r,蝴A.W破ald腥auf尚,M.腫Th勿urk林,R睡.Wa計(jì)gne尤r,腰P.s懲eid晃el,籌In角ves撿tig嗽ati壩on厚of姻as牽ing秘le救fou葡r-v執(zhí)alv怖ep覆uls亡et唉ube站ref奇rig鍋era雁tor除fo隔rh非igh世co莫oli隊(duì)ng磁pow份er,偷In酒sti鏡tut貫ef致ur聰fes慣tko檢rpe評(píng)rph撿ysi每k,f話rie銷dri賽ch-鋪sch蜜ill稻er-瘦uni擠ver潮sit倆at原jen躍a,與D-0拉774宜3j屋ena脊,g潛erm輸any修,c哄ryo鍵coo鳴ler河s11詢,2疲001率,壺8.L耐i,競(jìng)Rui嬌(S純umi校tom管oH涼eav懸yIn傳dus卸tri資es悅Ltd夏);看Kan布ao,咳Ke軟nic槽hi;召Wa撈tan珠abe掉,N健ori舅his游a;K鈔ana鉛zaw冤a,室Yos唉hia古ki沖金，旬Exp堤eri晨