w大冷量斯特林制冷機的實驗

6W大冷量斯特林制冷機的實驗研究摘要：實驗分析了大冷量分置式斯特林制冷機的動力特性和熱力特性，討論了對制冷機性能有重要影響的參數(shù)如固有頻率、工作頻率、相位角、充氣壓力、排出器位移等。樣機采用牛津型斯特林制冷機結(jié)構(gòu)，在93W輸入功率下初步獲得6W/90K的性能。分析實驗結(jié)果得出了一些有意義的結(jié)論，并為大冷量斯特林制冷機的進一步優(yōu)化提供了思路。關(guān)鍵字：大冷量斯特林制冷機動力特性熱力特性0引言大視場、高地面分辨率的空間對地觀測必須采用大規(guī)模超長線列掃描成像或大規(guī)模面陣凝視成像系統(tǒng)，空間制冷技術(shù)是其中關(guān)鍵技術(shù)之一，要解決的問題是長壽命和大冷量。本文針對一種超長線列紅外焦平面成像對空間大冷量制冷機的迫切需求，開展了對6W制冷量、壽命大于30000小時的斯特林制冷機的動力特性和熱力特性的實驗研究。1制冷機結(jié)構(gòu)針對大冷量分置式斯特林制冷機的空間應(yīng)用背景和長壽命高可靠性要求，制冷機的結(jié)構(gòu)形式希望繼承已經(jīng)研制成功的牛津型斯特林制冷機，即采用直線電機驅(qū)動的雙對置式活塞壓縮機，減小壓縮機振動和噪聲；采用間隙密封減小運動副之間的摩擦；采用柔性板彈簧技術(shù)和工藝，解決活塞和氣缸之間的摩擦等等，并通過改進彈簧剛度、電機驅(qū)動、電控箱驅(qū)動以及蓄冷器等來達到獲得大冷量的要求。2實驗內(nèi)容及裝置2.1實驗內(nèi)容采用動態(tài)測量手段進行實時測量，建立整機性能考核實驗臺，對高頻交變流動下氣流壓力、位移等進行動態(tài)測量，并深入研究制冷機性能與工作頻率、相位角、壓比、容積比、冷頭溫度、冷量、壓縮機與膨脹機行程等一系列參數(shù)的關(guān)系，由此來分析實驗樣機的動力特性和熱力特性，確定其最佳運行工況，并為制冷機的進一步改進提供思路。2.2實驗裝置實驗中可以調(diào)節(jié)的參數(shù)為：運行頻率、壓縮機驅(qū)動電壓和偏置、膨脹機驅(qū)動電壓和偏置、壓縮機與膨脹機驅(qū)動電壓之間的相位差?？梢詼y量的參數(shù)為：壓縮機和膨脹機的驅(qū)動電壓、電流和功率，壓縮機和膨脹機行程，壓縮機和膨脹機位移之間的相位差，壓縮機壓力，制冷溫度，制冷量，冷頭真空室的真空度。3實驗結(jié)果及討論3.1動力特性實驗結(jié)果及分析3.1.1壓縮機固有頻率對于壓縮機行程較小并假定活塞位移近似是正弦時，考慮氣體彈簧的影響，壓縮機的固有頻率為[1]：（3-1）式中：——壓縮機的固有頻率；——壓縮腔內(nèi)氣體的平均壓力；——彈簧剛度；所—悉—章動子質(zhì)量呼。辮由秒（經(jīng)3-掘1頑）式可知接壓縮機的弄固有頻率兔受氣體彈外簧力的影覽響較大，瓣不同的充她氣壓力對朵應(yīng)不同的回壓縮機固錦有頻率。榨壓縮活塞險的振動可辛簡化為單而自由度有少阻尼強迫托振動。在恥保證壓縮殖機驅(qū)動電蒸流相同即透保證相同勻的驅(qū)動力桿，壓縮機劇共振時的偉位移最大肚[2]稿。斷圖辜4錫說明在充境氣壓力湖為羞14at薯m燙時壓縮機界的固有頻葵率約崗為乘56H小z捕，而在充逮氣壓力澤為桐16at徑m蝦時固有頻偏率米為綠58H值z勇，充氣壓滾力增大時拉，氣體彈目簧影響增害大，壓縮塊機固有頻自率提高。繁圖部5累反映了充趴氣壓力耗為踏16at桐m廊即壓縮機你固有頻率廟為島58H牽z煌時工作頻澇率對功率球因數(shù)和電品機效率的邊影響。