CN108562450A - 一种深低温条件下的回热器阻力特性测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及深低温阻力特性测量领域，公开了一种在深低温条件下测量回热器阻力特性的测试装置，包括真空罩、压缩机侧隔热连管、惯性管侧绝隔热连管、回热器工装连管、动态参数测试工装；回热器工装，真空罩接线顶盖；GM机连接工装。本发明通过在回热器工装两侧连接动态参数测试工装，并且在动态参数测试工装上布置热线风速仪以及压力传感器，可测量回热器两侧的动态压力以及动态速度。通过GM机连接工装将回热器工装与GM机连接，达到对其冷却的目的。再通过隔热连管将动态参数测试工装与真空罩外部压力波发生器连接，进而实现在深低温下对回热器进行交变流动阻力特性测试的功能。

Description

一种深低温条件下的回热器阻力特性测试装置
技术领域
本发明涉及深低温阻力特性测量技术领域，特别是涉及一种深低温条件下的回热器阻力特性测试装置。
背景技术
目前，在回热式深低温制冷机内部，工质气体在压缩机的驱动下处于交变流动状态，调相机构使工质与回热器材料发生热量交换，实现制冷效应。研究制冷机内部交变流动阻力特性和机理，是深入了解制冷机理，优化制冷机设计的基础。同时，回热器作为深低温制冷机的关键部件，获得深低温回热材料物性与深低温回热器阻力特性，是提升制冷机性能的关键；由于回热器所处温差和压降大，冷端热端的材料物性受温度影响，因此，用一个经验方程式表示全温区回热器内的阻力特性与换热特性存在不可忽略的误差。为了优化回热器设计、提高其工作效率，必须对深低温获取系统回热器中的交变流动阻力特性进行深入的分析。
另外，现有的深低温阻力特性测试装置，压力测试单元与速度测试单元轴向并列连接，并通过薄壁管与真空罩连接。外部的压力驱动装置通过真空罩上的连接孔为系统内部提供压力波。该测试方案由于压力测试单元与速度测试单元存在轴向位置差，因此其产生的空容积效应会使得压力测量单元与速度测量单元的相位差存在误差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，旨在解决现有技术中的深低温阻力特性测试装置中回热器内阻力特性与换热特性存在误差，容易出现空容积效应；安装不方便、工作效率低的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，包括真空罩、设置于所述真空罩内部的制冷机，所述制冷机下端连接有测试装置主体，所述测试装置主体通过隔热连管与所述真空罩相连；测试装置主体内部设置有回热器工装和动态参数测试工装，回热器工装设置于制冷机的下端，，所述动态参数测试工装内部设置有热线探针和压力传感器，且所述热线探针和压力传感器同轴布置。
其中，所述测试装置主体包括连接于所述制冷机下端的回热器工装，所述回热器工装两端分别设置有所述动态参数测试工装，所述动态参数测试工装均通过所述隔热连管与所述真空罩相连。
其中，所述回热器工装通过制冷机连接工装连接在所述制冷机的下端。
其中，所述回热器工装与动态参数测试工装之间、所述热线探针和压力传感器的安装接口均采用铟丝密封。
其中，所述测试装置主体包括低温标定冷却器和低温标定气库，所述低温标定冷却器通过制冷机连接工装连接于所述制冷机的下端，所述低温标定冷却器的一端通过所述隔热连管与所述真空罩相连，所述低温标定冷却器的另一端依次连接有所述动态参数测试工装和低温标定气库。
其中，所述低温标定气库上侧设置有压力传感器安装接口。
其中，所述低温标定冷却器呈圆柱状，所述低温标定冷却器内部设置有翅片，所述翅片在所述低温标定冷却器内部沿圆周均匀分布，相邻的所述翅片之间形成矩形狭缝。
其中，所述矩形狭缝的宽度为0.2mm至0.4mm。
其中，真空罩包括上下盖合的上真空罩和下真空罩，下真空罩上设置有真空罩接线顶盖，制冷机设置于上真空罩内，测试装置主体设置于下真空罩内。
其中，所述隔热连管包括脉冲管侧隔热连管、压缩机侧隔热连管、回热器工装连管和低温标定冷却器连管，所述脉冲管侧隔热连管与回热器工装连管之间、所述压缩机侧隔热连管与回热器工装连管之间、所述压缩机侧隔热连管与低温标定冷却器连管之间均通过法兰连接。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供的一种深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，通过在动态参数测试工装内部设置热线探针和压力传感器，且热线探针和压力传感器同轴布置，该动态参数测试工装能够测量流道中同一轴向位置的动态参数，避免了空容积效应带来的相位差测量偏差。
