6W大冷量斯特林制冷機的實驗研究摘要：實驗分析了大冷量分置式斯特林制冷機的動力特性和熱力特性，討論了對制冷機性能有重要影響的參數如固有頻率、工作頻率、相位角、充氣壓力、排出器位移等。樣機采用牛津型斯特林制冷機結構，在93W輸入功率下初步獲得6W/90K的性能。分析實驗結果得出了一些有意義的結論，并為大冷量斯特林制冷機的進一步優化提供了思路。關鍵字：大冷量斯特林制冷機動力特性熱力特性0引言大視場、高地面分辨率的空間對地觀測必須采用大規模超長線列掃描成像或大規模面陣凝視成像系統，空間制冷技術是其中關鍵技術之一，要解決的問題是長壽命和大冷量。本文針對一種超長線列紅外焦平面成像對空間大冷量制冷機的迫切需求，開展了對6W制冷量、壽命大于30000小時的斯特林制冷機的動力特性和熱力特性的實驗研究。1制冷機結構針對大冷量分置式斯特林制冷機的空間應用背景和長壽命高可靠性要求，制冷機的結構形式希望繼承已經研制成功的牛津型斯特林制冷機，即采用直線電機驅動的雙對置式活塞壓縮機，減小壓縮機振動和噪聲；采用間隙密封減小運動副之間的摩擦；采用柔性板彈簧技術和工藝，解決活塞和氣缸之間的摩擦等等，并通過改進彈簧剛度、電機驅動、電控箱驅動以及蓄冷器等來達到獲得大冷量的要求。2實驗內容及裝置2.1實驗內容采用動態測量手段進行實時測量，建立整機性能考核實驗臺，對高頻交變流動下氣流壓力、位移等進行動態測量，并深入研究制冷機性能與工作頻率、相位角、壓比、容積比、冷頭溫度、冷量、壓縮機與膨脹機行程等一系列參數的關系，由此來分析實驗樣機的動力特性和熱力特性，確定其最佳運行工況，并為制冷機的進一步改進提供思路。2.2實驗裝置實驗中可以調節的參數為：運行頻率、壓縮機驅動電壓和偏置、膨脹機驅動電壓和偏置、壓縮機與膨脹機驅動電壓之間的相位差。可以測量的參數為：壓縮機和膨脹機的驅動電壓、電流和功率，壓縮機和膨脹機行程，壓縮機和膨脹機位移之間的相位差，壓縮機壓力，制冷溫度，制冷量，冷頭真空室的真空度。3實驗結果及討論3.1動力特性實驗結果及分析3.1.1壓縮機固有頻率對于壓縮機行程較小并假定活塞位移近似是正弦時，考慮氣體彈簧的影響，壓縮機的固有頻率為[1]：（3-1）式中：——壓縮機的固有頻率；——壓縮腔內氣體的平均壓力；——彈簧剛度；——動子質量。望由謙（牧3-厚1捏）式可知壓縮走機的固有頻率堂受氣體彈簧力圓的影響較大，辣不同的充氣壓攔力對應不同的股壓縮機固有頻貝率。壓縮活塞折的振動可簡化棒為單自由度有啊阻尼強迫振動裝。在保證壓縮煤機驅動電流相嚇同即保證相同際的驅動力，壓劍縮機共振時的右位移最大件[2]六。珠圖止4屬說明在充氣壓溫力零為楊14at掏m擇時壓縮機的固嘗有頻率約趙為湖56H續z魂，而在充氣壓累力高為禾16at咳m醋時固有頻率典為騰58H嗽z璃，充氣壓力增貨大時，氣體彈椅簧影響增大，赤壓縮機固有頻確率提高。貪圖覽5露反映了充氣壓亂力釀為勻16at保m梢即壓縮機固有東頻率犯為寬58H票z涂時工作頻率對僻功率因數和電猾機效率的影響噸。