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；——動子質(zhì)量。望由謙（牧3-厚1捏）式可知壓縮走機(jī)的固有頻率堂受氣體彈簧力圓的影響較大，辣不同的充氣壓攔力對應(yīng)不同的股壓縮機(jī)固有頻貝率。壓縮活塞折的振動可簡化棒為單自由度有啊阻尼強(qiáng)迫振動裝。在保證壓縮煤機(jī)驅(qū)動電流相嚇同即保證相同際的驅(qū)動力，壓劍縮機(jī)共振時的右位移最大件[2]六。珠圖止4屬說明在充氣壓溫力零為楊14at掏m擇時壓縮機(jī)的固嘗有頻率約趙為湖56H續(xù)z魂，而在充氣壓累力高為禾16at咳m醋時固有頻率典為騰58H嗽z璃，充氣壓力增貨大時，氣體彈椅簧影響增大，赤壓縮機(jī)固有頻確率提高。貪圖覽5露反映了充氣壓亂力釀為勻16at保m梢即壓縮機(jī)固有東頻率犯為寬58H票z涂時工作頻率對僻功率因數(shù)和電猾機(jī)效率的影響噸。工作頻率在識靠近壓縮機(jī)固潑有頻率時刻達(dá)蠢到較高的功率嚼因數(shù)和電機(jī)效狐率，且當(dāng)工作運(yùn)頻率約等于固釣有頻率系統(tǒng)發(fā)吐生共振時達(dá)到柔最大。因此，屈理論上應(yīng)使熱圾力性能的最佳悄工作頻率與壓滲縮機(jī)的固有頻涼率盡量相等，西但實際上由盾（潔3-帝1陽）式可知壓縮脈機(jī)的固有頻率逝受到動子質(zhì)量超、板彈簧剛度塌、活塞面積、焰充氣壓力等多隆種因素的影響盯，很難與熱力酸性能的最佳頻干率重合。所以極實際動力設(shè)計什時，使兩者盡僑量靠響近退,冤獲得較高的制晝冷效率，在不膽影響壓縮機(jī)掃汪氣容積的前提婆下，減少系統(tǒng)紗所需的驅(qū)動電晉流，從而減少磨壓縮機(jī)的體積哲、重量、功耗夫等等?；輬D屑4棉胃不同充氣壓力均下的固有頻率奇圖賣5演貪功率因數(shù)、電需機(jī)效率與頻率歲的關(guān)系著騾產(chǎn)膨脹機(jī)固有頻擠率及膨脹機(jī)位弟移超前壓縮機(jī)館位移的最佳相零位差少由于壓縮機(jī)系冤統(tǒng)處于速度共輔振節(jié),唉力與位移間相隱位角慮為罰9悉0脆度。因此膨脹少機(jī)位移超前壓秀縮機(jī)位移的最拐佳相位觀角查φ仍值主要取決于械工作頻率與膨庫脹機(jī)固有頻率郊之比和排出器教運(yùn)動阻尼。排預(yù)出器運(yùn)動阻尼出是一個運(yùn)行參冒數(shù)瘡,友不可能通過模攜型實驗直接測居得違[3]收,捎故本實驗不做刪詳細(xì)分析。膨倘脹機(jī)固有頻率行可由胸（寇3-才2只）式直接給出沾，其受充氣壓笑力的影響不大糖[4]郵。矮（3-2）同式中援：袖—搭—謀膨脹機(jī)固有頻音率；組—紗—害彈簧剛度；愛—覽—宰排出器動子質(zhì)房量。厘因此，在保證嚼冷腔工作容積烈不變的條件茶下四縮,烈通過改變推移授活塞質(zhì)量、彈伍簧剛度來改變喚固有頻繳率拜,蓮實現(xiàn)貫了懼φ鈔值的變批化本,詳并通過冷量與潤溫度測試系統(tǒng)情測出了系統(tǒng)穩(wěn)早定輸出最佳冷紫量值時斜的橡φ皺值。文烏獻(xiàn)屋[5諸]屢指出理論上未相考慮連接管影產(chǎn)響時雙驅(qū)動分閱置式斯特林制今冷機(jī)的最優(yōu)相經(jīng)位角穩(wěn)為豐90產(chǎn)°謙，熱力效壞率罰CO托P家與相位角無關(guān)暢，實際上牛津谷型斯特林制冷爭機(jī)的最優(yōu)相位止角實驗結(jié)果床為冊80伏°供左右富[5]遙。但事實上，韻最優(yōu)相遺位角還和制冷慈溫度有關(guān)系。蠟隨制冷溫度的稱降低，最優(yōu)相逢位角減小，當(dāng)敲制冷溫度遷為舊60-120鋤K儲時，最優(yōu)相位黎角嗚在扇60秧°甜到隙90瓶°格之間。制冷溫撇度納在既90祝K片溫區(qū)左右的最梨優(yōu)相位角板為檔80耕°壽左右。采3.2唱吩熱力特性實驗宿結(jié)果及分析花墾竿充氣壓力及膨逆脹機(jī)位移聲理論制冷量可券由下式表示：（3-3）尊式中憑：獎—素—扁理論制冷量；潛—握—輝工作頻率；霸—色—洽冷腔壓力；控、攜—收—竹排出器的截面鴉積和行程。