氦氢混合工质单级GM型脉管制冷特性实验研究

    1　引　言

    自从1985年米库林提出小孔型脉管制冷机的建议以来,脉管制冷机的研究取得了日新月异的辉煌。各种新颖相移器的应用和脉管结构的改善,使脉管制冷温度不断下降,热力学效率逐渐提高。至今,单级脉管制冷机的制冷温度可达到20 K的水平[1],在继二级脉管制冷机达到液氦温度后[2,3],采用3He为工质的多级脉管制冷机达到了低于4HeK点的温度,1.78 K[4]。这同时也说明了在不同的温区采用不同的制冷剂或混合工质可以提高脉管的制冷性能。由于脉管制冷机的最大特点是结构简单,在低温区没有运动部件,为多相流体的工作提供了可行的条件。

    若干学者对在回热式制冷机中采用混合工质制冷发生兴趣[5～7],但至今国内外并没有令人信服的理论研究和实验结果发表。

    为提高脉管制冷机在80 K温区的制冷量和热力学效率,最近我们在理论[8]和实验方面[9]对混合工质制冷做了一些有益的探讨,并提出了新的脉管结构[10]。作为其中的一部分,本文重点介绍氦氢混合工质的实验情况。

    2　实验装置

    用于测试采用混合工质的低温制冷性能的实验装置由制冷机系统、真空系统、测量系统、配气系统组成。图1给出了制冷机系统示意图[11],它由氦压缩机(LEYBOLD RW2)、平面旋转阀、单级脉管制冷机组成。其中回热器和脉管尺寸分别为Φ20×0.3×210,Φ16×0.3×250,气库0.5 L,在脉管热端接有水冷却。小孔阀和双向进气阀为高精度可调针阀(Nupro, type M)。温度测量采用Pt 100温度计,共8只,布置方式如图1 (T1～T8)所示,采用四引线法测量;压力测量采用三个压力传感器(Siemens,type KPY 46R),如图1分别布置在回热器热端进气口(P1),脉管热端与小孔阀之间(P2)和气库内(P0)。压缩机输入由功率计测量(AVPOWER公司, PA2200A仪表,该仪表可以测量电压有效值Vrms、电流有效值Arms、视在功率VA、功率W、无功功率Vars、功率因数PF、频率Freq、平均电压Vmean、平均电流Amean等参数)。制冷机的制冷量由贴在脉管冷头的加热片PBH-1008提供。温度信号和压力信号由三块计算机数据采集卡(Na-tional Instrument, LabPC+)采集到一台486计算机内,并经过软件(National Instrument, Lab-view3.1)编程实时显示温度随时间变化曲线、沿脉管和回热器的温度分布曲线和压力波形。

    3　实验方法

    本实验的工作条件为充气压力1.7 MPa (绝对压力,温度300 K),频率2 Hz。

    配气方法:在环境温度下,根据道尔顿分压定理配气。如配制80%/20%的氦氢混合工质,首先向制冷机内充入1.36 MPa的氦气,然后充入氢气到1.7 MPa。实验中采用的是高纯氦气(99.996%)及高纯氢气(99.999%)。本文分别对氦/氢混合气百分比例为97/3, 94/6, 90/10, 85/15, 80/20, 50/50和10/90共七种混合工质进行了实验研究。