w大冷量斯特林制冷機(jī)的實驗

6W大冷量斯特林制冷機(jī)的實驗研究摘要：實驗分析了大冷量分置式斯特林制冷機(jī)的動力特性和熱力特性，討論了對制冷機(jī)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(jī)采用牛津型斯特林制冷機(jī)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(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了思路。關(guān)鍵字：大冷量斯特林制冷機(jī)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(jī)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(jī)的動力特性和熱力特性的實驗研究。1制冷機(jī)結(jié)構(gòu)針對大冷量分置式斯特林制冷機(jī)的空間應(yīng)用背景和長壽命高可靠性要求，制冷機(jī)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(jī)，即采用直線電機(jī)驅(qū)動的雙對置式活塞壓縮機(jī)，減小壓縮機(jī)振動和噪聲；采用間隙密封減小運(yùn)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(jìn)彈簧剛度、電機(jī)驅(qū)動、電控箱驅(qū)動以及蓄冷器等來達(dá)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(jìn)行實時測量，建立整機(jī)性能考核實驗臺，對高頻交變流動下氣流壓力、位移等進(jìn)行動態(tài)測量，并深入研究制冷機(jī)性能與工作頻率、相位角、壓比、容積比、冷頭溫度、冷量、壓縮機(jī)與膨脹機(jī)行程等一系列參數(shù)的關(guān)系，由此來分析實驗樣機(jī)的動力特性和熱力特性，確定其最佳運(yùn)行工況，并為制冷機(jī)的進(jìn)一步改進(jìn)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(yùn)行頻率、壓縮機(jī)驅(qū)動電壓和偏置、膨脹機(jī)驅(qū)動電壓和偏置、壓縮機(jī)與膨脹機(jī)驅(qū)動電壓之間的相位差?？梢詼y量的參數(shù)為：壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的驅(qū)動電壓、電流和功率，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)行程，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)位移之間的相位差，壓縮機(jī)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(jī)固有頻率對于壓縮機(jī)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(jī)的固有頻率為[1]：（3-1）式中：——壓縮機(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)迫托振動。在恥保證壓縮殖機(jī)驅(qū)動電蒸流相同即透保證相同勻的驅(qū)動力桿，壓縮機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)效率的邊影響。工察作頻率在島靠近壓縮飯機(jī)固有頻店率時刻達(dá)寬到較高的遺功率因數(shù)辨和電機(jī)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(dá)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)效虜率與頻率躍的關(guān)系蓮3.1.累2繩蔬膨脹機(jī)固脫有頻率及視膨脹機(jī)位佩移超前壓礦縮機(jī)位移深的最佳相再位差僻由于壓縮聯(lián)機(jī)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(jī)位跪移超前壓銳縮機(jī)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(jī)固有憲頻率之比啦和排出器岔運(yùn)動阻尼軍。排出器碼運(yùn)動阻尼樹是一個運(yùn)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(xì)遼分析。膨陽脹機(jī)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(jī)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(xiàn)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(jī)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(tuán)無關(guān)，實瞇際上牛津誕型斯特林失制冷機(jī)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)行程對缸制冷機(jī)性合能的影響民。裳充氣壓力塞和工作頻展率是制冷評機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)行程明的稍微增叨加不會使迷制冷機(jī)效嘆率明顯惡犬化。其他禿運(yùn)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(jī)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(fù)載下技，膨脹機(jī)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(jī)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(yùn)行參數(shù)征通過對樣棋機(jī)的動力扣特性和熱貓力特性進(jìn)記行詳盡的軍實驗和分駱析，可以誓得出樣機(jī)貨在取愉得摧6婆W掩制冷量的佳最佳工況隱時的運(yùn)行皆參數(shù)（如展表局1愿所示）。姜表痰1演燃樣機(jī)最佳蹈工況運(yùn)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(jī)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(jī)熱動華力設(shè)計的瘡一般思路澡：愁（雖1紛）在保證揚(yáng)達(dá)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(qiáng)壓縮機(jī)固賴有頻率一總致，可有勒效提高電玩機(jī)效率，蹲從而減少涌壓縮機(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)系統(tǒng)的斑可控性和截可靠性。參考文獻(xiàn)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(jī)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(jī)剩排出器運(yùn)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(jī)，北京伐：機(jī)械工男業(yè)出版社浩，顯1991燥.召[5]葡A