频率对4 K GM制冷机性能的影响

２０１５年第５期　总第２０７期　低　温　工　程　

ＣＲＹＯＧＥＮＩＣＳ　Ｎｏ．５　２０１５　Ｓｕｍ　ＮＯ．２０７　

频率对４　Ｋ　ＧＭ制冷机性能的影响　

石雅枝　李　奥　朱绍伟　

（　同济大学机械与能源工程学院　上海２０１８０４）　（　中船重工鹏力（南京）超低温技术有限公司南京２１１１０６）　

摘　要：通过改变ＧＭ制冷机活塞的运行频率，实验测定ＧＭ制冷机的性能，通过实验结果分析　ＧＭ制冷机冷头运行频率对其性能的影响。实验结果表明，在不改变制冷机结构参数的情况下，制冷　机存在一个最佳运行频率０．８４　Ｈｚ，即冷头电机运行转速为４２　ｒ／ｒａｉｎ。制冷机冷头型号不变，压缩机　由６　ｋＷ换成３　ｋＷ压缩机进行驱动时，通过降低制冷机冷头运行频率发现：冷头电机转速由６０　ｒ／ｍｉｎ　转换成４２　ｒ／ｍｉｎ时，在二级达到４．２　Ｋ时，制冷机可获得０．５　Ｗ的冷量，其效率与６　ｋＷ压缩机驱动　

时一致。　关键词：ＧＭ制冷机　频率　温度　测量　中图分类号：ＴＢ６５１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００．６５１６（２０１５）０５－００４５．０４　

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｎ　４　Ｋ　ＧＭ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ　

Ｓｈｉ　Ｙａｚｈｉ　Ｌｉ　Ａｏ　Ｚｈｕ　Ｓｈａｏｗｅｉ　

（　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）　（。Ｔｈｅ　ＣＳＩＣ　Ｐｅｎｇ　Ｌｉ（Ｎａｎｊｉｎｇ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１１１０６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＧＭ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ　ｂｙ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ＧＭ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ　ｐｉｓｔｏｎ　ｗａｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＧＭ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｎ　ＧＭ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ’Ｓ　ｐｅｒ一　

￣ｒｍａｎｃｅ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ，　ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ａｎ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　０．８４　Ｈｚ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ，ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｃｏｌｄ　ｈｅａｄ　ｍｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ　ｉｓ　４２　

ｒ／ｍｉｎ．Ｗｉｔｈｏｕｔ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　６　ｋＷ，ｒｅｐｌａｃｅｄ　ｂｙ　ｏｎｅ　ｏｆ　３　ｋＷ，ｗｈｅｎ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｗｈｅｎ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ　ｍｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ　ｃｈａｎ－　

ｇｅｓ　ｆｒｏｍ　６０　ｒ／ｍｉｎ　ｔｏ　４２　ｒ／ｍｉｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ　ｓｔａｇｅ　ｒｅａｃｈｅｓ　４．２　Ｋ，ｔｈｅ　０．５　Ｗ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｉｓ　ａｖａｉｌａ—　ｂｌｅ，ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｓ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ　ｗｉｔｈ　６　ｋＷ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ’Ｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＧＭ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｍｅａｓｕｒｅ　

１　引　言　

ＧＭ制冷机，即Ｇｉｆｆｏｒｄ．ＭｃＭａｈｏｎ制冷机，是由　Ｗ．Ｅ．Ｇｉｆｆｏｒｄ和Ｈ．Ｏ．ＭｃＭａｈｏｎ于１９５９年发明的一　

种回热式小型低温制冷机　，具有结构简单、运行可　

收稿日期：２０１５—０５—２２；修订日期：２０１５—０９－２０　作者简介：石雅枝，女，２３岁，硕士研究生。　靠、性能稳定、转速低、操作方便等优点，其工作温度　范围可从液氦温区至室温。ＧＭ制冷机广泛用于科　学研究及低温电子学、红外探测器、低温泵等领域，如　果在尺寸和重量上没有很高的要求，它在航天、材料、　电子、通讯、医疗等方面也有极其广泛的用途。

