節流孔孔徑對記憶合金自調式制冷器流量穩定性的影響

郭祥祥，韓蓬磊

〈制冷技術〉

節流孔孔徑對記憶合金自調式制冷器流量穩定性的影響

郭祥祥，韓蓬磊

（華北光電技術研究所，北京 100015 ）

本文通過理論計算和實驗研究對不同節流孔孔徑的記憶合金自調式制冷器流量穩定性進行了分析。理論計算表明：當制冷器受到相同擾動因素影響時，節流孔孔徑越小的制冷器，流量越穩定；流量變化量隨節流孔孔徑增大呈線性增長趨勢。實驗研究中，制作了孔徑分別為0.15mm和0.25mm的記憶合金自調式制冷器，將疲勞測試和振動測試作為擾動因素，對制冷器在29MPa和22MPa的流量進行測試，結果顯示，孔徑為0.15mm的制冷器流量方差明顯小于0.25mm的制冷器。理論和實驗研究均表明，縮小節流孔孔徑的設計有助于提高記憶合金自調式制冷器的流量穩定性。

制冷器；記憶合金；節流孔；流量；穩定性

0 引言

區別于傳統的波紋管自調形式，記憶合金型自調式制冷器采用了另外一條自調技術路線，即利用記憶材料隨溫度變化產生的形狀記憶效應來實現制冷器流量的調節，具有結構簡單、裝調方便、壽命長等優點[1]。記憶合金制冷器自調后，流量會趨于穩定，但在一些因素如振動、溫度變化、制冷器記憶合金的不穩定等的影響下，穩定流量可能會發生較大變化，造成制冷器不到溫或工作時間縮短。關于記憶合金自調式制冷器流量穩定性的研究，學者多從提升記憶合金彈簧的疲勞穩定性和設計預緊力來維持制冷器流量的穩定[2-5]，很少有學者研究節流孔大小對制冷器流量穩定性的影響。

由于焦耳湯姆遜效應存在，高壓氣體流經節流孔，壓力明顯降低，相應地溫度大幅下降直至相變為液體，液態制冷工質蒸發后吸熱來實現被冷卻對象的制冷。

節流孔直徑的設計對制冷器性能有著重要的影響：直徑偏小，制冷流量也偏小，制冷量不足；直徑偏大，制冷工質液化率低，制冷效率不高，且探測器工作時長會受到影響。為滿足制冷量和探測器工作時長的要求，節流孔直徑將被限制在一個范圍內。對于對流量穩定性要求較高的自調式制冷器，考慮節流孔直徑對流量穩定性的影響，可以進一步尋找到一個更佳的節流孔直徑。本文對一款典型的記憶合金自調式制冷器，自調機構見圖1，對其節流孔孔徑在0.10～0.25mm之間變化時的流量穩定性進行了理論和實驗研究，探討了節流孔孔徑對制冷器流量穩定性的影響[6]。

1 理論計算

圖1是一款典型的記憶合金自調式制冷器結構，主要包括主動彈簧、形狀記憶合金調節器、補償塊、平衡彈簧和閥針。制冷器通氣后，高壓氣體先大流量流經節流孔，經節流后溫度驟降，形狀記憶合金彈簧被冷卻收縮，主動彈簧和平衡彈簧相應地伸長，帶動閥針運動關小節流孔實現流量的自動調節。

圖1 記憶合金自調式制冷器結構圖

現從理論層面分析，改變節流孔孔徑大小是否有助于提高自調制冷器流量穩定性。圖2為節流孔和閥針結構示意圖，氣流由1斷面流向2斷面。

為簡化計算，現作兩點假設：

1）氣流由1斷面流到2斷面的沿程阻力損失忽略不計；

2）氣流相變發生在2斷面之后，1-2斷面制冷工質保持氣體狀態。

圖2 節流孔和閥針結構示意圖

現通過能量守恒來計算制冷工質流量。由于閥針阻礙導致的局部阻力損失系數為[7]：

式中：1、2分別為1、2斷面的過流面積。

由能量守恒知：

式中：1為斷面1的全壓；等式右側第一項為斷面1～2之間的局部壓力損失，為氣流的密度；2為斷面2處的流速；s2為斷面2的靜壓，與外界大氣相通，接近于大氣壓，取值為0；d2為斷面2處的動壓，其表達式為：

