5 W@80 K自由活塞斯特林制冷機(jī)工況及重力特性實(shí)驗(yàn)研究

賈紅書 洪國同 陳厚磊 劉彥杰

(1中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190)(2中國科學(xué)院研究生院 北京 100049)

1 引言

低溫技術(shù)是為適應(yīng)尖端技術(shù)與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門重要學(xué)科，小型低溫制冷機(jī)是低溫技術(shù)在特殊條件下的重要分支［1－3］。由于航空航天技術(shù)、低溫技術(shù)和超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的需要，小型低溫制冷機(jī)技術(shù)在最近的40年獲得了高速發(fā)展。自由活塞斯特林制冷機(jī)采用間隙密封，板彈簧支撐，直線電機(jī)等先進(jìn)的技術(shù)，具有緊湊、高效的特點(diǎn)，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中得到了廣泛應(yīng)用。間隙密封技術(shù)利用密封零件之間的徑向微小間隙及該間隙在軸向的一定長度來實(shí)現(xiàn)密封，與傳統(tǒng)的接觸潤滑密封相比，消除了接觸磨損及由其產(chǎn)生的污染，從而提高了制冷機(jī)的運(yùn)行壽命。自由活塞斯特林制冷機(jī)采用板彈簧支撐的間隙密封，利用板彈簧的軸向剛度小，徑向剛度大來保證活塞與氣缸的間隙密封。

斯特林制冷機(jī)制冷性能包括制冷溫度、制冷量、啟動(dòng)時(shí)間、不維修時(shí)間與可靠性、能量消耗等，由于這些要求與指標(biāo)對(duì)于其應(yīng)用場合至關(guān)重要，因此測試分析斯特林制冷機(jī)的性能指標(biāo)是很有必要的［4］。

本文針對(duì)某型號(hào)小型斯特林制冷機(jī)，利用現(xiàn)有脈沖管制冷機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)了熱端水冷部分，對(duì)熱負(fù)荷和冷端溫度計(jì)的引線進(jìn)行了布置，測試了不同線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的斯特林制冷機(jī)的制冷性能，實(shí)驗(yàn)研究了充氣壓力、工作頻率及輸入功率等參數(shù)對(duì)制冷機(jī)性能的影響規(guī)律，確定了斯特林制冷機(jī)的最佳運(yùn)行工況。通過改變冷頭方位，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了斯特林制冷機(jī)板彈簧支撐對(duì)間隙密封的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與流程

2.1 斯特林制冷機(jī)

斯特林制冷機(jī)工作原理是斯特林逆循環(huán)，理論效率為卡諾效率，它利用膨脹腔中的工質(zhì)氣體周期性的壓縮和膨脹過程實(shí)現(xiàn)制冷。本文所分析的斯特林制冷機(jī)為分置式斯特林制冷機(jī)，其示意圖如圖1。運(yùn)動(dòng)部件包括活塞和排出器。工作過程中，壓縮活塞由直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，為工質(zhì)提供壓力波，排出器受到來自膨脹腔，氣動(dòng)腔和壓縮氣體的氣體力，以及氣動(dòng)腔板簧的支撐，受迫直線運(yùn)動(dòng)，通過膨脹腔工質(zhì)的壓縮膨脹，從而將熱量帶走，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)雙自由度的諧振系統(tǒng)，能量的輸入輸出依靠活塞和排出器之間運(yùn)動(dòng)相位差來實(shí)現(xiàn)。

圖1 分置式斯特林制冷機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of split Stirling cryocooler

為了解該斯特林制冷機(jī)的工作性能及放置角度對(duì)其性能的影響，設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行性能測試。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

試驗(yàn)系統(tǒng)包括產(chǎn)生氣體壓力波動(dòng)的壓縮機(jī)系統(tǒng)、產(chǎn)生冷量的制冷機(jī)部分、溫度和熱負(fù)荷的測量采集系統(tǒng)、氣體管路系統(tǒng)及真空系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)裝置連接如圖2所示:壓縮機(jī)提供近似于正弦的周期壓力波，由排氣口2送到冷頭9，冷頭9內(nèi)部有筒狀的排出器，排出器內(nèi)部裝有回?zé)崞鳎瑫r(shí)也是氣體的流道，它可以自由的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，于是改變冷頭兩端的室溫腔和冷腔的容積，在壓力波的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)斯特林制冷循環(huán)，把冷端的熱量泵到熱端。冷頭的吸熱量和由于不可逆功產(chǎn)生的熱量由室溫端的水冷器帶走，設(shè)計(jì)的水冷器是在一個(gè)紫銅塊內(nèi)部切出水冷通道，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.2 Schematic diagram of performance experiments

2.2.1 壓縮機(jī)

