一种低频制冷机用配气阀的性能评估方法及系统与流程

1.本发明属于低温制冷领域，具体是涉及一种低频制冷机用配气阀的性能评估方法及系统。

背景技术：

2.近年来，空间技术、超导技术、低温真空技术、红外技术、原子能技术等现代科学应用技术发展迅速，其中部分关键的仪器设备与技术需要在低温环境下才能运行得更稳定、速度更快、灵敏度更高等，因此对体积小、运行稳定的低温制冷机提出了更多的需求，这也使得包括gm制冷机在内的小型低温制冷机技术在需求牵引下得以蓬勃发展。
3.有阀低频制冷机主要由压缩机、配气阀和冷头三大部件构成。其中压缩机提供高纯工质(少量含油)，配气阀通过配气阀、平面阀或电磁阀等特殊结构，将直流工质转变为低频交变流动工质驱动制冷机工作。
4.通过对制冷机整机能量损失分析表明，系统能量损失主要集中在压缩机、配气阀和回热器内，图1对整机能量损失统计分析表明，可用于制冷机制冷的占整机耗功仅为1％～6％。制冷机中压缩机等温压缩损失占比最高可达68％，其次配气阀损失占整机损失约22％，回热器损失则随着制冷温度降低，占整机损失比重逐渐增加，当制冷温度为22.2k时，回热器损失占整机损失11％。
5.因此相较于斯特林型高频制冷机，有阀低频制冷机内回热器效率极高，制冷机内损失主要集中在压缩机和配气阀内。为此，对gm型制冷机中压缩机和配气阀的结构优化，可大幅提升制冷机整机性能。目前还缺少对配气阀性能评估的系统。