工察作頻率在島靠近壓縮飯機固有頻店率時刻達寬到較高的遺功率因數(shù)辨和電機效毒率，且當(dāng)妖工作頻率族約等于固耐有頻率系益統(tǒng)發(fā)生共用振時達到片最大。因圍此，理論鞏上應(yīng)使熱佩力性能的織最佳工作敲頻率與壓白縮機的固吉有頻率盡狹量相等，巨但實際上探由雕（仁3-況1輔）式可知健壓縮機的古固有頻率果受到動子天質(zhì)量、板退彈簧剛度該、活塞面吉積、充氣群壓力等多轟種因素的恨影響，很建難與熱力逝性能的最喝佳頻率重桌合。所以平實際動力蹈設(shè)計時，龜使兩者盡鏟量靠忌近陷,默獲得較高失的制冷效遵率，在不口影響壓縮虛機掃氣容友積的前提派下，減少雙系統(tǒng)所需衣的驅(qū)動電射流，從而端減少壓縮申機的體積憑、重量、辜功耗等等中。拆圖草4志夫不同充氣溉壓力下的難固有頻率切圖折5距至功率因數(shù)詠、電機效虜率與頻率躍的關(guān)系蓮3.1.累2繩蔬膨脹機固脫有頻率及視膨脹機位佩移超前壓礦縮機位移深的最佳相再位差僻由于壓縮聯(lián)機系統(tǒng)處有于速度共抹振拔,桿力與位移屋間相位角教為挺9弊0這度。因此址膨脹機位跪移超前壓銳縮機位移縣的最佳相賀位庫角減φ飲值主要取私?jīng)Q于工作顏頻率與膨花脹機固有憲頻率之比啦和排出器岔運動阻尼軍。排出器碼運動阻尼樹是一個運伸行參擊數(shù)帳,泛不可能通辦過模型實稍驗直接測踐得各[3]較,市故本實驗引不做詳細遼分析。膨陽脹機固有墊頻率可由翅（識3-限2籮）式直接哪給出，其冠受充氣壓面力的影響堪不大雜[4]怎。液勵（柱3-瘋2滿）燙式中災(zāi)：好—丈—劍膨脹機固讓有頻率；蟻—帖—密彈簧剛度您；番—攔—游排出器動寨子質(zhì)量。賞因此，在駱保證冷腔嫩工作容積粗不變的條上件貧下秩原,朱通過改變討推移活塞謙質(zhì)量、彈傷簧剛度來佩改變固有河頻噴率辯,劉實現(xiàn)怕了攝φ偽值的變瘋化早,刑并通過冷探量與溫度逗測試系統(tǒng)敗測出了系刊統(tǒng)穩(wěn)定輸頭出最佳冷沒量值時需的思φ查值。文錫獻做[5遲]乖指出理論宮上未考慮似連接管影擠響時雙驅(qū)沈動分置式叔斯特林制斧冷機的最菜優(yōu)相位角穗為遞90道°叉，熱力效歡率泥CO包P穗與相位角團無關(guān)，實瞇際上牛津誕型斯特林失制冷機的令最優(yōu)相位饅角實驗結(jié)炭果殿為茶80陷°僻左右嘴[5]屢。但事實令上，最優(yōu)重相覆位角還和享制冷溫度缺有關(guān)系。巡隨制冷溫葉度的降低舟，最優(yōu)相驕位角減小盈，當(dāng)制冷桐溫度鉆為還60-1丹20雜K科時，最優(yōu)牌相位角商在去60住°搭到捐90飄°愚之間。制奴冷溫度墻在哲90臭K英溫區(qū)左右口的最優(yōu)相強位角辣為糟80疑°氣左右。扒3.2祥郵熱力特性恢實驗結(jié)果季及分析篇3.2.吳1浴邪充氣壓力妨及膨脹機稀位移楚理論制冷誘量可由下零式表示：瞧（互3-珍3江）積式中您：雨—廉—捆理論制冷絡(luò)量；矩—梳—越工作頻率版；混—嫂—固冷腔壓力繼；淡、峰—般—嶼排出器的肯截面積和勇行程。飼由式照（汪3-曾3給）可以看銀出，理論孫制冷量與紙工作頻率抓、壓力、享行程、排初出器截面要積、壓力箏與位移之圣間的相位尾角等關(guān)系證密切，有戀效冷量為傍理論制冷區(qū)量減去各源種不可逆辮損失。相舍位角的影窯響前已分餐析，對同撤一臺制冷限機排出器豬截面積不賊變，故以辰下僅闡述錘工作頻率遭、充氣壓停力、膨脹希機行程對缸制冷機性合能的影響民。裳充氣壓力塞和工作頻展率是制冷評機熱動力功特性相互雄影響相互梨耦合的關(guān)交鍵參數(shù)。案兩者對熱依力特性參攻數(shù)（如冷桶量、比卡秩諾循環(huán)效收率）和動橫力特性參慘數(shù)（如電扶機效率）撲的影響。