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6W大冷量斯特林制冷机的实验研究
简介: 实验分析了大冷量分置式斯特林制冷机的动力特性和热力特
性,讨论了对制冷机性能有重要影响的参数如固有频率、工作频率、相位
角、充气压力、排出器位移等。样机采用牛津型斯特林制冷机结构,在93W
输入功率下初步获得6W/90K的性能。分析实验结果得出了一些有意义的结
论,并为大冷量斯特林制冷机的进一步优化提供了思路。
关键字:大冷量斯特林制冷机动力特性热力特性
0 引言
大视场、高地面分辨率的空间对地观测必须采用大规模超长线列扫描
成像或大规模面阵凝视成像系统,空间制冷技术是其中关键技术之一,要
解决的问题是长寿命和大冷量。本文针对一种超长线列红外焦平面成像对
空间大冷量制冷机的迫切需求,开展了对6W制冷量、寿命大于30000小时
的斯特林制冷机的动力特性和热力特性的实验研究。
1 制冷机结构
针对大冷量分置式斯特林制冷机的空间应用背景和长寿命高可靠性
要求,制冷机的结构形式希望继承已经研制成功的牛津型斯特林制冷机
(如图1所示),即采用直线电机驱动的双对置式活塞压缩机,减小压缩机
振动和噪声;采用间隙密封减小运动副之间的摩擦;采用柔性板弹簧技术
和工艺,解决活塞和气缸之间的摩擦等等,并通过改进弹簧刚度、电机驱
动、电控箱驱动以及蓄冷器等来达到获得大冷量的要求。6W大冷量分置式
斯特林制冷机实验样机的外形如图2所示。
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图1 牛津型斯特林制冷机的内部结构
图2 大冷量斯特林制冷机实验样机外形
2 实验内容及装置
实验内容
采用动态测量手段进行实时测量,建立整机性能考核实验台,对高频
交变流动下气流压力、位移等进行动态测量,并深入研究制冷机性能与工
作频率、相位角、压比、容积比、冷头温度、冷量、压缩机与膨胀机行程
等一系列参数的关系,由此来分析实验样机的动力特性和热力特性,确定
其最佳运行工况,并为制冷机的进一步改进提供思路。
实验装置
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样机热动力性能测试实验装置如图3所示。实验中可以调节的参数为:
运行频率、压缩机驱动电压和偏置、膨胀机驱动电压和偏置、压缩机与膨
胀机驱动电压之间的相位差。可以测量的参数为:压缩机和膨胀机的驱动
电压、电流和功率,压缩机和膨胀机行程,压缩机和膨胀机位移之间的相
位差,压缩机压力,制冷温度,制冷量,冷头真空室的真空度。
图3 样机热动力性能测试实验装置
3 实验结果及讨论
动力特性实验结果及分析
压缩机固有频率
对于压缩机行程较小并假定活塞位移近似是正弦时,考虑气体弹簧的
影响,压缩机的固有频率为[1]:
(3-1)
式中: ——压缩机的固有频率;
——压缩腔内气体的平均压力;
——弹簧刚度;
——动子质量。
由(3-1)式可知压缩机的固有频率受气体弹簧力的影响较大,不同的
充气压力对应不同的压缩机固有频率。压缩活塞的振动可简化为单自由度
有阻尼强迫振动。在保证压缩机驱动电流相同即保证相同的驱动力,压缩
机共振时的位移最大[2]。图4说明在充气压力为14atm时压缩机的固有频率
约为56Hz,而在充气压力为 16atm时固有频率为 58Hz,充气压力增大时,
气体弹簧影响增大,压缩机固有频率提高。图5反映了充气压力为16atm即
压缩机固有频率为58Hz时工作频率对功率因数和电机效率的影响。工作频
率在靠近压缩机固有频率时刻达到较高的功率因数和电机效率,且当工作
频率约等于固有频率系统发生共振时达到最大。因此,理论上应使热力性
能的最佳工作频率与压缩机的固有频率尽量相等,但实际上由(3-1)式可
知压缩机的固有频率受到动子质量、板弹簧刚度、活塞面积、充气压力等
多种因素的影响,很难与热力性能的最佳频率重合。所以实际动力设计时,
使两者尽量靠近,获得较高的制冷效率,在不影响压缩机扫气容积的前提
下,减少系统所需的驱动电流,从而减少压缩机的体积、重量、功耗等等。
图4 不同充气压力下的固有频率
图5 功率因数、电机效率与频率的关系
膨胀机固有频率及膨胀机位移超前压缩机位移的最佳相位差
由于压缩机系统处于速度共振,力与位移间相位角为 90度。因此膨胀
机位移超前压缩机位移的最佳相位角φ值主要取决于工作频率与膨胀机固
有频率之比和排出器运动阻尼。排出器运动阻尼是一个运行参数,不可能通
过模型实验直接测得[3],故本实验不做详细分析。膨胀机固有频率可由(3-2)
式直接给出,其受充气压力的影响不大[4]。
(3-2)
式中: ——膨胀机固有频率;
——弹簧刚度;