石雅枝 李 奧 朱紹偉

(1同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 上海 201804)

(2中船重工鵬力(南京)超低溫技術(shù)有限公司 南京 211106)

1 引言

GM制冷機，即 Gifford-McMahon制冷機，是由W.E.Gifford和 H.O.McMahon于 1959年發(fā)明的一種回熱式小型低溫制冷機［1-2］，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、性能穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速低、操作方便等優(yōu)點，其工作溫度范圍可從液氦溫區(qū)至室溫。GM制冷機廣泛用于科學(xué)研究及低溫電子學(xué)、紅外探測器、低溫泵等領(lǐng)域，如果在尺寸和重量上沒有很高的要求，它在航天、材料、電子、通訊、醫(yī)療等方面也有極其廣泛的用途。

對于GM制冷機，由于磁性蓄冷材料的研制，回熱器在低于15 K時可以獲得比較高的比熱容，制冷機的性能獲得了很大的改善。除了蓄冷材料外，制冷機的運行部件和運行參數(shù)對制冷機的影響也十分重要，如配氣閥門的類型以及開閉時序?qū)χ评錂C的性能有很大的影響，許多研究者在制冷機運行參數(shù)對制冷性能的影響方面進行了大量的實驗研究工作［3-5］。

GM制冷機的結(jié)構(gòu)特點之一是壓縮機和制冷機冷頭是分置，一般采用較低的轉(zhuǎn)速來驅(qū)動制冷機冷頭，提高膨脹率，增大氣體壓比，同時降低機械振動及噪聲。理論上GM制冷機的制冷量隨著運行頻率的增大而變大，但是回熱損失、空容積損失等也隨著增大，轉(zhuǎn)速過高同時也會加大制冷機的磨損，從而降低制冷機的壽命，所以調(diào)節(jié)運行頻率是改善GM制冷機性能的重要手段之一，一般液氦溫區(qū)的GM制冷機都需要依靠調(diào)節(jié)頻率，并且都是在低頻下得到制冷機的最佳性能，制冷機的頻率調(diào)節(jié)范圍一般在0.2ˉ1.2 Hz之間［6］。

GM制冷機的壓縮機輸入功減小，壓比降低，改變GM制冷機的運行頻率，可以提高壓比，使GM制冷機能由更小的壓縮機驅(qū)動。本實驗所采用的GM制冷機原是由6 kW壓縮機驅(qū)動的，實驗使用的壓縮機的額定功率是3 kW，通過改變冷頭電機的運轉(zhuǎn)速度，對不同運行頻率下制冷機的最低制冷溫度和制冷量進行了性能測試和研究，為進一步提高雙級GM制冷機性能奠定基礎(chǔ)。

2 GM 制冷機主要損失分析

GM制冷機主要制冷性能的熱力指標有制冷溫度、制冷量及制冷效率。低溫制冷機的有效制冷量是該制冷機的理論制冷量減去所有冷量損失所得到的值。GM制冷機主要冷量損失包括:回熱器損失、穿梭損失、流動阻力損失等。

2.1 回熱器損失

回熱器是回熱式制冷機的關(guān)鍵部件，制冷劑氣體在熱吹期和冷吹期流過回熱器時，氣體和回熱器填料之間存在溫度差，造成回熱器換熱不完全損失。回熱器損失可按公式(1)計算。

式中:mR為熱吹期或冷吹期流經(jīng)回熱器的工質(zhì)平均質(zhì)量流率，kg/s;ThR為回熱器熱端溫度，K;TcR為回熱器冷端溫度，K;ηR為回熱器效率?；責崞餍师荝對制冷機總效率影響很大，一般GM制冷機的效率要求達到99%之上［3］。

2.2 穿梭損失

穿梭損失是由排出器和氣缸之間的往復(fù)運動引起的，在GM制冷機所有損失中占第二位。在制冷機運行過程中，氣缸與推移活塞同樣具有軸向溫度分布。由于活塞的往復(fù)運動，活塞上各點與氣缸相對應(yīng)的點之間存在溫差，造成了部分熱量由熱端傳到冷端，造成冷量損失，其計算公式如(2)所示。

式中:λg為排出器與膨脹氣缸間環(huán)隙中氣體的熱導(dǎo)率，W/(m˙K);A為傳熱面積，m2;δ為排出器與膨脹氣缸間環(huán)隙，m;ΔT為汽缸壁和排出器之間的溫差，K;Δt為每次的傳熱時間，s。

2.3 流動阻力損失

制冷機工作過程中，氣體流過進氣閥、排氣閥、管道、回熱器等部件時，存在流動阻力。如流動阻力使膨脹機冷腔的最高壓力不再是PH，而是PH-ΔPH;最低壓力也不在是PL，而是PL+ΔPL。這樣在P-V圖上是最高壓力比理想高壓低ΔPH，最低壓力比理想低壓高ΔPL，其結(jié)果是制冷機的制冷量減小。制冷量的減少量按(3)計算。

3 實驗平臺和實驗步驟

本實驗系統(tǒng)由壓縮機系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)，溫度測量系統(tǒng)，制冷量測量系統(tǒng)，真空系統(tǒng)和變頻系統(tǒng)組成，圖1為制冷系統(tǒng)的示意圖。

圖1 制冷系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of refrigeration system

其中壓縮機額定功率為3 000 W，為風冷型壓縮機，當用于4 K的GM制冷機時，最小風量為1 500 m3/h，內(nèi)部充有99.999%純度的氦氣。壓縮機和制冷機之間采用金屬軟管連接。GM制冷機采用機械驅(qū)動，原使用6 kW的壓縮機驅(qū)動，二級在4.2 K時可以獲得1 W的制冷量，變頻器調(diào)節(jié)制冷機的電機轉(zhuǎn)速來改變制冷機運行頻率，當電機的轉(zhuǎn)速為50 r/min時，制冷機運行的頻率為1 Hz。

