5 W@80 K自由活塞斯特林制冷機(jī)工況及重力特性實驗研究

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，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、啟動時間、不維修時間與可靠性、能量消耗等，由于這些要求與指標(biāo)對于其應(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］。

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

2 實驗設(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。運動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，為工質(zhì)提供壓力波，排出器受到來自膨脹腔，氣動腔和壓縮氣體的氣體力，以及氣動腔板簧的支撐，受迫直線運動，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)，整個系統(tǒng)是一個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動相位差來實現(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其性能的影響，設(shè)計了一套實驗系統(tǒng)對其進(jìn)行性能測試。

2.2 試驗系統(tǒng)介紹

試驗系統(tǒng)包括產(chǎn)生氣體壓力波動的壓縮機(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)。實驗裝置連接如圖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也是氣體的流道，它可以自由的往復(fù)運動，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)動下實現(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)計的水冷器是在一個紫銅塊內(nèi)部切出水冷通道，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 實驗原理圖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脛尤κ骄€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測量。測量時采用雙引線電位法，溫度計的電壓端接入數(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。實驗過程中，首先需要對系統(tǒng)檢漏，將閥門1、2、3、7、8開啟，充入一定壓力的氣體，在接頭和焊點刷肥皂水，觀察氣泡。當(dāng)管路不存在漏氣的情況下，對系統(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。然后再對管路充入工作壓力下的氣體。運行過程中，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 試驗臺氣體管路Fig.4 Schematic diagram of experimental gas pipeline

3 實驗結(jié)果處理和分析

3.1 工作頻率對制冷性能影響

實驗中壓縮機(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。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。實驗結(jié)果如圖6所示。壓縮機(jī)功率200 W時，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實驗系統(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種壓力下分別對應(yīng)46，42，40 Hz，最佳工作頻率對應(yīng)的最低制冷溫度也呈下降趨勢，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時的系統(tǒng)性能優(yōu)于壓力為2.5 MPa時的系統(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，曲線斜率變小。

實驗中發(fā)現(xiàn)在壓縮機(jī)輸入功率一定時，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，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平面內(nèi)，當(dāng)制冷機(jī)冷頭的布置方向不同時，重力便會施加在蓄冷器上，改變膨脹腔和室溫腔的體積比，或者蓄冷器的中心位置。為研究重力對制冷機(jī)性能的影響，實驗中改變制冷機(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，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，負(fù)載對制冷機(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，由于重力影響，排出器平衡位置向冷端移動，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，則由于排出器平衡位置向熱端移動，膨脹腔余隙增加，制冷性能會低于冷頭向下的情況。冷頭方向水平時性能介于兩者之間。實驗結(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，對于本實驗制冷機(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，由于重力作用密封間隙的均勻性會發(fā)生變化，從而影響制冷性能。但實驗結(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，不會因為重力而發(fā)生變化。

圖10 水平位置不同方位對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)通過對不同工況:改變充氣壓力和頻率等對制冷機(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，不會因為重力而發(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，李姍姍，劉冬毓，等.35K雙級斯特林制冷機(jī)性能實驗［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.