技术实现要素：

6.本发明提供了一种低频制冷机用配气阀的性能评估方法，采用该方法能够快速实现对待测试配气阀气体流量、流阻损失、泄漏损失，可以很好的对配气阀的优化起到指导作用，进而进一步实现对制冷机整机性能的优化提升。
7.一种低频制冷机用配气阀的性能评估方法，包括：
8.(1)将待测试配气阀安装在评估平台对应位置；所述待测试配气阀包括至少一个进气阀和至少一个出气阀；
9.(2)按照设定采样率，采集压力数据，获得对应阀门两端的压差以及气库压力；
10.(3)根据阀门两端压差与阀门工质流量之间的关系，获得对应阀门的工质流量，利用气库压力获得气库侧质量流量；
11.(4)根据气库侧质量流量与流阻损失之间的关系，以及泄漏流量与泄漏损失之间的关系，分别获取待测试配气阀的流阻损失、泄漏损失。
12.配气阀门是通过特殊的机械设计，可将直流工质转变为低频交变流动工质，是连接压缩机与膨胀机的关键部件。配气阀门结构多样，可通过多种结构完成直流转交变流动，主要包括平面旋转阀、电磁阀及其它形式的时序阀门。作为优选，所述配气阀包括一个进气
阀和一个出气阀；某一时刻，所述泄漏流量取该时刻进气阀工质流量和出气阀工质流量两者绝对值的较小值。配气阀中进气阀和出气阀可以为一体结构，也可以是单独的两个阀门结构。
13.作为优选，所述阀门两端压差与阀门工质流量之间的关系如下：
[0014][0015]
其中为为工质流量，k为与阀门相关的常量，a0/ah为阀门开口截面积与流道截面积(一般取0.01)；ρe是当地流体密度；
△
p为阀门两端的压差。一般情况下，阀门所连接管路内径相同。
[0016]
作为优选，所述k由如下方法得到：
[0017]
将进气阀或出气阀分别安装于高低压气源之间，将该阀门关闭，检测阀门所连流道的工质流量，同时检测阀门两端的压差，利用式(i)计算得到进气阀或出气阀的k
d1
、k
d2
，其中最小值作为所述k。
[0018]
作为优选，所述k＝c
p
a0。c
p
为阀门的流量系数(或泄漏系数)，a0为阀门开口截面积。
[0019]
作为优选，所述气库侧质量流量利用如下公式计算得到：
[0020][0021]
为气库侧质量流量，为气库的压力随时间变化率，v为气库体积，rg是气体常数，t是气库温度。通过检测气库压力p即可求得气库侧质量流量。
[0022]
作为优选，所述气库侧质量流量与流阻损失之间的关系如下：
[0023]
进气阀打开时，其流阻产生的损失为：
[0024]
当
[0025]
出气阀打开时，工质流经出气阀产生的损失为：
[0026]
当
[0027]
其中ntnode为配气阀运行一个周期内的时间节点数，为气库侧质量流量，g1为配气阀高压侧工质某一状态对应的吉布斯自由能，g2为配气阀低压侧工质某一状态对应的吉布斯自由能，g3为负载侧工质某一状态对应的吉布斯自由能。
[0028]
作为优选，所述泄漏流量与泄漏损失之间的关系如下：
[0029][0030]
其中，为进气阀入口管路的质量流量，为出气阀出口管路的质量流量；g1为配气阀高压侧工质某一状态对应的吉布斯自由能，g2为配气阀低压侧工质某一状态对应的吉布斯自由能。
[0031]
一种低频制冷机用配气阀的性能评估系统，包括：
[0032]
与高压气源连接的高压侧管路；
[0033]
与低压气源连接的低压侧管路；
[0034]
所述进气阀和出气阀高压侧管路、低压侧管路另一端相连；
[0035]
与进气阀和出气阀另一端同时导通的负载侧管路，该管路上设有阀门，该管路另一端设有气库；
[0036]
控制进气阀和出气阀工作周期的时序控制器；
[0037]
同时设有分别用检测所述高压侧管路、低压侧管路、负载侧管路以及气库压力的压力传感器。
[0038]
作为优选，所述高压气源、低压气源分别由储气罐提供或者由压缩机提供，即检测时，直接将高压侧管路和低压侧管路分别与压缩机的出口和入口相连。
[0039]
原理分析：
[0040]
配气阀门是通过特殊的机械设计，可将直流工质转变为低频交变流动工质，是连接压缩机与膨胀机的关键部件。配气阀门结构多样，可通过多种结构完成直流转交变流动，主要包括平面旋转阀、电磁阀及其它形式的时序阀门。由于动密封的存在，配气阀不可避免存在高、低压串气，产生泄露损失。图2是配气阀的模型图，下标1、2、3分别指高压腔、低压腔和膨胀机内的压力波与质量流，这里定义流动方向为正向，流动方向为负向。
[0041]
图3是配气阀定义的开度系数(frestrict)在进气阶段(intake period)、排气阶段(exhaust period)和平静期(peace period)的变化情况。进气阶段，进气阀打开、出气阀关闭，从高压侧、制冷机侧向低压泄漏的工质为：
[0042][0043]
这里符号“||”指取绝对值。
[0044]
排气阶段，进气阀关闭，出气阀打开，高压侧向冷头、低压侧泄漏的工质为：
[0045][0046]
制冷机处于平静期时，进、出气阀均关闭，此时配气阀泄漏量近似为：
[0047][0048]
联立公式(1)～(3)可知，无论配气阀处于何种工作状态，配气阀内高低压之间的泄漏流量均为：
[0049][0050]
配气阀内的进气阀和出气阀可当作喷嘴处理，流体流经喷嘴时由于非线性流阻的存在，进出口压差δp与流量是非线性关系，可以用下式表示：
[0051][0052]
其中cd为流量系数，ao/ah是喷嘴与流道截面积比(一般取0.01)，ρe是当地流体密度。
[0053]
所述a0理论上可以为0，但是实际上因为制造工艺等，很难做到关闭时0，存在泄漏，进而存在泄漏损失。实际计算时，可以直接将c
dao
作为整体一个常量k对待，直接求取k的
大小。
[0054]
对于待测阀门，其k作为常量可通过图4所示平台测试得到。即，将待测阀门(进气阀和出气阀)安装于高低压气源之间，关闭阀门，通过小量程流量计mfm及压差计可获得阀门两侧压差
△
p及泄漏工质流量根据公式(5)可计算得到待测阀门关闭时的k
d1
(进气阀)和k
d2
(出气阀)，选择较小的作为k值。求得k后，公式(5)中，仅压差和工质流量为未知量，由压差即可求得工质流量。
[0055]