　４６　低　温工程　

对于ＧＭ制冷机，由于磁性蓄冷材料的研制，回　

热器在低于１５　Ｋ时可以获得比较高的比热容，制冷　机的性能获得了很大的改善。除了蓄冷材料外，制冷　机的运行部件和运行参数对制冷机的影响也十分重　

要，如配气阀门的类型以及开闭时序对制冷机的性能　有很大的影响，许多研究者在制冷机运行参数对制冷　性能的影响方面进行了大量的实验研究工作　。　

ＧＭ制冷机的结构特点之一是压缩机和制冷机　冷头是分置，一般采用较低的转速来驱动制冷机冷　

头，提高膨胀率，增大气体压比，同时降低机械振动及　噪声。理论上ＧＭ制冷机的制冷量随着运行频率的　

增大而变大，但是回热损失、空容积损失等也随着增　大，转速过高同时也会加大制冷机的磨损，从而降低　制冷机的寿命，所以调节运行频率是改善ＧＭ制冷机　

性能的重要手段之一，一般液氦温区的ＧＭ制冷机都　

需要依靠调节频率，并且都是在低频下得到制冷机的　最佳性能，制冷机的频率调节范围一般在０．２—１．２　Ｈｚ之间　。　ＧＭ制冷机的压缩机输入功减小，压比降低，改　变ＧＭ制冷机的运行频率，可以提高压比，使ＧＭ制　

冷机能由更小的压缩机驱动。本实验所采用的ＧＭ　制冷机原是由６　ｋＷ压缩机驱动的，实验使用的压缩　

机的额定功率是３　ｋＷ，通过改变冷头电机的运转速　度，对不同运行频率下制冷机的最低制冷温度和制冷　量进行了性能测试和研究，为进一步提高双级ＧＭ制　

冷机性能奠定基础。　

２　ＧＭ制冷机主要损失分析　

ＧＭ制冷机主要制冷性能的热力指标有制冷温　

度、制冷量及制冷效率。低温制冷机的有效制冷量是　该制冷机的理论制冷量减去所有冷量损失所得到的　

值。ＧＭ制冷机主要冷量损失包括：回热器损失、穿　梭损失、流动阻力损失等。　

２．１　回热器损失　回热器是回热式制冷机的关键部件，制冷剂气体　在热吹期和冷吹期流过回热器时，气体和回热器填料　

之间存在温度差，造成回热器换热不完全损失。回热　器损失可按公式（１）计算。　

Ｑ　＝ｍＲＣ　（１一叼Ｒ）（Ｔｈ　一　）　（１）　式中：ｍ　为热吹期或冷吹期流经回热器的工质　

平均质量流率，ｋｇ／ｓ；Ｔｈ　为回热器热端温度，Ｋ；Ｔ　为　回热器冷端温度，Ｋ；ｒ／　为回热器效率。回热器效率　对制冷机总效率影响很大，一般ＧＭ制冷机的效　率要求达到９９％之上　。　２．２　穿梭损失　穿梭损失是由排出器和气缸之间的往复运动引　

起的，在ＧＭ制冷机所有损失中占第二位。在制冷机　运行过程中，气缸与推移活塞同样具有轴向温度分　

布。由于活塞的往复运动，活塞上各点与气缸相对应　的点之间存在温差，造成了部分热量由热端传到冷　

端，造成冷量损失，其计算公式如（２）所示。　Ａ　Ｑ＝Ａ　Ａ－～Ｔ－Ａｔ　（２）　Ｏ　式中：Ａ　为排出器与膨胀气缸间环隙中气体的　

热导率，ｗ／（ｍ・Ｋ）；Ａ为传热面积，ｍ　；６为排出器　

与膨胀气缸间环隙，ｍ；△　为汽缸壁和排出器之间的　温差，Ｋ；Ａｔ为每次的传热时间，Ｓ。　

２．３流动阻力损失　制冷机工作过程中，气体流过进气阀、排气阀、管　道、回热器等部件时，存在流动阻力。如流动阻力使　

膨胀机冷腔的最高压力不再是Ｐ　，而是Ｐ　－ＡＰ　；最　低压力也不在是Ｐ　，而是Ｐ　＋ＡＰ　。这样在Ｐ—　图　

上是最高压力比理想高压低△Ｐ　，最低压力比理想　低压高△Ｐ　其结果是制冷机的制冷量减小。制冷量　

的减少量按（３）计算。　ＱＧ＝（△ＰＨ＋△Ｐ　）Ｖ　（３）　

３实验平台和实验步骤　

本实验系统由压缩机系统，制冷系统，温度测量　

系统，制冷量测量系统，真空系统和变频系统组成，图　１为制冷系统的示意图。　

图１制冷系统示意图　１．压缩机系统；２．温度测量系统；３．真空分子泵；　４．制冷量测量系统；５．变频器；６．制冷机驱动电机；　７．制冷机一级气缸；８．制冷机二级气缸。　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔ

ｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　第５期　频率对４　Ｋ　ＧＭ制冷机性能的影响　４７　

其中压缩机额定功率为３　０００　Ｗ，为风冷型压缩　

机，当用于４　Ｋ的ＧＭ制冷机时，最小风量为１　５００　ｍ　／ｈ，内部充有９９．９９９％纯度的氦气。压缩机和制　

冷机之间采用金属软管连接。ＧＭ制冷机采用机械　驱动，原使用６　ｋＷ的压缩机驱动，二级在４．２　Ｋ时可　以获得１　Ｗ的制冷量，变频器调节制冷机的电机转　

速来改变制冷机运行频率，当电机的转速为５０　ｒ／ｍｉｎ　时，制冷机运行的频率为１　Ｈｚ。　

实验中采用的温度测试系统是将在一级和二级　冷头上的温度传感器，用铜线和外端的ｌａｂｖｉｅｗ温度　

控制仪连接，ｌａｂｖｉｅｗ温度控制仪自动采集数据并通　过显示屏显示实时读数，在制冷机两级的温度稳定后　测量其平均值。制冷机的制冷量是衡量制冷机性能的　

重要指标之一，本实验在一级与二级冷头上分别安装　电阻式加热棒，通过铜丝将电阻元件与外端直流电源　

连接，形成加热器，加热量由功率计控制，通过电加热　量来模拟冷头的制冷量，从而得到制冷机制冷能力。　

对于制冷机来说，绝热十分重要，制冷机的低温　部分要置于真空罩内，对于多级制冷机，为了减少两　级冷头之间的辐射，第一级延伸到第二级的部分要设　

置辐射屏。制冷机工作的时候，真空罩内的真空度要　求达到１．３３×１０～一１．３３×１０　Ｐａ。通过上述方式　

可降低真空腔内的气体导热和二级冷头的辐射漏热。　制冷机的充气压力为１．７　ＭＰａ，压缩机开始工作　

时压力表显示高压为２５×１０　Ｐａ，低压为９×１０　Ｐａ。　开机时先用真空泵抽真空，起始一级温度低于二级温　

度，等一级温度低于１００　Ｋ时，停止抽真空。　

４实验结果及分析　

４．１　买验结果　实验通过添加一个变频器，来改变驱动ＧＭ制冷　机的运转速度，从而改变制冷机的频率。实验中采用　

６０、５４、４８、４２、３６、３０　ｒ／ｍｉｎ转速对制冷机进行了测　试，每个转速下改变的ＧＭ制冷机两级的加载负荷，　

其中一级的加载负荷分别设置成０、４、１０、２０、３５　Ｗ，　二级的加载负荷分别设置成０、０．２、０．４、０．５、７　ｗ。　

当一级和二级的加载负荷都为０　Ｗ时，压缩机　高压和低压的压差、二级平衡时的温度随电机转速的　趋势如图２所示。压差△Ｐ随着转速的降低而升高，　

与此同时二级冷头的温度下降。制冷机电机转速的　降低，导致制冷机进气和排气之间的时间间距变大，　

进排气压差变大。　图３所示，在一级加载负荷为０　Ｗ，而二级加载　赠　

１　１　

图２　和ＡＰ随转速的变化　

Ｆｉｇ．２　Ｔ２　ａｎｄ　ＡＰ　ｃｈａｎｇｅｄ　ｗｉｔｈ　ｍｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ　窒　写　

负荷为０．５　Ｗ时，改变电机的转速，当电机的转速为　４２　ｒ／ｍｉｎ时，能达到４．２　Ｋ的制冷温度，这是在二级　加载负荷为０．５　ｗ时的最低温度点。当一级加载量　为０　Ｗ，第二级温度达到４．２　Ｋ时制冷机的加载负荷　随电机转速的变化如图４所示，在４２　ｒ／ｍｉｎ的时候达