【摘要】：微型脈管制冷機(jī)不僅繼承了脈管制冷機(jī)小振動(dòng)、高可靠性和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn),還具有小體積、輕質(zhì)量和快速降溫等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)緊湊地空間布局以滿足不斷發(fā)展的軍事,商業(yè)和空間科學(xué)任務(wù)需求。微型脈管制冷機(jī)在未來(lái)空間、軍事和民用等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。理論指出,提高頻率和充氣壓力是實(shí)現(xiàn)脈管制冷機(jī)微型化的有效途徑。受材料本身的機(jī)械強(qiáng)度等方面限制,無(wú)法大幅增加充氣壓力,可通過(guò)增加運(yùn)行頻率來(lái)減小制冷量重量和尺寸,實(shí)現(xiàn)脈管制冷機(jī)微型化,頻率基本提升至百赫茲左右。但單一提高頻率會(huì)造成較大損失,微型脈管制冷機(jī)效率低下。為提高百赫茲微型脈管制冷性能,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者已開(kāi)展了微型脈管制冷機(jī)相關(guān)研究工作。其中NGAS公司研制的液氮溫區(qū)微型脈管制冷機(jī)的性能和重量目前處于世界領(lǐng)先地位,但其具體設(shè)計(jì)流程和關(guān)鍵參數(shù)目前仍處于保密階段;其它機(jī)構(gòu)的研究主要針對(duì)冷指參數(shù)的熱力學(xué)設(shè)計(jì)及優(yōu)化,對(duì)百赫茲下壓縮機(jī)與冷指的耦合特性研究甚少,整機(jī)效率低和重量大。本文以研制適用于空間應(yīng)用的高效微型脈管制冷機(jī)為目標(biāo),開(kāi)展了針對(duì)百赫茲微型脈管制冷機(jī)的相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)研究,主要研究?jī)?nèi)容包括:1)通過(guò)介紹脈管制冷機(jī)的熱力學(xué)理論基礎(chǔ),對(duì)脈管制冷機(jī)各部件理想焓流、熵流和聲功流進(jìn)行了整理和分析。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合高頻特性,分析了百赫茲下脈管制冷機(jī)實(shí)際損失。包括百赫茲下回?zé)崞鲹p失,指出隨著頻率增加,氣體熱滲透減小,回?zé)崞鞯牟煌耆珦Q熱損失增加,為保證充足的換熱,需采用較小水力直徑的絲網(wǎng),但又會(huì)使壓降損失增加;為提高脈管制冷機(jī)在百赫茲下的回?zé)崞餍?選擇絲網(wǎng)時(shí)需要綜合考慮氣體與填料之間的換熱和流動(dòng)特性,需尋找水力直徑小且空隙率高的回?zé)崞魈盍稀?)通過(guò)分析高頻下回?zé)崞飨辔魂P(guān)系,指出可通過(guò)提高充氣壓力來(lái)補(bǔ)償頻率增加帶來(lái)的部分損失;可通過(guò)減小脈管體積來(lái)緩解頻率提升對(duì)調(diào)相能力的影響,但過(guò)小的脈管體積會(huì)帶來(lái)較大的脈管損失;指出配合合適慣性管尺寸和氣庫(kù)體積,頻率提升對(duì)慣性管調(diào)相能力有顯著的提升。3)利用REGEN軟件分析了回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)回?zé)崞餍阅艿挠绊?明確幾何尺寸與運(yùn)行參數(shù)的相關(guān)性,進(jìn)而開(kāi)展了回?zé)崞鲙缀纬叽绾完P(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化;分析了脈管內(nèi)徑、長(zhǎng)度和長(zhǎng)徑比對(duì)整機(jī)性能和絕熱膨脹系數(shù)的影響;利用DeltaEC軟件分析了百赫茲下慣性管調(diào)相能力,明確了頻率與調(diào)相能力正相關(guān),但調(diào)相能力對(duì)慣性管的結(jié)構(gòu)尺寸很敏感,較小的長(zhǎng)度變化會(huì)引起相位角大幅變化,且慣性管最佳長(zhǎng)度(相位角最大為判斷標(biāo)準(zhǔn))對(duì)內(nèi)徑的變化不明顯。對(duì)比了400目、604目和635目不銹鋼絲網(wǎng)作為回?zé)崞魈盍显诟哳l下的制冷性能差異,提出在百赫茲下,采用具有細(xì)絲徑和大孔徑的604目不銹鋼絲網(wǎng)作為回?zé)崞魈盍蠈?duì)制冷性能有較大的提升。基于SAGE整機(jī)模型和上述分析,確定了百赫茲脈管制冷機(jī)冷指參數(shù)。4)基于壓縮機(jī)基本控制方程,闡述了壓縮機(jī)與冷指之間的耦合匹配關(guān)系。根據(jù)熱力設(shè)計(jì)反饋的氣體負(fù)載,在建立的耦合特性指導(dǎo)下,對(duì)高頻壓縮機(jī)電磁參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),最終完成整機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過(guò)分析運(yùn)行頻率、充氣壓力和制冷溫度對(duì)整機(jī)性能的影響,確定整機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。構(gòu)建了整機(jī)聲-力相位圖,明確百赫茲脈管制冷機(jī)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)相位耦合關(guān)系。5)通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知,制冷量為1W@80K時(shí),采用604目不銹鋼絲網(wǎng)作為回?zé)崞魈盍系闹评錂C(jī)比采用635目絲網(wǎng)所需電功減小了16W。當(dāng)頻率為120Hz時(shí),氣體慣性效應(yīng)增加,慣性管內(nèi)粗糙度和盤(pán)繞方式對(duì)制冷性能的影響幾乎可以忽略。對(duì)應(yīng)相同溫度和冷量時(shí),冷端換熱器采用銅材料時(shí),制冷機(jī)所需電功均小于采用4J32合金材料;隨著溫度減小和冷量增加,兩種材料造成的性能差異越明顯。6)研制了一臺(tái)重1.22kg的120Hz微型脈管制冷機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:運(yùn)行頻率為120Hz,充氣壓力為3.8MPa,熱端溫度為293K,絲網(wǎng)填料為604目不銹鋼絲網(wǎng)時(shí),最低制冷溫度為53.5K,當(dāng)輸入電功逐漸增加至55W時(shí),冷頭從室溫降至80K需4分鐘。輸入電功為34W和55W時(shí),在80K制冷溫區(qū)時(shí)可分別獲得1W和2W制冷量,比卡諾效率分別為7.83%和9.68%。制冷機(jī)方向性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:當(dāng)輸入功率較大時(shí),頻率從60Hz變化至140Hz,脈管內(nèi)自然對(duì)流現(xiàn)象均不明顯;輸入功率較小時(shí),頻率的提升在一定程度上可以抑制脈管內(nèi)自然對(duì)流現(xiàn)象,但抑制效果并不十分明顯。實(shí)際運(yùn)用中,當(dāng)微型脈管制冷機(jī)運(yùn)行在120Hz,入功率較小時(shí),需注意制冷機(jī)的擺放方式。
【圖文】：