配气阀性能评估平台原理图见图5，配气阀门的进气端(进气阀)与排气端(出气阀)分别通过高压侧管路和低压侧管路连接高、低压气源，气源可以由压缩机提供，也可有储气罐提供，配气阀另外一端则连接一只带有可调开度的阀门r的管路，作为负载段侧管路，该管路另一端连接有一定容量空体积气库c，阀门与气库组成rc负载系统，通过调节阀门开度，获得不同负载条件。使用三只高频压力传感器p1、p2、p3对配气阀门前后压力进行监测，同时通过一只高频压力传感器p4监测气库c的压力，使用理想气体状态方程可以计算得到气库侧质量流量
[0056][0057]
其中为压力传感器的p4的时间变化率，v为气库体积，rg是气体常数，t是气库温度。
[0058]
进气阀打开时，其流阻产生的损失为：
[0059][0060]
其中ntnode指配气阀运行一个周期内的时间节点数。出气阀打开时，工质流经出气阀产生的损失为：
[0061][0062]
配气阀在一个完整的运行周期内，进气阀和出气阀打开时流阻产生的损失为：
[0063]
ex
fric
＝ex
fric,1
+ex
fric,2 (9)
[0064]
通过高低压串气引起的泄漏损失ex
leak
为：
[0065][0066]
工质通过配气阀产生的总的损失ex
rotary
为：
[0067]
δex
rotary
＝ex
leak
+ex
fric
ꢀꢀꢀ
(11)
[0068]
至此完成对流经配气阀气体流量、流阻损失、泄漏损失的理论模型构建。
[0069]
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0070]
采用本发明的评估方法和评估系统，可以快速实现对现有低频制冷机配气阀进行性能检测，且能够进一步明确了配气阀内部损失分配情况，对于待检测配气阀的优化等起着指导性意义。
附图说明
[0071]
图1为本发明的不同制冷温度时有阀低频制冷机内部损失分布情况。
[0072]
图2为本发明的一种低频制冷机用配气阀的性能评估方法的配气阀门模型。
[0073]
图3为本发明的一种低频制冷机用配气阀的性能评估方法的配气阀时序。
[0074]
图4为本发明的待测阀门泄露系数测试原理图
[0075]
图5为本发明的一种低频制冷机用配气阀的性能评估方法的配气阀门性能评估原理图。
[0076]
图6为本发明的一种低频制冷机用配气阀的性能评估方法的配气阀接口处压力波动情况。
[0077]
图7为本发明的一种低频制冷机用配气阀的性能评估方法的配气阀高、低压侧流量情况。
具体实施方式
[0078]
如图5所示，一种低频制冷机用配气阀的性能评估系统，包括：与压缩机出口连接的高压侧管路，高压侧管路另一端连接待检测进气阀；与压缩机入口连接的低压侧管路，低压侧管路另一端连接待检测出气阀；高压侧管路与低压侧管路另一端相连(或者一体设置)；与进气阀和出气阀另一端同时连接的负载侧管路，该管路上设有针型阀r；与负载侧管路另一端相连的气库c；时序控制器，控制进气阀和出气阀按照规定时序进行关闭和打开；同时设有分别用检测所述进气阀入口侧高压侧管路、出气阀出口测低压侧管路、负载侧管路以及气库压力的压力传感器p1～p4。
[0079]
对于一台待测配气阀，可使用gm制冷机用压缩机作为压力波发生器，或是储气罐提供高压气源、低压气源。配气阀由相应的时序控制器驱动，进气周期、排气周期由配气阀制造工艺及时序控制器决定。根据gm型制冷机负载不同，气库c的容积可在1～10l范围内选择固定容积，针形阀r则根据流量不同，可选择不同cv值、孔口的阀门。如图5所示，在配气阀接口处至少安装有p1、p2、p3三只高频压力传感器监测高压、低压、负载侧压力。另外需安装p4高频压力传感器用于监测气库内压力波动情况。
[0080]
本文以德国cryo.transmit公司制造的一台分离式旋转阀(remote rotary valve)为例，对该配气阀进行性能评估。
[0081]
1、实验开始前，需要通过图4所示泄漏系数测试平台，对配气阀完全关闭时的泄漏系数cd进行测试。具体步骤如下：
[0082]
通过配气阀时序控制器，将配气阀完全关闭，此时配气内进气阀和排气阀均处于截止状态，将进气阀一侧连接至高压气源，另外一侧连接至图4所示流量计mfm，排气阀则使用堵帽完全堵死。打开高压气源，测量阀门两侧的压差δp及泄漏流量根据公式(5)(其中ao/ah取0.01)计算得到进气阀的泄漏系数c
d1
；
[0083][0084]
将配气阀门中进气阀门使用堵帽堵死，排气阀图4高压气源和流量计mfm之间，打开高压气源，重复上面步骤可求得排气阀的泄漏系数c
d2
。配气阀门的泄漏系数取min(c
d1
，cd2
)。
[0085]
2、将配气阀接入图5所示性能评估平台，首先打开时序控制器，保证配气阀门按照时序正常工作，其次打开压缩机，当系统压力稳定波动时记录p1、p2、p3、p4各点压力波动情况。
[0086]
配气阀门内泄漏流量主要与p1和p2相关，可根据公式(5)及测试得到的cda0计算得到，即
[0087][0088]
对于配气阀出口p3处质量流量则根据公式(6)计算得到。
[0089][0090]
图6展示待测配气阀在某一工况下各接口的压力波动情况，图7展示了一个运行周期内，流经配气阀高压侧和低压侧的工质流量。从图中可看到，高压流量在进气阀打开时流量较大，配气阀关闭后，因为动密封导致存在较大泄漏质量流，同理，排气阀关闭时也存在较大泄漏流量。在整个运行周期内，不论进气阶段、排气阶段还是平静期，旋转阀内均不可避免的存在泄漏流量，这部分泄漏流量导致旋转阀损失增大，影响gm型制冷机效率。
[0091]
3、结合公式(7)～(11)，可计算得到此时待检测旋转阀内流阻损失为762w、泄漏损失为573w，旋转阀总损失为1335w，测试结果与仿真软件sage给出的配气阀整体损失1310w基本一致，证明了该测试方法的准确性较高，但是sage软件无法给出配气阀内部泄漏损失及流阻损失分配情况，本方法则进一步明确了配气阀内部损失分配情况，对于remote rotary valve而言，泄漏损失占比为42.9％，相当可观，因此，提升配气阀动密封工艺是非常有必要的。