附图说明
图1为本发明实施例的深低温条件下的回热器阻力特性测试装置的剖面视图；
图2为本发明实施例的深低温条件下的回热器阻力特性测试装置与低温标定装置配合的剖面视图；
图3为图1或图2中所示回热器工装的结构示意图；
图4为图1或图2中所示动态参数测试工装的结构示意图；
图5为图1或图2中所示低温标定冷却器的侧视图；
图6为图1或图2中所示低温标定冷却器的俯视图；
图中，1-上真空罩；2-下真空罩；3-真空罩接线顶盖；4-制冷机；5-制冷机连接工装；6-回热器工装；7-动态参数测试工装；8-脉冲管侧隔热连管；9-压缩机侧隔热连管；10-回热器工装连管；11-低温标定冷却器连管；12-低温标定冷却器；121-翅片；122-矩形狭缝；13-低温标定气库。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1至图6所示，本发明提供了一种深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，包括真空罩、设置于真空罩内部的制冷机4，制冷机4为GM制冷机，制冷机4下端连接有测试装置主体，测试装置主体通过隔热连管与真空罩相连，隔热连管管壁采用不锈钢薄壁管，管壁两侧与紫铜法兰焊接，一侧为低温侧紫铜法兰，法兰设置铟丝密封口，另一侧为常温紫铜法兰，设置O圈密封槽；测试装置主体内部设置有回热器工装6和动态参数测试工装7，回热器工装6设置于制冷机4的下端，动态参数测试工装7内部设置有热线探针和压力传感器，且热线探针和压力传感器同轴布置。
本发明提供的一种深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，通过在动态参数测试工装内部设置热线探针和压力传感器，且热线探针和压力传感器同轴布置，该动态参数测试工装能够测量流道中同一轴向位置的动态参数，避免了空容积效应带来的相位差测量偏差。
进一步的，测试装置主体包括连接于制冷机4下端的回热器工装6，回热器工装6两端分别设置有动态参数测试工装7，动态参数测试工装7均通过隔热连管与真空罩相连。
进一步的，回热器工装6通过制冷机连接工装5连接在制冷机4的下端。回热器工装6整体采用紫铜材质，其两侧采用铟丝密封口，工装内部为圆形通道，工装中部设置GM制冷机连接口。连接工装5整体材质采用紫铜，连接工装5与GM制冷机连接的部分以及工装中部均为圆柱型，工装与回热器工装6连接部分为长方体。
进一步的，回热器工装6与动态参数测试工装7之间、热线探针和压力传感器的安装接口均采用铟丝密封。本实施例中，动态参数测试工装7其外壁为圆柱形，内部流道为圆形流道；压力传感器与热线探针安装接口均采用铟丝密封，并且动态参数测试工装7与回热器工装6的连接处采用铟丝密封；压力传感器与热线探针接口位置位于动态参数测试工装7的同一轴向位置，以实现减小空容积效应影响的功能。将热线探针和压力传感器安装在动态参数测试工装7的同一轴向位置接口上，即可实现对该处流道的动态压力和动态速度测量的功能；该动态参数测试工装7设置连接口，与回热器工装6连接；测试中将动态参数测试工装7与回热器工装6两侧，可实现对回热器冷热端动态参数进行测试的功能。
参见图2所示，测试装置主体包括低温标定冷却器12和低温标定气库13，低温标定冷却器12通过制冷机连接工装5连接于制冷机4的下端，低温标定冷却器12的一端通过隔热连管与真空罩相连，低温标定冷却器12的另一端依次连接有动态参数测试工装7和低温标定气库13。低温标定气库13材质采用不锈钢，气库外形为圆桶型，气库上侧设置压力传感器安装接口，气库与回热器工装通过铟丝密封槽连接。
使用时，GM制冷机冷机连接到低温标定冷却器12上方的连接口上，同时将两侧的铟丝密封口与回热器工装6连接，进行标定时，在压缩机的驱动下标定装置内的工质处于交变流动状态；其中热线低温冷却器为狭缝式换热器，在GM制冷机的冷却下换热器降低至指定温度。同时利用气库入口处布置的热线探针，获得相应的交变电压值。以气库入口速度为横坐标，同时以布置在气库入口的热线风速仪采集的电压值平方为纵坐标，可得到电压-速度曲线。根据电压与速度的对应关系进行拟合，即可得到热线风速仪在低温下的电压-速度转化公式，进而实现热线标定的目的。
进一步的，低温标定气库13上侧设置有压力传感器安装接口。