實驗中采用的溫度測試系統(tǒng)是將在一級和二級冷頭上的溫度傳感器，用銅線和外端的labview溫度控制儀連接，labview溫度控制儀自動采集數(shù)據(jù)并通過顯示屏顯示實時讀數(shù)，在制冷機兩級的溫度穩(wěn)定后測量其平均值。制冷機的制冷量是衡量制冷機性能的重要指標之一，本實驗在一級與二級冷頭上分別安裝電阻式加熱棒，通過銅絲將電阻元件與外端直流電源連接，形成加熱器，加熱量由功率計控制，通過電加熱量來模擬冷頭的制冷量，從而得到制冷機制冷能力。

對于制冷機來說，絕熱十分重要，制冷機的低溫部分要置于真空罩內(nèi)，對于多級制冷機，為了減少兩級冷頭之間的輻射，第一級延伸到第二級的部分要設(shè)置輻射屏。制冷機工作的時候，真空罩內(nèi)的真空度要求達到1.33 ×10－3ˉ1.33 ×10－4Pa。通過上述方式可降低真空腔內(nèi)的氣體導(dǎo)熱和二級冷頭的輻射漏熱。

制冷機的充氣壓力為1.7 MPa，壓縮機開始工作時壓力表顯示高壓為25×105Pa，低壓為9×105Pa。開機時先用真空泵抽真空，起始一級溫度低于二級溫度，等一級溫度低于100 K時，停止抽真空。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 實驗結(jié)果

實驗通過添加一個變頻器，來改變驅(qū)動GM制冷機的運轉(zhuǎn)速度，從而改變制冷機的頻率。實驗中采用60、54、48、42、36、30 r/min 轉(zhuǎn)速對制冷機進行了測試，每個轉(zhuǎn)速下改變的GM制冷機兩級的加載負荷，其中一級的加載負荷分別設(shè)置成0、4、10、20、35 W，二級的加載負荷分別設(shè)置成0、0.2、0.4、0.5、7 W。

當一級和二級的加載負荷都為0 W時，壓縮機高壓和低壓的壓差、二級平衡時的溫度隨電機轉(zhuǎn)速的趨勢如圖2所示。壓差ΔP隨著轉(zhuǎn)速的降低而升高，與此同時二級冷頭的溫度下降。制冷機電機轉(zhuǎn)速的降低，導(dǎo)致制冷機進氣和排氣之間的時間間距變大，進排氣壓差變大。

圖2 T2和ΔP隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.2 T2 and ΔP changed with motor speed

圖3所示，在一級加載負荷為0 W，而二級加載負荷為0.5 W時，改變電機的轉(zhuǎn)速，當電機的轉(zhuǎn)速為42 r/min時，能達到4.2 K的制冷溫度，這是在二級加載負荷為0.5 W時的最低溫度點。當一級加載量為0 W，第二級溫度達到4.2 K時制冷機的加載負荷隨電機轉(zhuǎn)速的變化如圖4所示，在42 r/min的時候達到最佳。

Fig.3 T2 and Q2 changed with motor speed圖3 T2和Q2隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

Fig.4 T1 and T2 changed with motor speed圖4 T1和T2隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

一級制冷量為10 W二級制冷量為0.5 W，一級溫度T1和二級溫度T2隨制冷機轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖5所示。制冷機轉(zhuǎn)速大于42 r/min，一級溫度變化不大，二級溫度降低，而轉(zhuǎn)速小于42 r/min時，一級溫度迅速升高，而二級溫度升高，但是增幅不大。

圖5 性能曲線圖Fig.5 Performance curve

圖5是制冷機在3 kW壓縮機驅(qū)動下，電機轉(zhuǎn)速為42 r/min的性能曲線。制冷機在6 kW的壓縮機驅(qū)動下，電機轉(zhuǎn)速為60 r/min，在二級溫度為4.2 K時能達到1 W的制冷量，而3 kW壓縮機驅(qū)動下4.2 K時可以達到0.5 W的制冷量。

4.2 結(jié)果分析

(1)降低GM制冷機在液氦溫區(qū)的工作頻率，制冷機的進排氣周期變長，制冷機內(nèi)氣流速度減小，回熱器壓降損失減小，回熱器的效率提高。另外，頻率降低，制冷劑的質(zhì)量流量減小，壓縮機吸排氣壓差增大，壓比增高，膨脹腔內(nèi)的制冷劑氣體膨脹率增大，單位質(zhì)量的制冷劑氣體制冷量增大。

(2)GM制冷機的頻率降低，進排氣壓差變大，壓縮機進排氣閥門的固有損失增大，進排氣周期變長，穿梭損失增大。

所以，在一定范圍內(nèi)降低制冷機的頻率，可以提高制冷機的性能。實驗結(jié)果顯示，本機的工作轉(zhuǎn)速為42 r/min時，用3 kW的壓縮機代替原來的6kW壓縮機驅(qū)動，在4.2 K時，制冷量由原來的1 W減為0.5 W。實驗表明，壓縮機功耗減半，調(diào)節(jié)GM制冷機冷頭的頻率，制冷效率不變。

5 結(jié)論

GM制冷機的冷頭運行頻率會影響制冷機的性能，存在一個最佳頻率使制冷機的性能達到最佳。GM制冷機結(jié)構(gòu)保持不變，壓縮機輸入功變化，可調(diào)節(jié)制冷機冷頭的運行頻率使制冷機效率可保持不變，這表明，通過調(diào)節(jié)冷頭的運行頻率，可以用小功率的壓縮機驅(qū)動大制冷機。

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