主动式配气系统驱动的低温制冷机理论与实验研究

　　0引言

　　G-M型脉管制冷机是一种在压缩机与脉管之间采用阀门配气的脉管制冷机系统。其较低的工作频率(一般为1}2 Hz)和较大的压比容易实现大制冷量制冷和多级深低温制冷，在低温电子、气体液化、医疗仪器和现代科学技术等领域有重要应用[fll

　　G-M型脉管制冷机的传统配气系统包括压缩机和高低压阀门(旋转阀或电磁阀)。在制冷循环中，一方面，制冷机所需配气量全部由压缩机提供，导致压缩机配气量以及压缩机配气量耗功较大，且在压缩过程中亦产生颇大的不可逆损失;另一方面，在进排气过程中，高低压阀门所承受的较大压差造成了显著的不可逆损失。上述两点使得配气系统运行工况恶化且使用寿命降低，并对制冷机的性能产生消极影响。Ray Radebaugh}2}研究表明压缩机及阀门是造成G-M型脉管制冷机低效率的重要因素。在阀门损失研究方面，朱绍伟等(3]提出主动气库型脉管制冷机。通过在脉管热端加装气库以降低气体进出小孔阀造成的较大不可逆损失，获得了较好的制冷性能。

　　本文从压缩配气量耗功和嫡分析的角度对G-M型脉管制冷机配气系统开展了研究，提出了一种带中间气库的压缩机主动式配气系统[(4]，并开展了初步实验研究。

　　1工作原理

　　对于G-M型脉管制冷机，假定o}s] .

　　(1)制冷系统中的工质氦为理想气体;

　　(2)回热器和换热器的阻力和换热损失不计;

　　(3)连接管路及冷热端换热器的死体积不计;

　　(4)调相气库的压力近似不变;

　　(5)压缩过程为不可逆绝热过程。

　　给定参数:

　　压缩机高压pH，低压pL，脉管体积炸，回热器空体积为VR，脉管和回热器热端温度TH，冷端温度TL，回热器(脉管)对数平均温度T，室温TO，压缩机入口温度T1，压缩机压缩过程终了温度裂，压缩机绝热效率为刀。

　　1.1传统配气系统理论分析

　　1.1.1压缩机配气量及配气量耗功分析

　　一个周期内由压缩机进入制冷机的气体质量，即压缩机的配气量为:

　　压缩机将该部分气体从低压pL在不可逆绝热压缩的条件下压缩至高压pH，所需耗功为:

　　其中，V=VP+VR, Ti, TH均假定为室温。

　　1.1.2配气系统嫡分析

　　传统压缩机配气系统的嫡产分为三部分:压缩过程嫡产△s1，进气过程嫡产△sa，排气过程嫡产△s3。

　　假定压缩机压缩过程为不可逆绝热压缩过程，其嫡产△si为:

　　压缩机进气过程嫡产△s2:

　　进气过程可以看作是节流前压力恒定(高压pH)而节流后压力逐渐增大(从低压pL到高压}H)的过程。则: