气动膨胀机与直线压缩机动力适配的试验研究

　　引言

　　红外探测器的大面阵、长线列、小型化、精确化等发展趋势，对制冷机提出了大冷量、低振动、高可靠性、重量轻等要求[1]。线性分置式斯特林制冷机振动输出小、可靠性高等特点满足了这些要求。国外分置式斯特林制冷机，实现了多个不同冷指与多个不同压缩机的交叉适配，其发展与生产具有系列化、模块化的特点。以法国 Thales 公司为例，他们近 15 年的时间发展了 5 个系列 24 个型号的线性分置式斯特林制冷机[2,3]。压缩机和膨胀机的交叉适配是模块化、系列化的有效途径。

　　国内外学者对其进行了一系列的理论研究：法国thales 公司的 Tonny Benschop 等[4]在设计开发动磁式线性电机驱动的双驱动分置式斯特林制冷机中，通过改变驱动杆的直径来改变排出器的阻尼，研究并表明：对于一定直径的驱动杆的排出器，即一定阻尼的排出器，总存在一个使得制冷量最大的固有频率。韩国的 S. J. Park 等[5]研究表明：固有频率分别为 63Hz、67.4 Hz、74 Hz 的排出器，其激励力频率与固有频率之比在 0.75～0.85 之间时，制冷性能最佳;德国 AIM公司的H.Korf 等[6]通过调节压缩机共振频率和膨胀机的固有频率对制冷性能进行优化。在之前的膨胀机固有频率试验研究[7]表明：膨胀机固有频率对直线压缩机的共振频率的影响较小(膨胀机固有频率跨度为13 Hz，而压缩机共振频率的改变仅为 2 Hz)，可忽略不计;针对排出器与压缩机的动力适配进行了一系列的试验研究，其中，包括排出器的最佳激力比的试验研究和排出器阻尼对此最佳激力比的影响的试验研究。

　　1 膨胀机的动力特性分析

　　排出器动力学因素直接影响制冷机热力学效果;对于一定的阻尼排出器，必定存在一个与之相适配的激力比γ，即存在一个最优的制冷机运行频率和膨胀机固有频率比。

　　1.1 膨胀机的固有频率

　　排出器在冷热腔近似正弦波动的压差驱动下，做类似简谐振动。气体力是振动的激励力，排出器固有频率，即膨胀机固有频率由排出器质量、弹簧质量和膨胀弹簧刚度决定。膨胀机固有频率[8]f 由式(1)近似计算：

　　式中：k 为弹簧刚度;m 为振子质量。由此，可通过k 值来改变膨胀机固有频率。

　　1.2 排出器的运动阻尼

　　在冷热腔压差激力下而振动的排出器，其运动阻尼由排出器与冷缸之间的机械摩擦和蓄冷器内的流动阻力两部分组成。

　　回热器的换热效率与蓄冷器填料(网片目数、丝径、填充重量)有着密切关系;同样，改变耐磨环与冷指、支撑环与冷指之间的间隙密封的大小和间隙密封的长度，也会引起主要包括穿梭损失和泄漏损失冷量损失。为避免上述非动力因素的影响，不宜比较不同排出器阻尼的制冷机制冷性能。