節(jié)流孔孔徑對記憶合金自調(diào)式制冷器流量穩(wěn)定性的影響

郭祥祥，韓蓬磊

〈制冷技術(shù)〉

節(jié)流孔孔徑對記憶合金自調(diào)式制冷器流量穩(wěn)定性的影響

郭祥祥，韓蓬磊

（華北光電技術(shù)研究所，北京 100015 ）

本文通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究對不同節(jié)流孔孔徑的記憶合金自調(diào)式制冷器流量穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。理論計(jì)算表明：當(dāng)制冷器受到相同擾動(dòng)因素影響時(shí)，節(jié)流孔孔徑越小的制冷器，流量越穩(wěn)定；流量變化量隨節(jié)流孔孔徑增大呈線性增長趨勢。實(shí)驗(yàn)研究中，制作了孔徑分別為0.15mm和0.25mm的記憶合金自調(diào)式制冷器，將疲勞測試和振動(dòng)測試作為擾動(dòng)因素，對制冷器在29MPa和22MPa的流量進(jìn)行測試，結(jié)果顯示，孔徑為0.15mm的制冷器流量方差明顯小于0.25mm的制冷器。理論和實(shí)驗(yàn)研究均表明，縮小節(jié)流孔孔徑的設(shè)計(jì)有助于提高記憶合金自調(diào)式制冷器的流量穩(wěn)定性。

制冷器；記憶合金；節(jié)流孔；流量；穩(wěn)定性

0 引言

區(qū)別于傳統(tǒng)的波紋管自調(diào)形式，記憶合金型自調(diào)式制冷器采用了另外一條自調(diào)技術(shù)路線，即利用記憶材料隨溫度變化產(chǎn)生的形狀記憶效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)制冷器流量的調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、裝調(diào)方便、壽命長等優(yōu)點(diǎn)[1]。記憶合金制冷器自調(diào)后，流量會趨于穩(wěn)定，但在一些因素如振動(dòng)、溫度變化、制冷器記憶合金的不穩(wěn)定等的影響下，穩(wěn)定流量可能會發(fā)生較大變化，造成制冷器不到溫或工作時(shí)間縮短。關(guān)于記憶合金自調(diào)式制冷器流量穩(wěn)定性的研究，學(xué)者多從提升記憶合金彈簧的疲勞穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)預(yù)緊力來維持制冷器流量的穩(wěn)定[2-5]，很少有學(xué)者研究節(jié)流孔大小對制冷器流量穩(wěn)定性的影響。

由于焦耳湯姆遜效應(yīng)存在，高壓氣體流經(jīng)節(jié)流孔，壓力明顯降低，相應(yīng)地溫度大幅下降直至相變?yōu)橐后w，液態(tài)制冷工質(zhì)蒸發(fā)后吸熱來實(shí)現(xiàn)被冷卻對象的制冷。

節(jié)流孔直徑的設(shè)計(jì)對制冷器性能有著重要的影響：直徑偏小，制冷流量也偏小，制冷量不足；直徑偏大，制冷工質(zhì)液化率低，制冷效率不高，且探測器工作時(shí)長會受到影響。為滿足制冷量和探測器工作時(shí)長的要求，節(jié)流孔直徑將被限制在一個(gè)范圍內(nèi)。對于對流量穩(wěn)定性要求較高的自調(diào)式制冷器，考慮節(jié)流孔直徑對流量穩(wěn)定性的影響，可以進(jìn)一步尋找到一個(gè)更佳的節(jié)流孔直徑。本文對一款典型的記憶合金自調(diào)式制冷器，自調(diào)機(jī)構(gòu)見圖1，對其節(jié)流孔孔徑在0.10～0.25mm之間變化時(shí)的流量穩(wěn)定性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，探討了節(jié)流孔孔徑對制冷器流量穩(wěn)定性的影響[6]。