研究背景及意義制冷技術(shù)是通過(guò)人工方法將物體溫度降至環(huán)境溫度以下，并維持該溫區(qū)學(xué)技術(shù)。1971 年，第十三屆國(guó)際制冷大會(huì)對(duì)制冷溫區(qū)進(jìn)行了劃分，建議120K 為冷凍區(qū)，120K 與絕對(duì)零度(0K)之間為低溫溫區(qū)，低溫制冷已成為與航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)不可忽視的一種技術(shù)。許多物質(zhì)在低溫下會(huì)呈超流性、超導(dǎo)性、順磁性、量子力學(xué)版本的霍爾效應(yīng)[1]等許多獨(dú)特的物科學(xué)家利用這些物質(zhì)在低溫下的超材料特性在超導(dǎo)技術(shù)、航天探測(cè)、信高能物理和半導(dǎo)體設(shè)計(jì)等尖端科學(xué)領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域創(chuàng)造了巨大的價(jià)低溫環(huán)境溫度的嚴(yán)苛要求表明只有配合合適的低溫制冷機(jī)，這些技術(shù)才實(shí)用。這股世界范圍內(nèi)對(duì)低溫制冷機(jī)的研究熱潮在過(guò)去幾十年中一直持型制冷機(jī)包括回?zé)崾降乃固亓种评錂C(jī)、斯特林型脈管制冷機(jī)、GM 型脈、焦耳-湯姆遜(J-T)制冷機(jī)和逆布雷頓循環(huán)制冷機(jī)等相繼誕生[2]。圖 1.1同溫度和冷量下各類型制冷機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，圖中標(biāo)明了 55~150K 溫區(qū)應(yīng)用領(lǐng)域[3-6]。

到了快速發(fā)展。一開(kāi)始，學(xué)者們通過(guò)攜帶低溫流但龐大復(fù)雜的低溫儲(chǔ)罐增加了發(fā)射成本，且一旦不再工作，限制了探測(cè)器運(yùn)行使用壽命。此外，和黑熱沉等特點(diǎn)進(jìn)行輻射制冷，通過(guò)高輻射率的輻1 的太空環(huán)境進(jìn)行輻射換熱，從而達(dá)到制冷目的。動(dòng)、無(wú)噪聲和低功耗等突出特點(diǎn)，，但其極度依賴溫度較高、冷量小以及容易被污染，不能很好滿研制的 J-T 制冷機(jī)利用實(shí)際氣體非理想特性引起的制冷，冷頭無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，冷頭可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用自，但壓縮機(jī)需要提供較大壓比，性能可靠性低[8]機(jī)替代 J-T 閥，利用氣體在膨脹機(jī)中的絕熱膨脹大時(shí)，仍能保持較高的效率，但制冷機(jī)中存在高隙密封技術(shù)要求較高。GM 型脈管制冷機(jī)因旋轉(zhuǎn)以及體積過(guò)于龐大等原因，亦限制其在空間上的型制冷機(jī)發(fā)展較為成熟，且在空間已有廣泛的應(yīng)述制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1.2 所示[9-11]。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB651

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2676573