技术特征：

1.一种低频制冷机用配气阀的性能评估方法，其特征在于，包括：(1)将待测试配气阀安装在评估平台对应位置；所述待测试配气阀包括进气阀和出气阀；(2)按照设定采样率，采集压力数据，获得对应阀门两端的压差以及气库压力；(3)根据阀门两端压差与阀门工质流量之间的关系，获得对应阀门的工质流量，利用气库压力获得气库侧质量流量；(4)根据气库侧质量流量与流阻损失之间的关系，以及泄漏流量与泄漏损失之间的关系，分别获取待测试配气阀的流阻损失、泄漏损失。2.根据权利要求1所述的低频制冷机用配气阀的性能评估方法，其特征在于，所述泄漏流量取进气阀工质流量和出气阀工质流量两者绝对值的较小值。3.根据权利要求1所述的低频制冷机用配气阀的性能评估方法，其特征在于，所述阀门两端压差与阀门工质流量之间的关系如下：其中为为工质流量，k为与阀门相关的常量，a0/a
h
为阀门开口截面积与流道截面积；ρ
e
是当地流体密度；
△
p为阀门两端的压差。4.根据权利要求3所述的低频制冷机用配气阀的性能评估方法，其特征在于，所述k由如下方法得到：将进气阀或出气阀分别安装于高低压气源之间，将该阀门关闭，检测阀门所连流道的工质流量，同时检测阀门两端的压差，利用式(i)计算得到进气阀或出气阀的k
d1
、k
d2
，其中k
d1
、k
d2
中较小值作为所述k。5.根据权利要求2所述的低频制冷机用配气阀的性能评估方法，其特征在于，所述气库侧质量流量利用如下公式计算得到：侧质量流量利用如下公式计算得到：为气库侧质量流量，为气库的压力随时间变化率，v为气库体积，r
g
是气体常数，t是气库温度。6.根据权利要求2所述的低频制冷机用配气阀的性能评估方法，其特征在于，所述气库侧质量流量与流阻损失之间的关系如下：进气阀打开时，其流阻产生的损失为：出气阀打开时，工质流经出气阀产生的损失为：其中ntnode为配气阀运行一个周期内的时间节点数，为气库侧质量流量，g1为配气阀高压侧工质某一状态对应的吉布斯自由能，g2为配气阀低压侧工质某一状态对应的吉布斯自由能，g3为负载侧工质某一状态对应的吉布斯自由能。
7.根据权利要求2所述的低频制冷机用配气阀的性能评估方法，其特征在于，所述泄漏流量与泄漏损失之间的关系如下：其中，为进气阀入口管路的质量流量，为出气阀出口管路的质量流量；g1为配气阀高压侧工质某一状态对应的吉布斯自由能，g2为配气阀低压侧工质某一状态对应的吉布斯自由能。8.一种低频制冷机用配气阀的性能评估系统，其特征在于，包括：与高压气源连接的高压侧管路；与低压气源连接的低压侧管路；所述进气阀和出气阀高压侧管路、低压侧管路另一端相连；与进气阀和出气阀另一端同时导通的负载侧管路，该管路上设有阀门，该管路另一端设有气库；控制进气阀和出气阀工作周期的时序控制器；同时设有分别用检测所述高压侧管路、低压侧管路、负载侧管路以及气库压力的压力传感器。9.根据权利要求8所述的低频制冷机用配气阀的性能评估系统，其特征在于，所述高压气源、低压气源分别由储气罐提供或者由压缩机提供。

技术总结

本发明公开了一种低频制冷机用配气阀的性能评估方法，包括：(1)将待测试配气阀安装在评估平台对应位置；所述待测试配气阀包括至少一个进气阀和至少一个出气阀；(2)按照设定采样率，采集压力数据，获得对应阀门两端的压差以及气库压力；(3)根据阀门两端压差与阀门工质流量之间的关系，获得对应阀门的工质流量，利用气库压力获得气库侧质量流量；(4)根据气库侧质量流量与流阻损失之间的关系，以及泄漏流量与泄漏损失之间的关系，分别获取待测试配气阀的流阻损失、泄漏损失。采用本发明的评估方法，可以快速实现对现有低频制冷机配气阀进行性能检测，可进一步明确了配气阀内部损失分配情况，对于待检测配气阀的优化等起着指导性意义。意义。