脉冲管制冷机第三种直流效应研究

    脉冲管制冷机是一种小型低温制冷机. 由于其具有低温下无运动部件、结构简单、冷头振动小、成本低、寿命长等优点, 受到国内外低温工作者的广泛关注, 近二十年来发展很快. 特别是新的结构和流程的不断提出使脉冲管制冷机性能大大提高, 制冷效率已达到或接近斯特林制冷机的水平, 在空间红外器件冷却和科研装备方面得到了广泛的应用. 20世纪90 年代美国宇航局已将脉冲管制冷技术运用到空间红外器件的冷源上; 低频的G-M型脉冲管制冷机则早已被美国 Cryomech 公司投入市场批量生产, 成为高科技的商品. 可以预计, 脉冲管制冷机未来在信息产业、航天工业和科学研究中将进一步发挥重要作用.

    脉冲管制冷机中的工作流体是以交变流动为特征的. 然而, 有关文献表明, 在脉冲管制冷系统中存在着由于双向进气引起的 Gedeon 流[1]和由于边界层效应引起的Rayleigh流[2]两种直流(DC flow). 而最近我们对超高频脉冲管制冷机的实验研究结果表明,除了上述两种直流效应外, 还存在第三种直流效应.直流既会降低脉冲管制冷机的性能, 又会影响其制冷温度的稳定性. 因此, 进一步研究这种新的直流效应的产生机理和抑制方法, 不仅能改善超高频脉冲管制冷机的性能, 而且对中、低频脉冲管制冷机的制冷效率和制冷温度稳定性的提高具有学术和应用价值.

     本文利用流体网络理论, 分析了脉冲管制冷机系统的交变流动阻力特性, 建立了第三种直流效应的概念, 说明了第三种直流效应的产生机理, 并提出了相应的抑制方法.

     1   脉冲管制冷机中已知的两种直流效应

     为了提高脉冲管制冷机的制冷性能和制冷温度稳定性, 通过深入的理论分析和进一步的实验研究,人们逐渐认识了脉冲管制冷机中的两种直流现象.1996 年 6 月, Gedeon 在第 9 届国际制冷机大会上, 发表了在斯特林制冷机和双向进气型脉冲管制冷机中存在气体直流效应的研究结果. Gedeon 通过分析[1]认为, 双向进气型脉冲管制冷机中存在着由双向进气阀连接的脉冲管到蓄冷器之间的闭合回路; 由于制冷机中气流的密度和压力的周期性振荡, 在一周期内进出制冷机各横截面的气体质量流量不相等, 会形成朝一个方向的净流量, 它在这个闭合回路内形成稳定的环流, 这就是 Gedeon 流. 巨永林[3]通过实验观察到了双向进气脉冲管制冷机的直流现象, 证实了 Gedeon 流的存在. Gedeon 流会引起从脉冲管热端到冷端的附加热流, 增大了冷端换热器的热负荷.虽然 Gedeon 流的绝对数值很小, 但附加热流可与脉冲管制冷机的理论制冷量处于同一数量级, 对制冷性能和温度稳定性的影响很大, 引起了学者们的重视.