双向进气对于G-M型单级脉冲管制冷机性能影响的实验研究

　　1 前言

　　在医疗器械、红外探测、航空航天、信息、电子等领域,脉管制冷机以其冷端振动小,无运动部件,运行可靠、稳定性高、结构简单等优势得到广泛的应用。近年来,脉管制冷机已经成为低温制冷机研究领域的一个重要方向,在以往的研究中,主要通过长颈管、双向进气等方法以提高脉管制冷机的性能, 2006年哈尔滨工业大学的徐庆松等人通过调节长颈管的管径、长度以及双向进气管径等手段将单级G-M型脉冲管的最低温冷温度降至19. 8K[1]。同年,浙江大学的邱利民等人通过优化蓄冷器内材料的布置研制出最低温度达到11. 1K的单机脉冲管制冷机[2]。2007年浙江大学的孙贺、甘智华等人通过优化蓄冷材料以及填料结构布置和旋转阀结构,制造出一台最低温度达到10. 6K的单级G-M型脉冲管制冷机[3]。与此同时,脉冲管制冷机的理论分析和数值模拟领域也获得了长足的进展,韩国的Jeheon Jung等人对于如何优化脉冲管的设计尺寸提出了完备的理论分析[4],西安交通大学的朱绍伟等人也利用数学分析和模拟的方法对于DC-Flow在系统中的影响提出了合理的解释[5]。本文针对G-M型单级双向进气脉管制冷机做出了理论分析,在实验中通过几种不同的优化措施提升系统的性能,从而为优化G-M型脉冲管制冷机性能提供了重要的参考价值。

　　2 理论分析

　　理论上对于制冷量的估算,采用Redebaugh的相位理论法。其基于焓流理论分析得出影响制冷量的关键因素,是脉管内部的体积流波和压力波之间的相位差[6, 7]。

　　由图1可知脉管冷头的制冷量在数学上可以简化为:

　　式1中, 为脉管中的平均焓流,在脉管与外

　　界环境绝热的情况下,它是一个常数;为自蓄冷器的平均焓流,即蓄冷器的冷量损失。

　　分析中,假设脉管内部为理想气体,则系统在热端耗散的热量就相当于脉管内的平均焓流,

　　理想状况中的蓄冷器效率为100%,因此蓄冷器的平均焓流可以假设成为0。由此可得脉管冷头的制冷量为:Q/c=

　　其中Apt为垂直于流动方向的气体截面面积, cp为单级脉冲管冷端氦气的定压比热容,S为循环周期,Pd0为峰值压力数值,u0为峰值速度数值,U为压力波和速度波之间的相位差。但是在实际的实验过程中,相位差是无法精确测量的。随着小孔阀和双向进气阀开度的调整,相位差也是随之变化的。在理想状况下,脉冲管冷端的质量流相位将领先压力波大约30b,但是30b的相位差几乎是在理想状态下,现实中很难达到。在本次实验中,我们假设相位差为50°。

　　从式(3)中,可以看出相位差对于制冷量的大小有着决定性的作用,因此本次实验优化制冷机性能的手段采取三种不同的形式: (1)改变与长颈管相连的小孔阀的开度; (2)调节旋转阀的频率; (3)调节双向进气阀的开度。