工作頻率在識靠近壓縮機固潑有頻率時刻達蠢到較高的功率嚼因數和電機效狐率，且當工作運頻率約等于固釣有頻率系統發吐生共振時達到柔最大。因此，屈理論上應使熱圾力性能的最佳悄工作頻率與壓滲縮機的固有頻涼率盡量相等，西但實際上由盾（潔3-帝1陽）式可知壓縮脈機的固有頻率逝受到動子質量超、板彈簧剛度塌、活塞面積、焰充氣壓力等多隆種因素的影響盯，很難與熱力酸性能的最佳頻干率重合。所以極實際動力設計什時，使兩者盡僑量靠響近退,冤獲得較高的制晝冷效率，在不膽影響壓縮機掃汪氣容積的前提婆下，減少系統紗所需的驅動電晉流，從而減少磨壓縮機的體積哲、重量、功耗夫等等。惠圖屑4棉胃不同充氣壓力均下的固有頻率奇圖賣5演貪功率因數、電需機效率與頻率歲的關系著騾產膨脹機固有頻擠率及膨脹機位弟移超前壓縮機館位移的最佳相零位差少由于壓縮機系冤統處于速度共輔振節,唉力與位移間相隱位角慮為罰9悉0脆度。因此膨脹少機位移超前壓秀縮機位移的最拐佳相位觀角查φ仍值主要取決于械工作頻率與膨庫脹機固有頻率郊之比和排出器教運動阻尼。排預出器運動阻尼出是一個運行參冒數瘡,友不可能通過模攜型實驗直接測居得違[3]收,捎故本實驗不做刪詳細分析。膨倘脹機固有頻率行可由胸（寇3-才2只）式直接給出沾，其受充氣壓笑力的影響不大糖[4]郵。矮（3-2）同式中援：袖—搭—謀膨脹機固有頻音率；組—紗—害彈簧剛度；愛—覽—宰排出器動子質房量。厘因此，在保證嚼冷腔工作容積烈不變的條件茶下四縮,烈通過改變推移授活塞質量、彈伍簧剛度來改變喚固有頻繳率拜,蓮實現貫了懼φ鈔值的變批化本,詳并通過冷量與潤溫度測試系統情測出了系統穩早定輸出最佳冷紫量值時斜的橡φ皺值。文烏獻屋[5諸]屢指出理論上未相考慮連接管影產響時雙驅動分閱置式斯特林制今冷機的最優相經位角穩為豐90產°謙，熱力效壞率罰CO托P家與相位角無關暢，實際上牛津谷型斯特林制冷爭機的最優相位止角實驗結果床為冊80伏°供左右富[5]遙。但事實上，韻最優相遺位角還和制冷慈溫度有關系。蠟隨制冷溫度的稱降低，最優相逢位角減小，當敲制冷溫度遷為舊60-120鋤K儲時，最優相位黎角嗚在扇60秧°甜到隙90瓶°格之間。制冷溫撇度納在既90祝K片溫區左右的最梨優相位角板為檔80耕°壽左右。采3.2唱吩熱力特性實驗宿結果及分析花墾竿充氣壓力及膨逆脹機位移聲理論制冷量可券由下式表示：（3-3）尊式中憑：獎—素—扁理論制冷量；潛—握—輝工作頻率；霸—色—洽冷腔壓力；控、攜—收—竹排出器的截面鴉積和行程。環由式肉（琴3-納3旁）可以看出，牛理論制冷量與持工作頻率、壓近力、行程、排亦出器截面積、形壓力與位移之媽間的相位角等覆關系密切，有控效冷量為理論職制冷量減去各圈種不可逆損失法。相位角的影爆響前已分析，排對同一臺制冷量機排出器截面再積不變，故以俗下僅闡述工作祖頻率、充氣壓訓力、膨脹機行蹤程對制冷機性燃能的影響。將充氣壓力和工買作頻率是制冷芳機熱動力特性左相互影響相互述耦合的關鍵參疑數。兩者對熱毯力特性參數（希如冷量、比卡云諾循環效率）覺和動力特性參拆數（如電機效丘率）的影響。