微型同轴脉管制冷机最低制冷温度影响因素的实验的研究.pdfVIP

微型同轴脉管制冷机最低制冷温度影响因素的实验的研究.pdf

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中国工程热物理学会 I-程热力学与能源利用 学术会议论文 编号:031104 微型同轴脉管制冷机最低制冷温度 影响因素的实验研究 黄鹏波丁文静刘迎文何雅玲陶文铨 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安.710049 Tel:029.266385l;Eraaih Widing@mailst.xjtu.edu.cn ■要:本文通过实验分析了混合工质配比、压缩机转速、系统平均压力对微型同轴脉管制冷机最低制 冷温度的影响.结果表明,在其他运行参数不变的情况下,随着氢浓度的逐渐减少,最低制冷温度也 逐渐降低,当氢的摩尔浓度小于20%时,其最低制冷温度和纯氮相差不大;以纯氨、纯氢为工质,该 脉管制冷机的最佳运转频率为16.7Hz;随着系统平均压力的提高,最低制冷温度也随之下降,但变化 幅度越来越小. 关蕾词:脉管制冷机,混合工质.最低制冷温度,最佳频率,充气压力 1前言 脉管制冷机冷端没有运动部件,具有结构简单,冷头振动小、可靠性高等优点,其 作为红外探测器和高温超导器件的低温冷源具有相当的优越性“’。自脉管制冷机发明以 来.它先后经历了小孔型、双向进气型和多路旁通等重大的改进,现在脉管制冷机的研 究业已取得突破性进展,单级脉管制冷机的最低温度达20K以下口j,多级脉管已达液氦 温区p】,脉管制冷机的应用潜力和开发前景十分乐观。为了达到实际应用的目的,各国 学者纷纷展开了研究,各种各样的脉管结构应运而生。到目前为止,脉管的结构形式主 要有直线形、U形、同轴三种布置方式。直线型由于最低制冷温度位于装置的中央,气 库和压力波发生器分别位于两端,在实际应用中很不方便;U形结构将气库和压力波发 生器布设在同一端,脉管和蓄冷器平行布置且用一根u型管道连接,但其占用的空间较 大,与之相配合的真空外壳也相应的扩大,导致结构不紧凑,同时也降低了实用性。同 轴脉管制冷机则克服了以上两种方案的不足,将脉管和蓄冷器同心布置,可以把脉管本 体布设在内部中心位置上,蓄冷器布置在其外围,形成同心环式结构,也可以将蓄冷器 布设在内部中心位置,脉管在外围【Ij。微型同轴布置的脉管制冷机结构紧凑,实用性强。 然而,脉管制冷机的制冷系数仍然很低(远低于斯特林制冷机的),为了提高脉管 制冷机的制冷系数,许多学者通过改变脉管的结构参数、应用新型的蓄冷材料、研制高 效的压力波发生器等方法来实现。本文旨在探讨制冷机中工质的物性、压缩机的频率、 系统的充气压力等因素对脉管制冷机性能的影响。 1998年,印度Patward和Bapat等对一台6~6.51I/h斯特林液氮机的分析计算表明, 采用氮气和氢气的混合工质,其性能可能提高10%以上[Sl。1999年浙江大学陈国邦教授 领导的研究小组,首次采用氢氨混合工质对脉管制冷机进行了实验研究,实验结果表明: 基金项目: 图家973重点基础研究发展规划资助项目(NoG2000026303)和国家自然科学基金资 助项目(No 在其他运行参数不变的条件下,采用氢氨二元混台工质可以提高脉管制冷机在80K温区 2001年,西 的制冷量,当氢气的浓度为20%0时,其制冷量比纯氮提高了约10%9‘710 安交大”1对一台小孔型脉管制冷机进行了数值模拟分析。分析表明,脉管制冷机的性能 与其工质的熟物性有很大关系,通过调节混合工质的配比.改变工质的物性,使其在混 合工质最佳配比下工作,能显著提高脉管制冷机的制冷量和制冷系数。 最近我们在理论和实验方面,对影响微型同轴脉管制冷机最低制冷温度的因素做了 进一步的研究。首先搭建了混合工质微型同轴脉管制冷实验台,随后进行了一系列的研 究实验。作为实验结果的一部分,本文将重点介绍氢氮二元混合工质应用于微型同轴脉 管制冷机的实验结果,分析了工质、压缩机的频率、系统的充气压力对微型同轴脉管制 冷机最低制冷温度的影响。 2实验装置 实验装置系统示意图如图1所示。它由真空机组、混合工质配气系统、开启式无油 润滑压缩机、微型同轴脉管制冷机以及测量系统所组成。其中,真空系统是由南光

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