高频单级脉冲管制冷机的直流控制的研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 第十一届学术会}义 编号：051117 高频单级脉冲管制冷机的直流控制研究 王国平h2梁惊涛1靖葳1杨鲁伟1蔡京辉1 (1．中国科学院理化技术研究所，北京，100080) (2．中国科学院研究生院，北京，i00039) Tel：010 Email：iliang@c1．cryo．ac．ci3 摘要：开展了40K以下温区高频单级脉冲管制冷机的实验研究，考察了双向进气对制冷机性能的 影响。采用双阀结构对直流分量进行控制的情况下，获得j-33K的最低制冷温度，当压缩机输入电功 应用要求。 关键词：高频脉冲管制冷机：40K以下温区：双向进气：直流控制 1引言 空间红外技术和超导技术的发展对低温制冷技术提出了新的要求，即振动小，电磁 兼容性好、寿命长、可靠性高、使用方便等。脉冲管制冷机低温端无机械运动部件，具 有机械振动小、电磁干扰小、寿命长、结构简单、可靠性高等优点。它可以与各种器件 配合形成小型特种仪器。’1采用线性压缩机驱动的高频斯特林型脉冲管制冷机效率高，可 靠性好，适用于40—80K温区的红外器件和高温超导器件的应用要求川，其性能已达到或 接近斯特林制冷机的平均水平，实用化的基础已经具备【2．31。 2直流现象和直流控制 自从朱绍伟提出双向进气方案14J以来，脉冲管制冷机的性能得到了很大程度的提高， 但同时也引发了一些新的问题，例如直流现象。本文所讨论的直流是宏观直流，是指一 周期内进出制冷机回热器，脉冲管和双向进气阀所组成的封闭环形通道各截面的气体工 质质量流量不相等，有朝一个方向的净流量，而形成稳定的环流。Gedeon研究指出： 即使直流分量只占交变流动的很小比例，它所引起的寄生热流却与脉冲管制冷机的理论 制冷量处于同一数量级【5】。这些从热端流向冷端的附加热流，不仅增加了冷端的损失， 还使回热器和脉冲管内的温度分布偏离线性，降低了回热器的效率。据估算，当直流分 量的大小为10。(g／s)，且冷端温度在100K以下时，该损失超过1W16J。 因此直流的控制和调节对于提高脉冲管制冷机的性能十分重要。消除和控制直流的 方法很多，主要有以下几种：(1)切断双向进气回路，采用其他调相方法，可以采用惯 性管、四阀、主动气库等调相机构，改善制冷机性能。这些方法的共同缺点是结构复杂， 不利于调节，无法发挥双向进气具有的改善回热器性能和提高脉冲管内压比的优点。(2) 采用非对称阻力元件调节双向进气，CharlestTl认为非对称阻力元件的使用可以抑制低频 脉冲管制冷机中直流的产生，周远等人在高频脉冲管制冷机中采用了非对称喷嘴【引，抑 制了制冷机中的固有直流，但是这种方法存在一个缺点就是不能调节，难以将阻力元件 的调相和抑制真流作用进行最佳的匹配。(3)周远提出的多路旁通方案[91有利于抑制直 624 流，在单级脉管中获得了24K的低温。陈国邦等采用双小孔法11o】纠正了直流造成的脉 人采用两个阀门串联和并联的组合方式【ll’12．131，在单级脉冲管制冷机中实验，都取得 了很好的效果。针对斯特林型高频脉冲管制冷机体积小的特点，我们自行研制了一种双 向进气阀，采用并联和串联方式，用以进行调相和直流控制，获得了预期的效果。 3实验装置介绍 图l为制冷机的结构示意图，．这是一台带双向进气的高频单级脉冲管制冷机。回热 器和脉冲管均为薄壁不锈钢管。气库体积为200mm3，脉冲管冷端换热器为紫铜块，热 端换热器为铝板，采用水冷却方式。回热器填400目不锈钢丝网。热端调相机构为小孔 阀+双向进气阀+惯性管，小孔阀为高精度可调针阀，双向进气阀自制，惯性管为内径①2 的紫铜管。压缩机扫气容积为10cc。制冷温度测量采用经标定的Pt．100铂电阻温度计。 压力测量采用压电陶瓷压力传感器。制冷量采用热平衡法测量。 图1 制冷机结构示意图 l线牲压缩机2热端换热器3回热器4冷端换热器 图2 双向迸气阀门结构示意图 5脉冲管6双向进气阀7小孔阀9惯性管10气库 4双向进气阻力元