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元素管材制冷器械的速率特征

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      频率作为低温制冷机的重要操作参数之一,对低温制冷机的性能有着非常重要的影响。日本筑波大学富永昭从热声角度系统研究了频率对4KGM制冷机、斯特林制冷机及热声热机的影响,指出回热器?#26800;?#20027;要损失来自于回热器结构尺寸与频率之间的不匹配,而非传统理论认为的由回热器中有限温差传热引起的换热损失[57]。从目前公开发表的文献看,低温制冷机特别是脉管制冷机的频率特性研究还远没有充分[3,8,9]。本文将主要探讨脉管制冷机频率优化问题,并试图揭示液氦温区脉管制冷机的频率特性。此外,本文还给出了脉管制冷机制冷温度波动情况的部分结果,为脉管制冷机实用化奠定了基础。
  为便于分析比较,如无特殊说明,试验中保持小孔及双向进气阀开度组合不变。这个阀门开度组合是在1Hz条件下,第一、二级制冷量分别为Q1=1616W,Q2=500mW情况下的优化结果。同时脉管制冷机的进排气时序?#32479;?#27668;压力也保持不变(约119MPa)。下文中提到的最佳频率系指对应于最低制冷温度的频率。
  这与GM制冷机的情况有所不同。对于4KGM制冷机,在冷端无负荷的状态下,系统的工作频率越低其所获得的无负荷制冷温度就越低。例如,日本住友公司4KG-M制冷机的最低温度在015Hz获得[9]。而从目前实验结果看,在无负荷情况下,为使脉管制冷机获得更低极限制冷温度的一个有效方法却是?#23454;?#25552;高工作频率。这是因为脉管中没有运动部件,脉管内部的温度梯度必须依靠脉管?#26800;?#27668;柱实现。因此与GM制冷机相比,从回热器冷端直接进出脉管的流量更大一些。特别是由于在10K以下,氦的密度?#26412;?#22686;大,导致质量流量进一步增大;同时在该温区氦的?#28909;?#20063;?#26412;?#22686;大,进一步降低了第二级回热器效率。因此,?#23454;?#25552;高频率可以减小每个周期流过回热器冷端进出脉管的气量,从而相对提高低温级回热器的效率。频率提高可以降低极限制冷温度的原因还来自于系统内的压力变化。
  由于压缩机的气量基本固定,因此随着频率提高,平均工作压力下降。而在4K附近,平均压力越低,其绝热膨胀系数越大,也就是理论制冷能力越大[11]。因此,提高频率也有助于降低制冷温度。随着频率进一步提高,回热器内部的流阻损失明显增大,同时回热器趋于热饱和,因此第二级脉管存在最佳频率。

 

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