5W@80K自由活塞斯特林制冷机工况及重力特性实验研究

　　1 引 言

　　低温技术是为适应尖端技术与工农业生产的发展而迅速发展起来的一门重要学科，小型低温制冷机是低温技术在特殊条件下的重要分支[1-3]。由于航空航天技术、低温技术和超导技术发展的需要，小型低温制冷机技术在最近的 40 年获得了高速发展。自由活塞斯特林制冷机采用间隙密封，板弹簧支撑，直线电机等先进的技术，具有紧凑、高效的特点，在现代科学技术的发展中得到了广泛应用。间隙密封技术利用密封零件之间的径向微小间隙及该间隙在轴向的一定长度来实现密封，与传统的接触润滑密封相比，消除了接触磨损及由其产生的污染，从而提高了制冷机的运行寿命。自由活塞斯特林制冷机采用板弹簧支撑的间隙密封，利用板弹簧的轴向刚度小，径向刚度大来保证活塞与气缸的间隙密封。

　　斯特林制冷机制冷性能包括制冷温度、制冷量、启动时间、不维修时间与可靠性、能量消耗等，由于这些要求与指标对于其应用场合至关重要，因此测试分析斯特林制冷机的性能指标是很有必要的[4]。

　　本文针对某型号小型斯特林制冷机，利用现有脉冲管制冷机性能测试实验台，设计了热端水冷部分，对热负荷和冷端温度计的引线进行了布置，测试了不同线性压缩机驱动的斯特林制冷机的制冷性能，实验研究了充气压力、工作频率及输入功率等参数对制冷机性能的影响规律，确定了斯特林制冷机的最佳运行工况。通过改变冷头方位，实验验证了斯特林制冷机板弹簧支撑对间隙密封的影响。

　　2 实验设备与流程

　　2.1 斯特林制冷机

　　斯特林制冷机工作原理是斯特林逆循环，理论效率为卡诺效率，它利用膨胀腔中的工质气体周期性的压缩和膨胀过程实现制冷。本文所分析的斯特林制冷机为分置式斯特林制冷机，其示意图如图 1。运动部件包括活塞和排出器。工作过程中，压缩活塞由直线电机的驱动，为工质提供压力波，排出器受到来自膨胀腔，气动腔和压缩气体的气体力，以及气动腔板簧的支撑，受迫直线运动，通过膨胀腔工质的压缩膨胀，从而将热量带走，产生制冷效应，整个系统是一个双自由度的谐振系统，能量的输入输出依靠活塞和排出器之间运动相位差来实现.

　　为了解该斯特林制冷机的工作性能及放置角度对其性能的影响，设计了一套实验系统对其进行性能测试。

　　2.2 试验系统介绍

　　试验系统包括产生气体压力波动的压缩机系统、产生冷量的制冷机部分、温度和热负荷的测量采集系统、气体管路系统及真空系统。实验装置连接如图 2所示: 压缩机提供近似于正弦的周期压力波，由排气口 2 送到冷头 9，冷头 9 内部有筒状的排出器，排出器内部装有回热器，同时也是气体的流道，它可以自由的往复运动，于是改变冷头两端的室温腔和冷腔的容积，在压力波的驱动下实现斯特林制冷循环，把冷端的热量泵到热端。冷头的吸热量和由于不可逆功产生的热量由室温端的水冷器带走，设计的水冷器是在一个紫铜块内部切出水冷通道，结构如图 3 所示。