圖3 水冷器示意圖Fig.3 Schematic diagram of water cooler

壓縮機(jī)采用了德國Leybold公司的Polar SC7壓縮機(jī)，為雙向?qū)χ脛?dòng)圈式線性壓縮機(jī)，掃氣容積10 mL，采用板彈簧支撐，諧振頻率較低，額定功率250 W，額定充氣壓力3.0 MP。壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)配備變頻器、功率表，輸入電壓220 V，工作過程中，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率，并測量輸入功率、電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等參數(shù)。

2.2.2 測量采集系統(tǒng)

冷端熱負(fù)荷通過在冷端安裝的熱電阻中通以一定功率的直流電模擬，阻值500 Ω，輸入的直流電使熱電阻發(fā)熱功率范圍在1—6 W之間。冷端溫度采用鉑電阻溫度計(jì)測量。測量時(shí)采用雙引線電位法，溫度計(jì)的電壓端接入數(shù)字萬用表，通過GPIB卡送入微機(jī)進(jìn)行采集處理。

2.2.3 絕熱系統(tǒng)

對(duì)制冷機(jī)的冷指經(jīng)過包多層錫箔紙進(jìn)行絕熱處理并固定后，放置到真空罩內(nèi)并螺紋連接，測量過程中，對(duì)真空罩抽取真空，保證制冷端的溫度不受空氣的影響。

2.2.4 充氣和抽真空系統(tǒng)

充氣系統(tǒng)和真空絕熱系統(tǒng)的連接示意圖如圖4所示。實(shí)驗(yàn)過程中，首先需要對(duì)系統(tǒng)檢漏，將閥門1、2、3、7、8開啟，充入一定壓力的氣體，在接頭和焊點(diǎn)刷肥皂水，觀察氣泡。當(dāng)管路不存在漏氣的情況下，對(duì)系統(tǒng)抽真空，確保工作介質(zhì)的純度，閥門1、2、3、4、5開啟，首先啟動(dòng)機(jī)械泵，大約30 min后開啟分子泵，通常要求不高的情況下，分子泵不必開啟。然后再對(duì)管路充入工作壓力下的氣體。運(yùn)行過程中，閥門1和6開啟，其余都處于關(guān)閉狀態(tài)。真空絕熱的目的是降低斯特林制冷機(jī)外部的熱損失，準(zhǔn)確測量冷端溫度。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)氣體管路Fig.4 Schematic diagram of experimental gas pipeline

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理和分析

3.1 工作頻率對(duì)制冷性能影響

實(shí)驗(yàn)中壓縮機(jī)豎直方向布置，冷頭水平方向布置，制冷機(jī)冷頭采用水冷卻，冷卻水溫度10℃。首先確定壓縮機(jī)在無負(fù)載情況下的最佳工作頻率。分別進(jìn)行了充氣壓力2.5 MPa和2.8 MPa的兩種工況試驗(yàn)。由圖5可見，兩種工況下，均在46 Hz獲得最低的制冷溫度，T(46Hz，2.5MPa)=39.73 K和T(46Hz，2.8MPa)=36.73 K，并且在46 Hz范圍內(nèi)，冷頭最低溫度較為穩(wěn)定，確定為最佳工作頻率。

圖5 冷頭最低溫度隨輸入頻率的變化Fig.5 Effect of working frequency on the lowest temperature

然后在壓縮機(jī)最佳工作頻率46 Hz下，改變冷頭熱負(fù)載，測試其穩(wěn)定的制冷溫度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。壓縮機(jī)功率200 W時(shí)，與5 W負(fù)載條件下最低制冷溫度達(dá)到80 K，加熱功率每上升1 W，溫度大約上升8 K，性能曲線線性度好。

3.2 充氣壓力對(duì)制冷性能影響

圖6 冷頭溫度隨制冷量的變化Fig.6 Effect of cooling power on the lowest temperature

圖7為壓縮機(jī)功率150 W，冷頭無負(fù)載情況下，系統(tǒng)充氣壓力分別為2.5、2.0、1.6 MPa實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最佳工作頻率:圖中可以看出，由于系統(tǒng)充氣壓力的降低，最佳工作頻率下降，3種壓力下分別對(duì)應(yīng)46，42，40 Hz，最佳工作頻率對(duì)應(yīng)的最低制冷溫度也呈下降趨勢(shì)，分別為 39.73、36.22、36.46 K。2.0 MPa 下，斯特林制冷機(jī)最佳工作頻率獲得最低的制冷溫度，確定為Polar SC7壓縮機(jī)與斯特林制冷機(jī)的最佳工作壓力。

圖7 冷頭最低溫度隨輸入頻率的變化Fig.7 Effect of working frequency on the lowest temperature

圖8為固定壓縮機(jī)輸入功率，在3組壓力下，改變冷端負(fù)載的系統(tǒng)性能。從圖中可以看出，壓力2.0 MPa時(shí)的系統(tǒng)性能優(yōu)于壓力為2.5 MPa時(shí)的系統(tǒng)性能。在相同的制冷量下，溫度低2—3 K。曲線斜率相差不大，當(dāng)壓力低到1.6 MPa時(shí)，曲線斜率變小。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在壓縮機(jī)輸入功率一定時(shí)，制冷量和溫度成線性關(guān)系;制冷量和溫度的曲線斜率隨著壓縮機(jī)輸入功率升高而變大;當(dāng)無負(fù)荷時(shí)，壓縮機(jī)功率越大，最低溫度越低;在相同的制冷量(固定的加熱功率)下，壓縮機(jī)輸入功率越大，能夠達(dá)到的最低溫度越低。