1 理論計(jì)算

圖1是一款典型的記憶合金自調(diào)式制冷器結(jié)構(gòu)，主要包括主動(dòng)彈簧、形狀記憶合金調(diào)節(jié)器、補(bǔ)償塊、平衡彈簧和閥針。制冷器通氣后，高壓氣體先大流量流經(jīng)節(jié)流孔，經(jīng)節(jié)流后溫度驟降，形狀記憶合金彈簧被冷卻收縮，主動(dòng)彈簧和平衡彈簧相應(yīng)地伸長，帶動(dòng)閥針運(yùn)動(dòng)關(guān)小節(jié)流孔實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖1 記憶合金自調(diào)式制冷器結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)從理論層面分析，改變節(jié)流孔孔徑大小是否有助于提高自調(diào)制冷器流量穩(wěn)定性。圖2為節(jié)流孔和閥針結(jié)構(gòu)示意圖，氣流由1斷面流向2斷面。

為簡化計(jì)算，現(xiàn)作兩點(diǎn)假設(shè)：

1）氣流由1斷面流到2斷面的沿程阻力損失忽略不計(jì)；

2）氣流相變發(fā)生在2斷面之后，1-2斷面制冷工質(zhì)保持氣體狀態(tài)。

圖2 節(jié)流孔和閥針結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)通過能量守恒來計(jì)算制冷工質(zhì)流量。由于閥針阻礙導(dǎo)致的局部阻力損失系數(shù)為[7]：

式中：1、2分別為1、2斷面的過流面積。

由能量守恒知：

式中：1為斷面1的全壓；等式右側(cè)第一項(xiàng)為斷面1～2之間的局部壓力損失，為氣流的密度；2為斷面2處的流速；s2為斷面2的靜壓，與外界大氣相通，接近于大氣壓，取值為0；d2為斷面2處的動(dòng)壓，其表達(dá)式為：

流過斷面2的流量為：

＝22(4)

式(2)、(3)、(4)聯(lián)立：

斷面2面積2可用節(jié)流孔孔徑1、閥針進(jìn)入節(jié)流孔的深度、閥針的角度表示：

由流量公式可知，影響流量的主要因素是節(jié)流孔孔徑、閥針進(jìn)入節(jié)流孔的距離、閥針的角度、進(jìn)氣壓力、氣流密度。

本研究通過計(jì)算制冷器流量變化量來評估不同節(jié)流孔孔徑制冷器的流量穩(wěn)定性。對于一種特定的自調(diào)式制冷器，其調(diào)試流量一般都會設(shè)定在某一區(qū)間，計(jì)算中控制不同直徑的制冷器調(diào)試流量均相同，為14.61g/min；設(shè)擾動(dòng)因素會導(dǎo)致閥針進(jìn)入節(jié)流孔中的距離減少0.01mm；制冷工質(zhì)為氮?dú)猓?jié)流前密度為506.25kg/m3；1斷面處的壓力為27MPa，閥針角度為30°，計(jì)算結(jié)果如表1和圖3所示。

表1 節(jié)流孔孔徑對流量穩(wěn)定性影響算例

圖3 流量變化量和節(jié)流孔孔徑的關(guān)系

表1數(shù)據(jù)顯示，在14.61g/min的調(diào)試流量下，擾動(dòng)因素導(dǎo)致閥針進(jìn)入節(jié)流孔的距離減少0.01mm時(shí)，節(jié)流孔孔徑為0.25mm的制冷器流量增加了16.99g/min，而節(jié)流孔孔徑為0.10mm的制冷器流量增加了6.46g/min，小于0.25mm孔徑制冷器10.53g/min；圖3顯示制冷器流量變化量隨節(jié)流孔孔徑增大呈線性增大趨勢；說明節(jié)流孔孔徑越小，制冷器流量越不容易發(fā)生變化，流量穩(wěn)定性越好。

制冷器調(diào)試流量既要滿足制冷量要求，又不能超差，要處于一個(gè)合理的范圍內(nèi)。現(xiàn)分析調(diào)試流量大小對流量穩(wěn)定性的影響。節(jié)流孔孔徑設(shè)定為0.15mm；調(diào)試流量在14.61～23.65g/min之間變化；干擾因素相同，均使得閥針在節(jié)流孔中的距離減少0.01mm；計(jì)算結(jié)果見表2和圖4。