況在低充氣導(dǎo)壓力街（泳13at畫m末）時，雖湖然電機效蓄率較高均謀超原過漸70淋%塌，但不能尾滿足冷量墻要求，比獵卡諾循環(huán)寇效率也較嗎低。在較劃高充氣壓休力慎（衛(wèi)19at沾m猶）時，冷福量和比卡蹈諾循環(huán)效蛾率較高，掘但電機效矛率均低感于已70注%穩(wěn)，也不足朗取。在充閣氣壓力孤為鋤16at陶m六時，既可稍滿足冷量茫要求，又燕可獲得較鋤高的比卡吉諾循環(huán)效繭率和電機撈效率，較嶺為合適。令工作頻率貧選貓在刊55H摩z傷時比其他奪兩個頻率猛好，原因喘在動力特倍性實驗中拿已經(jīng)給出只。撫合適的膨詳脹機行程規(guī)應(yīng)同時滿厚足吊：扁a鳥.蘭保證一定茄的安全余邪量張；稿b知.野保證目標(biāo)間冷量的前妻提下獲得桿相對高的鳳比卡諾循侵環(huán)效率。腳以保證環(huán)合境溫度的豬少量變化單帶來的膨遍脹機行程明的稍微增叨加不會使迷制冷機效嘆率明顯惡犬化。其他禿運行參數(shù)憶不變的情堵況下制冷添量鉤為幫6飽W恒、相位角敞分別僻為蛾74珠°目和貴84央°找時，膨脹對機位移率姨對制冷溫階度和比卡股諾循環(huán)效撞率的影響溉。同樣的望熱負載下技，膨脹機荒位移越大重，制冷溫益度越低，策而比卡諾攜循環(huán)效率秀反而稍微出增大。由刷此膨脹機讀位移率可問選擇剩在志88餅%占以上。荷3.2.推2洪唱最佳工況小運行參數(shù)征通過對樣棋機的動力扣特性和熱貓力特性進記行詳盡的軍實驗和分駱析，可以誓得出樣機貨在取愉得摧6婆W掩制冷量的佳最佳工況隱時的運行皆參數(shù)（如展表局1愿所示）。姜表痰1演燃樣機最佳蹈工況運行舞參蜻數(shù)蔑方環(huán)境溫度薄2常4果℃遭相位角霉80°桌充氣壓力捕16at噸m閉制冷量椅6W@9看0K恐工作頻率壞58Hz房功邁耗司(旬不含電舟控樓)猶93W4結(jié)論源通過對樣日機的熱動澡力特性的限實驗研究遞，可以得物出牛津型燕斯特林制也冷機熱動華力設(shè)計的瘡一般思路澡：愁（雖1紛）在保證揚達到冷量溜要求和熱求力效率最企優(yōu)的前提伯下，通過講熱力特性核實驗確定查充氣壓力疑和工作頻羽率；冠（沫2艇）通過動慚力實驗使蒼得工作頻聾率盡量與強壓縮機固賴有頻率一總致，可有勒效提高電玩機效率，蹲從而減少涌壓縮機的趨功耗、體網(wǎng)積、重量鼻等等。委（奇3誰）駛90蹦K鴨溫區(qū)左右焦牛津型斯仗特林制冷狀機的最優(yōu)氣相位角懇在育80蹦°睜左右。通筐過改變膨腳脹機彈簧廊剛度來使板固有頻率柏靠近工作按頻率，改蓮善系統(tǒng)的抖相位特性檢，從而增亞強系統(tǒng)的斑可控性和截可靠性。參考文獻門[1]倉S.J.溝Par災(zāi)k,A磨nex襲peri巖ment時als魂tudy齒on柿the英phas酸eshi凳ftb樣etwe湊enp是isto宅nan歷ddi掙spla睬cer腔int跟heS索tirl伸ing拖cryo綱cool眼e轉(zhuǎn)r容，棍cryo并cool詠ers糟1萌2琴，持200撓3易，蛋pp.9叼5-10松1.啄[2]懂合劉冬毓猜，疲80K2面W神斯特林制輕冷機的實甲驗研究，危第六屆全展國低溫與完制冷工程加大會會議斷論文，西透安交通大告學(xué)出版社鈔，氣2003才.攤[3]端室向宇，分沾置式斯特霧林制冷機剩排出器運善動阻尼的層在線辨識摩，低溫工棗程氧，賣199它8程年終第盒2尤期節(jié)，深pp22莊-27.盤[4]葬附邊紹雄，稠低溫制冷征機，北京伐：機械工男業(yè)出版社浩，顯1991燥.召[5]葡A