圖8 冷頭溫度隨制冷量的變化Fig.8 Effect of cooling power on the lowest temperature

3.3 重力特性對(duì)制冷性能影響

分置式斯特林制冷機(jī)可以放置在任何一個(gè)平面內(nèi)，當(dāng)制冷機(jī)冷頭的布置方向不同時(shí)，重力便會(huì)施加在蓄冷器上，改變膨脹腔和室溫腔的體積比，或者蓄冷器的中心位置。為研究重力對(duì)制冷機(jī)性能的影響，實(shí)驗(yàn)中改變制冷機(jī)冷頭方向分別為水平、向上和向下。制冷機(jī)冷頭在水平方向上時(shí)，改變蓄冷器在圓周方向上與重力的夾角，即 0°、90°、180°、270°(分別對(duì)應(yīng)位置A、B、C、D)。圖9表明制冷機(jī)冷頭分別為水平，向上和向下情況時(shí)，負(fù)載對(duì)制冷機(jī)性能的影響。

圖9 冷頭布置方向?qū)ψ畹椭评錅囟鹊挠绊慒ig.9 Effect of cold head direction on the lowest temperature

從理論上分析，冷頭向下時(shí)，由于重力影響，排出器平衡位置向冷端移動(dòng)，冷腔余隙減少，可提高斯特林制冷機(jī)的制冷性能;冷頭向上時(shí)，則由于排出器平衡位置向熱端移動(dòng)，膨脹腔余隙增加，制冷性能會(huì)低于冷頭向下的情況。冷頭方向水平時(shí)性能介于兩者之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明了上述規(guī)律，但制冷機(jī)冷頭向上與向下兩種情況下的最低制冷溫度的最大波動(dòng)幅度僅為1.2 K，差異不明顯，這說明該斯特林制冷機(jī)排出器彈簧的軸向剛度與排出器質(zhì)量的比值較大，排出器重力產(chǎn)生的靜位移比較小。因此，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)制冷機(jī)來說，冷頭布置方向(重力影響)不是特別敏感。

圖10為水平放置的冷頭處于不同圓周方位的制冷性能測試結(jié)果。理論上由于蓄冷器采用間隙密封，排出器水平放置時(shí)，由于重力作用密封間隙的均勻性會(huì)發(fā)生變化，從而影響制冷性能。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明制冷機(jī)冷頭水平放置不同圓周方位的制冷性能變化很小。說明該斯特林制冷機(jī)排出器的密封間隙保持較好，不會(huì)因?yàn)橹亓Χl(fā)生變化。

圖10 水平位置不同方位對(duì)最低制冷溫度的影響Fig.10 Effect of cold head direction in horizontal position on the lowest temperature

4 結(jié)論

(1)該被測斯特林制冷機(jī)在200 W的輸入功率下，在5 W負(fù)載條件下，最低制冷溫度達(dá)到80 K。

(2)通過對(duì)不同工況:改變充氣壓力和頻率等對(duì)制冷機(jī)的空載和負(fù)載的測量，找到了斯特林制冷機(jī)的性能曲線規(guī)律，并找到與Polar SC7壓縮機(jī)匹配的最佳工況為充氣壓力2.0 MPa，頻率42 Hz。

(3)制冷機(jī)冷頭向上與向下情況下，最低制冷溫度的最大波動(dòng)幅度為1.2 K，這是由于斯特林制冷機(jī)排出器重力作用使得平衡位置發(fā)生變化，因而冷腔余隙發(fā)生變化所致。冷頭水平放置處于不同圓周方位的制冷性能變化很小，說明該斯特林制冷機(jī)排出器的密封間隙保持較好，不會(huì)因?yàn)橹亓Χl(fā)生變化。

1 許國太，閆春杰，霍英杰，等.空間用斯特林制冷機(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)展［J］. 真空與低溫.2008，14(03):167－171.

2 Meijers M，Benschop A A J，Mullie J C.High Reliability Coolers under development at Signaal－USFA［J］.Cryocoolers11.(NY):Kluwer Academic/Plenum Publishers:111－118.

3 Raves，et al.Development Progress of a Long Life Twin Piston Pressure Oscillator［J］.Advances in Cryogenic Engineering，1994，39(B):1385－1392.

4 李 奧，李?yuàn)檴櫍瑒⒍梗?35K雙級(jí)斯特林制冷機(jī)性能實(shí)驗(yàn)［J］. 低溫工程.2010，174(2):32－36.

5 邊紹雄.小型低溫制冷機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.