进一步的，低温标定冷却器12呈圆柱状，低温标定冷却器12内部设置有翅片121，翅片121在低温标定冷却器12内部沿圆周均匀分布，相邻的翅片121之间形成矩形狭缝122。低温标定冷却器12采用紫铜材料，外部成圆柱形，内部为扇叶形狭缝；低温标定冷却器12上侧设置GM制冷机连接口，两侧设置铟丝密封口，能够与回热器工装6连接；狭缝结构包括翅片121和矩形狭缝122，翅片121是许多沿圆周以一定规律均匀分布的截面为矩形的换热片，翅片根部与换热器筒连成一体；翅片121之间形成矩形狭缝122，矩形狭缝122为气体通道，气体沿换热器轴向流动。具体的，扇叶形狭缝的宽度为0.3mm，狭缝数量为56，换热器筒的轴向长度为39mm，扇叶形狭缝中心留有圆形通孔，直径为1mm。
进一步的，矩形狭缝122的宽度为0.2mm至0.4mm。
进一步的，真空罩包括上下盖合的上真空罩1和下真空罩2，下真空罩2上设置有真空罩接线顶盖3，制冷机4设置于上真空罩1内，测试装置主体设置于下真空罩2内。真空罩总共分为三个部分：上真空罩1、下真空罩2以及真空罩接线顶盖3，上真空罩1的上部为圆柱形，设置GM制冷机连接口，下部为圆型，设置下真空罩连接口；真空罩接线顶盖3为圆形顶盖，顶盖上方设置多个信号线连接口、压缩机进气管口以及惯性管连接口；下真空罩2为圆柱形，其与真空罩接线顶盖3进行焊接连接；上真空罩1整体直径小于下真空罩2，并以O圈密封的方式进行连接。
将上真空罩1、下真空罩2以及真空罩接线顶盖3的连接，形成真空罩整体；将回热器工装6、动态参数测试工装7连接到GM制冷机冷头，并将GM制冷机连接到真空罩上连接口；此时真空罩与GM制冷机共同形成了封闭空间，在真空泵工作时可形成真空空间，回热器工装6以及动态参数测试工装7均置于真空空间内；回热器工装6以及动态参数测试工装7与压力波驱动装置的连接管上安装隔热连管，该连管为厚度0.15mm的不锈钢薄壁管，能够大幅减少回热器与外界的固体导热损失，有助于维持低温。
进一步的，隔热连管包括脉冲管侧隔热连管8、压缩机侧隔热连管9、回热器工装连管10和低温标定冷却器连管11，脉冲管侧隔热连管8与回热器工装连管10之间、压缩机侧隔热连管9与回热器工装连管10之间、压缩机侧隔热连管9与低温标定冷却器连管11之间均通过法兰连接。
基于上述测试装置测量得到的动态参数，基于长度平均法，即可对回热器阻力系数进行计算，具体计算方法如下：
假设回热器内部流体为一维模型，由一维动量方程可得：
由于回热器中速度相对较小，因此式中速度二阶项可以忽略，同时右边第二项可以写成下式形式:
因此动量方程可简化为下式形式：
式中f为阻力系数，左边第一项为惯性项，在本实验条件下惯性项可以忽略不计，因此得到阻力系数的表达式如下式所示：
沿回热器长度方向进行积分，就可以得到回热器长度平均阻力系数计算表达式：
式子中Ph(t)，Uh(t)表，Pc(t)，Uc(t)均为本发明测量得到的回热器两侧的动态参数，L表示回热器长度，dh表示丝网的水力直径。基于该方法，本发明可以实现对低温条件下的回热器进行阻力特性测量的功能。
参见图2所示，测试装置主体包括低温标定冷却器12和低温标定气库13，低温标定冷却器12通过制冷机连接工装5连接于制冷机4的下端，低温标定冷却器12的一端通过隔热连管与真空罩相连，低温标定冷却器12的另一端依次连接有动态参数测试工装7和低温标定气库13，利用上述一种可用于低温条件下热线探针标定的装置以及一种低温下对热线进行标定的固定容积法：低温标定冷却器12采用紫铜材料，内部为扇叶形狭缝，低温标定冷却器12上侧设置GM制冷机连接口，两侧设置铟丝密封口，能够与回热器工装连接；进行标定时，在压缩机的驱动下标定装置内的工质处于交变流动状态，其中热线低温冷却器为狭缝式换热器，在GM制冷机的冷却下换热器降低至指定温度，流经冷却器的工质会得到充分的冷却，并且气库采用紫铜结构，也具有很好的换热性能，因此装置内部气体温度均可降到指定温度。
恒温式热线风速仪通过控制加热量实现热平衡，因此其自身的加热量等于对流换热量，于是可得下式：
Q＝Nu·πLλf(Ts-Tc)
又根据雷诺数公式和雷诺数表达式可得下式：
Nu＝A+B·Ren
因此可得到热线电压Es与来流速度u之间的关系式为：
Es 2＝A'+B'·un′
同时利用气库入口处布置的热线探针，获得相应的交变电压值。以气库入口速度为横坐标，同时以布置在气库入口的热线风速仪采集的电压值平方为纵坐标，可得到电压-速度曲线。根据电压与速度的对应关系进行拟合，即可确定上式中未知数A’、B’、n’的值，进而得到热线风速仪在低温下的电压-速度转化公式，进而实现热线标定的目的。