表2 調(diào)試流量對流量穩(wěn)定性影響算例

圖4 流量變化量和調(diào)試流量的關(guān)系

表2數(shù)據(jù)顯示，在14.61g/min的調(diào)試流量下，受擾動(dòng)因素影響，制冷器流量變化量為10.04g/min，當(dāng)調(diào)試流量增大至23.65g/min時(shí)，制冷器流量變化量為9.89g/min，流量變化量減少了0.15g/min；圖4中顯示流量變化量隨調(diào)試流量的增大呈線性減少趨勢。整體來看，調(diào)試流量增加，制冷器的流量變化量會減小，但減小幅度不大，而調(diào)試流量調(diào)的過大，很容易造成制冷器流量超差，增大調(diào)試流量對提高制冷器的流量穩(wěn)定性的作用較為有限。

理論分析表明：減小節(jié)流孔直徑有助于提高制冷器的流量穩(wěn)定性，改變調(diào)試流量對制冷器流量穩(wěn)定性的影響較小。

2 實(shí)驗(yàn)研究

制冷器在受到自身或外界因素變化的影響下，流量會發(fā)生變化。為引入擾動(dòng)因素，實(shí)驗(yàn)中對制冷器進(jìn)行了疲勞測試和振動(dòng)測試。記憶合金彈簧由于其自身材料的特點(diǎn)存在疲勞穩(wěn)定性的問題，其低溫下收縮量不穩(wěn)定會影響閥針進(jìn)入節(jié)流孔的距離，導(dǎo)致制冷器流量的變化，疲勞測試可以反映記憶合金彈簧不穩(wěn)定對制冷器流量穩(wěn)定性的影響；振動(dòng)測試是為了模擬制冷器機(jī)動(dòng)過程中受到的加速度沖擊，制冷器受加速度沖擊后，自調(diào)機(jī)構(gòu)之間的相對位置會發(fā)生一定的變化，從而導(dǎo)致制冷器流量發(fā)生變化。

疲勞測試臺如圖5所示，疲勞測試設(shè)備一端與氣源連接，另一端連有10個(gè)接口，可同時(shí)供10只制冷器測試。用戶在控制臺的可視化界面中輸入工作時(shí)間、停機(jī)時(shí)間及運(yùn)行次數(shù)，程序根據(jù)輸入?yún)?shù)控制氣源的輸送和切斷。測試在恒溫、恒濕的潔凈間中進(jìn)行，溫度為22℃、濕度為46%、凈化等級為10萬級。測試中，通過調(diào)節(jié)減壓閥，將供氣壓力調(diào)節(jié)至29MPa，工作時(shí)間設(shè)為5min，停機(jī)時(shí)間設(shè)為15min，運(yùn)行次數(shù)設(shè)為100次。在工作時(shí)間內(nèi)，程序打開氣源開關(guān)，向制冷器輸送高壓氣體，氣體節(jié)流制冷，記憶合金彈簧被冷卻后收縮；在停機(jī)時(shí)間內(nèi)，程序關(guān)閉氣源開關(guān)，停止向制冷器輸送高壓氣體，制冷器無冷量輸出，記憶合金彈簧逐漸恢復(fù)至原長，在100次的運(yùn)行次數(shù)下，記憶合金彈簧經(jīng)歷100次的疲勞變形。

振動(dòng)測試臺如圖6所示，功能振動(dòng)功率譜密度如圖7所示。試驗(yàn)中，制冷器固定于制冷器裝卡夾具中，振動(dòng)過程中制冷器全程通氣，氣源壓力29MPa。振動(dòng)頻率為20～2000Hz，最大功率譜密度為0.04g2/Hz，總加速度均方根值為7.68g，振動(dòng)方向?yàn)檎駝?dòng)臺軸向，振動(dòng)時(shí)間為10min。