流過斷面2的流量為：

＝22(4)

式(2)、(3)、(4)聯立：

斷面2面積2可用節流孔孔徑1、閥針進入節流孔的深度、閥針的角度表示：

由流量公式可知，影響流量的主要因素是節流孔孔徑、閥針進入節流孔的距離、閥針的角度、進氣壓力、氣流密度。

本研究通過計算制冷器流量變化量來評估不同節流孔孔徑制冷器的流量穩定性。對于一種特定的自調式制冷器，其調試流量一般都會設定在某一區間，計算中控制不同直徑的制冷器調試流量均相同，為14.61g/min；設擾動因素會導致閥針進入節流孔中的距離減少0.01mm；制冷工質為氮氣，節流前密度為506.25kg/m3；1斷面處的壓力為27MPa，閥針角度為30°，計算結果如表1和圖3所示。

表1 節流孔孔徑對流量穩定性影響算例

圖3 流量變化量和節流孔孔徑的關系

表1數據顯示，在14.61g/min的調試流量下，擾動因素導致閥針進入節流孔的距離減少0.01mm時，節流孔孔徑為0.25mm的制冷器流量增加了16.99g/min，而節流孔孔徑為0.10mm的制冷器流量增加了6.46g/min，小于0.25mm孔徑制冷器10.53g/min；圖3顯示制冷器流量變化量隨節流孔孔徑增大呈線性增大趨勢；說明節流孔孔徑越小，制冷器流量越不容易發生變化，流量穩定性越好。

制冷器調試流量既要滿足制冷量要求，又不能超差，要處于一個合理的范圍內。現分析調試流量大小對流量穩定性的影響。節流孔孔徑設定為0.15mm；調試流量在14.61～23.65g/min之間變化；干擾因素相同，均使得閥針在節流孔中的距離減少0.01mm；計算結果見表2和圖4。

表2 調試流量對流量穩定性影響算例

圖4 流量變化量和調試流量的關系

表2數據顯示，在14.61g/min的調試流量下，受擾動因素影響，制冷器流量變化量為10.04g/min，當調試流量增大至23.65g/min時，制冷器流量變化量為9.89g/min，流量變化量減少了0.15g/min；圖4中顯示流量變化量隨調試流量的增大呈線性減少趨勢。整體來看，調試流量增加，制冷器的流量變化量會減小，但減小幅度不大，而調試流量調的過大，很容易造成制冷器流量超差，增大調試流量對提高制冷器的流量穩定性的作用較為有限。

理論分析表明：減小節流孔直徑有助于提高制冷器的流量穩定性，改變調試流量對制冷器流量穩定性的影響較小。

2 實驗研究

制冷器在受到自身或外界因素變化的影響下，流量會發生變化。為引入擾動因素，實驗中對制冷器進行了疲勞測試和振動測試。記憶合金彈簧由于其自身材料的特點存在疲勞穩定性的問題，其低溫下收縮量不穩定會影響閥針進入節流孔的距離，導致制冷器流量的變化，疲勞測試可以反映記憶合金彈簧不穩定對制冷器流量穩定性的影響；振動測試是為了模擬制冷器機動過程中受到的加速度沖擊，制冷器受加速度沖擊后，自調機構之間的相對位置會發生一定的變化，從而導致制冷器流量發生變化。

疲勞測試臺如圖5所示，疲勞測試設備一端與氣源連接，另一端連有10個接口，可同時供10只制冷器測試。用戶在控制臺的可視化界面中輸入工作時間、停機時間及運行次數，程序根據輸入參數控制氣源的輸送和切斷。測試在恒溫、恒濕的潔凈間中進行，溫度為22℃、濕度為46%、凈化等級為10萬級。測試中，通過調節減壓閥，將供氣壓力調節至29MPa，工作時間設為5min，停機時間設為15min，運行次數設為100次。在工作時間內，程序打開氣源開關，向制冷器輸送高壓氣體，氣體節流制冷，記憶合金彈簧被冷卻后收縮；在停機時間內，程序關閉氣源開關，停止向制冷器輸送高壓氣體，制冷器無冷量輸出，記憶合金彈簧逐漸恢復至原長，在100次的運行次數下，記憶合金彈簧經歷100次的疲勞變形。