氧在低充氣壓力貴（粥13at優m好）時，雖然電縱機效率較高均崖超孝過蹄70左%弓，但不能滿足杜冷量要求，比踩卡諾循環效率設也較低。在較劇高充氣壓力斤（集19at頸m腹）時，冷量和懷比卡諾循環效輝率較高，但電默機效率均低竊于辛70另%葉，也不足取。孟在充氣壓力彼為滑16at煮m怪時，既可滿足彩冷量要求，又塘可獲得較高的刑比卡諾循環效套率和電機效率餅，較為合適。遍工作頻率選炸在獄55H用z弟時比其他兩個砌頻率好，原因番在動力特性實丑驗中已經給出峽。聲合適的膨脹機伯行程應同時滿訪足覽：堆a道.票保證一定的安籮全余量扶；戀b公.按保證目標冷量某的前提下獲得它相對高的比卡移諾循環效率。誘以保證環境溫芒度的少量變化勇帶來的膨脹機等行程的稍微增寸加不會使制冷籌機效率明顯惡搬化。其他運行清參數不變的情束況下制冷量費為鹿6肯W潛、相位角分別匙為圖74巧°珍和鼻84錫°邊時，膨脹機位誼移率對制冷溫筍度和比卡諾循踐環效率的影響雨。同樣的熱負唯載下，膨脹機艙位移越大，制伙冷溫度越低，放而比卡諾循環謙效率反而稍微踐增大。由此膨鏟脹機位移率可宿選擇約在耀88弱%隙以上。薦超改最佳工況運行論參數甘通過對樣機的展動力特性和熱惠力特性進行詳滿盡的實驗和分健析，可以得出應樣機在取扁得閃6絞W份制冷量的最佳也工況時的運行搬參數（如歷表慰1罵所示）。喬表終1脅品樣機最佳工況織運行參川數踏憲環境溫度爆2逼4咱℃秩相位角孝80°棋充氣壓力燃16atm談制冷量蜂6W@90K校工作頻率熱58Hz妙功筆耗弊(課不含電峽控養)掛93W4結論嘩通過對樣機的仇熱動力特性的申實驗研究，可文以得出牛津型親斯特林制冷機肚熱動力設計的葛一般思路：吼（培1恥）在保證達到料冷量要求和熱禮力效率最優的介前提下，通過堂熱力特性實驗萍確定充氣壓力腦和工作頻率；妙（掃2遺）通過動力實煌驗使得工作頻腐率盡量與壓縮卡機固有頻率一益致，可有效提袍高電機效率，澆從而減少壓縮貼機的功耗、體弟積、重量等等組。肚（牲3扎）繼90搏K需溫區左右牛津哥型斯特林制冷慕機的最優相位倦角親在申80膛°茅左右。通過改婚變膨脹機彈簧農剛度來使固有攔頻率靠近工作衛頻率，改善系往統的相位特性釋，從而增強系緒統的可控性和壩可靠性。參考文獻斯[1]S.均J.Par目k,An乒experi孔mental寄study截onth熟ephas級eshift殃betwe酷enpis魄tonan肢ddisp拍lacer仙inthe被錫Stirli遮ng寶cryoc沖oole酷r忘，喬cryoco逗olers那1協2看，滾200塞3迅，干pp.95-隆101.指[2]啊蛙劉冬毓鵝，深80K2泰W勸斯特林制冷機滋的實驗研究，對第六屆全國低畏溫與制冷工程頌大會會議論文嬸，西安交通大柳學出版社岡，戀2003.胖[3]牛丙向宇，分置式望斯特林制冷機翼排出器運動阻演尼的在線辨識驟，低溫工程染，窩199碼8穴年瞇第速2污期升，潤pp22-2侮7.軍[4]財負邊紹雄，低溫蝴制冷機，北京此：機械工業出判版社胞，漆1991.阿[5]