環(huán)由式肉（琴3-納3旁）可以看出，牛理論制冷量與持工作頻率、壓近力、行程、排亦出器截面積、形壓力與位移之媽間的相位角等覆關(guān)系密切，有控效冷量為理論職制冷量減去各圈種不可逆損失法。相位角的影爆響前已分析，排對同一臺制冷量機(jī)排出器截面再積不變，故以俗下僅闡述工作祖頻率、充氣壓訓(xùn)力、膨脹機(jī)行蹤程對制冷機(jī)性燃能的影響。將充氣壓力和工買作頻率是制冷芳機(jī)熱動力特性左相互影響相互述耦合的關(guān)鍵參疑數(shù)。兩者對熱毯力特性參數(shù)（希如冷量、比卡云諾循環(huán)效率）覺和動力特性參拆數(shù)（如電機(jī)效丘率）的影響。氧在低充氣壓力貴（粥13at優(yōu)m好）時，雖然電縱機(jī)效率較高均崖超孝過蹄70左%弓，但不能滿足杜冷量要求，比踩卡諾循環(huán)效率設(shè)也較低。在較劇高充氣壓力斤（集19at頸m腹）時，冷量和懷比卡諾循環(huán)效輝率較高，但電默機(jī)效率均低竊于辛70另%葉，也不足取。孟在充氣壓力彼為滑16at煮m怪時，既可滿足彩冷量要求，又塘可獲得較高的刑比卡諾循環(huán)效套率和電機(jī)效率餅，較為合適。遍工作頻率選炸在獄55H用z弟時比其他兩個砌頻率好，原因番在動力特性實丑驗中已經(jīng)給出峽。聲合適的膨脹機(jī)伯行程應(yīng)同時滿訪足覽：堆a(bǔ)道.票保證一定的安籮全余量扶；戀b公.按保證目標(biāo)冷量某的前提下獲得它相對高的比卡移諾循環(huán)效率。誘以保證環(huán)境溫芒度的少量變化勇帶來的膨脹機(jī)等行程的稍微增寸加不會使制冷籌機(jī)效率明顯惡搬化。其他運(yùn)行清參數(shù)不變的情束況下制冷量費(fèi)為鹿6肯W潛、相位角分別匙為圖74巧°珍和鼻84錫°邊時，膨脹機(jī)位誼移率對制冷溫筍度和比卡諾循踐環(huán)效率的影響雨。同樣的熱負(fù)唯載下，膨脹機(jī)艙位移越大，制伙冷溫度越低，放而比卡諾循環(huán)謙效率反而稍微踐增大。由此膨鏟脹機(jī)位移率可宿選擇約在耀88弱%隙以上。薦超改最佳工況運(yùn)行論參數(shù)甘通過對樣機(jī)的展動力特性和熱惠力特性進(jìn)行詳滿盡的實驗和分健析，可以得出應(yīng)樣機(jī)在取扁得閃6絞W份制冷量的最佳也工況時的運(yùn)行搬參數(shù)（如歷表慰1罵所示）。喬表終1脅品樣機(jī)最佳工況織運(yùn)行參川數(shù)踏憲環(huán)境溫度爆2逼4咱℃秩相位角孝80°棋充氣壓力燃16atm談制冷量蜂6W@90K校工作頻率熱58Hz妙功筆耗弊(課不含電峽控養(yǎng))掛93W4結(jié)論嘩通過對樣機(jī)的仇熱動力特性的申實驗研究，可文以得出牛津型親斯特林制冷機(jī)肚熱動力設(shè)計的葛一般思路：吼（培1恥）在保證達(dá)到料冷量要求和熱禮力效率最優(yōu)的介前提下，通過堂熱力特性實驗萍確定充氣壓力腦和工作頻率；妙（掃2遺）通過動力實煌驗使得工作頻腐率盡量與壓縮卡機(jī)固有頻率一益致，可有效提袍高電機(jī)效率，澆從而減少壓縮貼機(jī)的功耗、體弟積、重量等等組。肚（牲3扎）繼90搏K需溫區(qū)左右牛津哥型斯特林制冷慕機(jī)的最優(yōu)相位倦角親在申80膛°茅左右。通過改婚變膨脹機(jī)彈簧農(nóng)剛度來使固有攔頻率靠近工作衛(wèi)頻率，改善系往統(tǒng)的相位特性釋，從而增強(qiáng)系緒統(tǒng)的可控性和壩可靠性。參考文獻(xiàn)斯[1]S.均J.Par目k,An乒experi孔mental寄study截onth熟ephas級eshift殃betwe酷enpis魄tonan肢ddisp拍lacer仙inthe被錫Stirli遮ng寶cryoc沖oole酷r忘，喬cryoco逗olers那1協(xié)2看，滾200塞3迅，干pp.95-隆101.指[2]啊蛙劉冬毓鵝，深80K2泰W勸斯特林制冷機(jī)滋的實驗研究，對第六屆全國低畏溫與制冷工程頌大會會議論文嬸，西安交通大柳學(xué)出版社岡，戀2003.胖[3]牛丙向宇，分置式望斯特林制冷機(jī)翼排出器運(yùn)動阻演尼的在線辨識驟，低溫工程染，窩199碼8穴年瞇第速2污期升，潤pp22-2侮7.軍[4]財負(fù)邊紹雄，低溫蝴制冷機(jī)，北京此：機(jī)械工業(yè)出判版社胞，漆1991.阿[5]