本发明提供的一种深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，有益效果是：通过设置隔热结构，能够将回热器维持在低温条件下，为低温条件下回热器阻力特性测试提供相应的低温条件；能够测量低温条件下的动态参数，基于动态参数测试工装的热线探针以及压力传感器，能够实时测量高频率交变流动下的流体动态速度以及动态压力，为阻力特性测试提供了基本参数；提供了一种低温条件下对热线探针进行标定的装置，并提出了一种固定容积法用于标定低温条件下的热线探针，解决了热线探针在低温条件下难以标定的问题；提出了一种动态参数测试单元，该单元能够测量流道中同一轴向位置的动态参数，避免了空容积效应带来的相位差测量偏差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，其特征在于，包括真空罩、设置于所述真空罩内部的制冷机(4)，所述制冷机(4)下端连接有测试装置主体，所述测试装置主体通过隔热连管与所述真空罩相连；所述测试装置主体内部设置有回热器工装(6)和动态参数测试工装(7)，所述回热器工装(6)设置于所述制冷机(4)的下端，所述动态参数测试工装(7)内部设置有热线探针和压力传感器，且所述热线探针和压力传感器同轴布置。
2.如权利要求1所述的深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，其特征在于，所述回热器工装(6)两端分别设置有所述动态参数测试工装(7)，所述动态参数测试工装(7)均通过所述隔热连管与所述真空罩相连。
3.如权利要求2所述的深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，其特征在于，所述回热器工装(6)通过制冷机连接工装(5)连接在所述制冷机(4)的下端。
4.如权利要求2所述的深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，其特征在于，所述回热器工装(6)与动态参数测试工装(7)之间、所述热线探针和压力传感器的安装接口均采用铟丝密封。
5.如权利要求1所述的深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，其特征在于，所述测试装置主体包括低温标定冷却器(12)和低温标定气库(13)，所述低温标定冷却器(12)通过制冷机连接工装(5)连接于所述制冷机(4)的下端，所述低温标定冷却器(12)的一端通过所述隔热连管与所述真空罩相连，所述低温标定冷却器(12)的另一端依次连接有所述动态参数测试工装(7)和低温标定气库(13)。
6.如权利要求5所述的深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，其特征在于，所述低温标定气库(13)上侧设置有压力传感器安装接口。
7.如权利要求5所述的深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，其特征在于，所述低温标定冷却器(12)呈圆柱状，所述低温标定冷却器(12)内部设置有翅片(121)，所述翅片(121)在所述低温标定冷却器(12)内部沿圆周均匀分布，相邻的所述翅片(121)之间形成矩形狭缝(122)。
8.如权利要求7所述的深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，其特征在于，所述矩形狭缝(122)的宽度为0.2mm至0.4mm。
9.如权利要求1所述的深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，其特征在于，所述真空罩包括上下盖合的上真空罩(1)和下真空罩(2)，所述下真空罩(2)上设置有真空罩接线顶盖(3)，所述制冷机(4)设置于所述上真空罩(1)内，所述测试装置主体设置于所述下真空罩(2)内。
10.如权利要求1所述的深低温条件下的回热器阻力特性测试装置，其特征在于，所述隔热连管包括脉冲管侧隔热连管(8)、压缩机侧隔热连管(9)、回热器工装连管(10)和低温标定冷却器连管(11)，所述脉冲管侧隔热连管(8)与回热器工装连管(10)之间、所述压缩机侧隔热连管(9)与回热器工装连管(10)之间、所述压缩机侧隔热连管(9)与低温标定冷却器连管(11)之间均通过法兰连接。
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