記憶合金自調(diào)式制冷器節(jié)流孔直徑通常在0.10～0.25mm之間。為使對比明顯，應(yīng)選擇直徑跨度較大的節(jié)流孔。考慮到0.10mm附近的節(jié)流孔加工難度大，精度較難保證，因此選擇直徑為0.15mm和0.25mm兩種節(jié)流孔用實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中，0.15mm和0.25mm兩種節(jié)流孔規(guī)格的制冷器各制作9只，由于將制冷器的流量調(diào)至完全相同是非常困難的，實(shí)驗(yàn)中將制冷器在29MPa進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試流量保持在15～18g/min的小區(qū)間變化。對制冷器調(diào)試后、疲勞測試后、振動(dòng)后的流量進(jìn)行測試，測試壓力為29MPa和22MPa，共有6種不同的工況。所用流量計(jì)為質(zhì)量流量計(jì)，如圖8所示。測得的流量數(shù)據(jù)如表3和表4所示。

圖5 疲勞測試實(shí)驗(yàn)臺

圖6 振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)臺

圖7 功能振動(dòng)功率譜密度

(9)

表3 0.15mm節(jié)流孔制冷器流量數(shù)據(jù)

表4 0.25mm節(jié)流孔制冷器流量數(shù)據(jù)

表5 0.15mm/0.25mm孔徑制冷器流量方差

從方差均值來看：0.15mm節(jié)流孔的制冷器在29MPa和22MPa下的流量方差分別為2.6932和3.5335，而0.25mm節(jié)流孔的制冷器在兩種壓力下的方差均值分別為4.8311和8.4192，明顯大于節(jié)流孔直徑為0.15mm的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：0.15mm節(jié)流孔孔徑的制冷器在29MPa和22MPa下的流量方差波動(dòng)均較小，不容易發(fā)生較大的流量變化。

3 結(jié)論

流量穩(wěn)定性是評價(jià)自調(diào)型制冷器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。制冷器流量增大會導(dǎo)致工作時(shí)長縮短，流量減小會導(dǎo)致制冷量不足。本文從理論分析和實(shí)驗(yàn)研究兩種方法出發(fā)，探究了節(jié)流孔孔徑對記憶合金自調(diào)式制冷器的流量穩(wěn)定性的影響。研究表明：在滿足其他使用要求的情況下，節(jié)流孔孔徑設(shè)計(jì)地越小，制冷器的流量穩(wěn)定性越好。本文研究內(nèi)容有助于記憶合金型自調(diào)式制冷器設(shè)計(jì)優(yōu)化。

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Effect of Orifice Size on Flow Stability of Shape Memory Alloy Self-Regulated Cryocoolers

GUO Xiangxiang，HAN Penglei

(North China Research Institute of Electro-Optics, Beijing 100015, China)

The flow stability of shape memory alloy (SMA) self-regulated cryocoolers with different orifice sizes is analyzed via theoretical calculation and experimental study. The theoretical calculation demonstrates that thesmaller the orifice diameter, the more stable is the flow ratewhen the cryocoolers are influenced by the same disturbance factors.The change in flow rate increases linearly with the increase in orifice diameter. In the experimental investigation, two types of SMA self-regulated cryocoolers, equipped with 0.15mm and 0.25mm orifices, respectively, were developed. Fatigue and vibration tests were introduced as disturbance factors. The flow rates of cryocoolers were evaluatedat 29 and 22MPa. The results show that the cryocoolers with a 0.15mm orifice have smaller flow rate variance than those with a 0.25mm orifice. Both the theoretical and experimental results verified that narrowing the diameter of the orifice is conducive to the flow stability of SMA self-regulated cryocoolers.

cryocoolers, shape memory alloy (SMA), orifice, flow rate, stability

TB65

A

1001-8891(2021)06-607-07

2020-09-03；

2020-10-07.

郭祥祥（1992-），男，河南洛陽人，工程師，碩士，主要從事焦耳湯姆遜制冷器研究。E-mail：gxxgxx1234@126.com。