浅谈压力对制冷设备特性的作用

首先，我们进行了加热功率一定的情况下，脉管制冷温度与工作压力、加热温度关系的实验。为以氦为工质，加热功率分别为316W，966W，1389W，1489W，2188W时的制冷温度和加热温度随工作压力的变化关系。由温度随着工作压力的升高而下降。但当加热功率加大到1400W以上时，制冷温度不但没有随工作压力的提高而下降，反而略有升高。

  在各种加热功率情况下，加热温度都随平均工作压力的增大而降低。这是因为在加热功率一定的条件下，系统容积一定，系统中的工质随平均工作压力增大而增多，必然导致加热温度降低。而制冷温度在各加热功率下的不同的变化趋势，反映了加热功率一定时，平均工作压力与加热温度的耦合作用对整机性能的影响。板叠的温度梯度是热声效应产生声功的根本驱动力，当加热功率一定时，随平均工作压力的增大，加热温度降低，在冷端温度不变情况下，温度梯度减小，热声效应产生声功的驱动力也减小，必然导致声功减小，从而使脉管制冷机的性能变差。脉管制冷机的制冷量是由脉管冷端的质量流率和压比及其相位共同决定：压力对热声驱动脉管制冷机性能的影响在加热温度一定的情况下，随着平均工作压力增大，压力振幅增大，使脉管冷端的质量流率增大，从而获得更低的制冷温度，但同时工质流经丝网板叠和脉管回热器的阻力损失也随之增大，使得压比呈现先增大后减小的变化趋势，即压比存在最佳值，因此制冷温度也不可能随平均工作压力的不断增大而无限降低。在加热功率一定的情况下，平均工作压力增大，加热温度随之下降，压力振幅的增大幅度会减小，甚至不增大反而减小，脉管的制冷效果会比加热温度一定时的情况更差。脉管的制冷性能同时受平均工作压力和加热温度两方面的综合作用，使得在加热功率一定的条件下，随平均工作压力的增大制冷温度可能出现不同变化趋势。由于实验系统承压能力和承受加热温度能力的限制，目前我们还没能获得加热功率条件下制冷温度随平均工作压力增大而具有相反变化趋势的连续变化过程，这将是以后的努力方向。

  接着，我们在保持加热温度不变的条件下，进行了不同工作压力下脉管的制冷温度的实验研究，并且测量了相应压力下所需的加热功率。由和所示，当加热温度一定时，脉管的制冷温度随工作压力提高而下降；而加热功率则随工作压力升高而增大。说明当加热温度一定时，假设板叠冷端温度不变，则板叠的温度梯度保持恒定，即热声驱动器产生热声效应的驱动力保持恒定，此时所产生的声功的压力振幅主要受平均工作压力的影响。以往的实验结果表明，压力振幅随平均工作压力的提高而增大，从而增大了脉管冷端的质量流率，可以获得更低的制冷温度。但脉管的制冷量同时还受压比的影响，而压比并不总是随工作压力的增大而增大，因此工作压力的提高不能无限制地改进脉管的制冷性能。加热温度恒定时，随着工作压力的增大，系统中工质质量相应增加，所需的加热功率也随之增大。
　　在实验中我们还发现板叠冷端温度随着工作压力的提高而升高，这可能是受水冷却器换热性能的限制。这对于热声驱动脉管制冷机来说是一个很不利的因素。它不仅使板叠上的温度梯度减小，而且直接提高了脉管的进气温度，因而降低了脉管的制冷性能。因此，设计一个高效的水冷器将可能对热声驱动脉管制冷机性能有很大的改善最低制冷温度在以上实验的基础上，我们对丝网板叠填充率等参数进行了优化，以氦为工质，在充气压力2.0MPa、加热温度450℃时，取得了120K的无负荷制冷温度。加热功率一定时，热声驱动的脉管制冷机的性能受工作压力、加热温度的双重影响。不同加热功率下，脉管制冷温度随着工作压力、加热温度的变化呈现不同的变化趋势。保持热声驱动器的加热温度一定，随着工作压力的提高其所需加热功率也相应提高，脉管制冷温度随之下降。水冷器的性能优劣对提高热声驱动脉管制冷性能有着重大影响，合理设计水冷器极其必要。用自行研制的驻波型热声驱动器驱动脉管制冷机达到了120K。