振動測試臺如圖6所示，功能振動功率譜密度如圖7所示。試驗中，制冷器固定于制冷器裝卡夾具中，振動過程中制冷器全程通氣，氣源壓力29MPa。振動頻率為20～2000Hz，最大功率譜密度為0.04g2/Hz，總加速度均方根值為7.68g，振動方向為振動臺軸向，振動時間為10min。

記憶合金自調式制冷器節流孔直徑通常在0.10～0.25mm之間。為使對比明顯，應選擇直徑跨度較大的節流孔。考慮到0.10mm附近的節流孔加工難度大，精度較難保證，因此選擇直徑為0.15mm和0.25mm兩種節流孔用實驗研究。實驗中，0.15mm和0.25mm兩種節流孔規格的制冷器各制作9只，由于將制冷器的流量調至完全相同是非常困難的，實驗中將制冷器在29MPa進行調試，調試流量保持在15～18g/min的小區間變化。對制冷器調試后、疲勞測試后、振動后的流量進行測試，測試壓力為29MPa和22MPa，共有6種不同的工況。所用流量計為質量流量計，如圖8所示。測得的流量數據如表3和表4所示。

圖5 疲勞測試實驗臺

圖6 振動測試實驗臺

圖7 功能振動功率譜密度

(9)

表3 0.15mm節流孔制冷器流量數據

表4 0.25mm節流孔制冷器流量數據

表5 0.15mm/0.25mm孔徑制冷器流量方差

從方差均值來看：0.15mm節流孔的制冷器在29MPa和22MPa下的流量方差分別為2.6932和3.5335，而0.25mm節流孔的制冷器在兩種壓力下的方差均值分別為4.8311和8.4192，明顯大于節流孔直徑為0.15mm的情況。實驗結果表明：0.15mm節流孔孔徑的制冷器在29MPa和22MPa下的流量方差波動均較小，不容易發生較大的流量變化。

3 結論

流量穩定性是評價自調型制冷器性能的一個重要指標。制冷器流量增大會導致工作時長縮短，流量減小會導致制冷量不足。本文從理論分析和實驗研究兩種方法出發，探究了節流孔孔徑對記憶合金自調式制冷器的流量穩定性的影響。研究表明：在滿足其他使用要求的情況下，節流孔孔徑設計地越小，制冷器的流量穩定性越好。本文研究內容有助于記憶合金型自調式制冷器設計優化。

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Effect of Orifice Size on Flow Stability of Shape Memory Alloy Self-Regulated Cryocoolers

GUO Xiangxiang，HAN Penglei

(North China Research Institute of Electro-Optics, Beijing 100015, China)

The flow stability of shape memory alloy (SMA) self-regulated cryocoolers with different orifice sizes is analyzed via theoretical calculation and experimental study. The theoretical calculation demonstrates that thesmaller the orifice diameter, the more stable is the flow ratewhen the cryocoolers are influenced by the same disturbance factors.The change in flow rate increases linearly with the increase in orifice diameter. In the experimental investigation, two types of SMA self-regulated cryocoolers, equipped with 0.15mm and 0.25mm orifices, respectively, were developed. Fatigue and vibration tests were introduced as disturbance factors. The flow rates of cryocoolers were evaluatedat 29 and 22MPa. The results show that the cryocoolers with a 0.15mm orifice have smaller flow rate variance than those with a 0.25mm orifice. Both the theoretical and experimental results verified that narrowing the diameter of the orifice is conducive to the flow stability of SMA self-regulated cryocoolers.

cryocoolers, shape memory alloy (SMA), orifice, flow rate, stability

TB65

A

1001-8891(2021)06-607-07

2020-09-03；

2020-10-07.

郭祥祥（1992-），男，河南洛陽人，工程師，碩士，主要從事焦耳湯姆遜制冷器研究。E-mail：gxxgxx1234@126.com。