發(fā)布時間：2020-05-22 20:36

【摘要】：微型脈管制冷機不僅繼承了脈管制冷機小振動、高可靠性和長壽命等優(yōu)點,還具有小體積、輕質量和快速降溫等特點,可實現(xiàn)緊湊地空間布局以滿足不斷發(fā)展的軍事,商業(yè)和空間科學任務需求。微型脈管制冷機在未來空間、軍事和民用等領域具有廣泛應用前景。理論指出,提高頻率和充氣壓力是實現(xiàn)脈管制冷機微型化的有效途徑。受材料本身的機械強度等方面限制,無法大幅增加充氣壓力,可通過增加運行頻率來減小制冷量重量和尺寸,實現(xiàn)脈管制冷機微型化,頻率基本提升至百赫茲左右。但單一提高頻率會造成較大損失,微型脈管制冷機效率低下。為提高百赫茲微型脈管制冷性能,國內外研究學者已開展了微型脈管制冷機相關研究工作。其中NGAS公司研制的液氮溫區(qū)微型脈管制冷機的性能和重量目前處于世界領先地位,但其具體設計流程和關鍵參數(shù)目前仍處于保密階段;其它機構的研究主要針對冷指參數(shù)的熱力學設計及優(yōu)化,對百赫茲下壓縮機與冷指的耦合特性研究甚少,整機效率低和重量大。本文以研制適用于空間應用的高效微型脈管制冷機為目標,開展了針對百赫茲微型脈管制冷機的相關理論與實驗研究,主要研究內容包括:1)通過介紹脈管制冷機的熱力學理論基礎,對脈管制冷機各部件理想焓流、熵流和聲功流進行了整理和分析。在此基礎上,結合高頻特性,分析了百赫茲下脈管制冷機實際損失。包括百赫茲下回熱器損失,指出隨著頻率增加,氣體熱滲透減小,回熱器的不完全換熱損失增加,為保證充足的換熱,需采用較小水力直徑的絲網,但又會使壓降損失增加;為提高脈管制冷機在百赫茲下的回熱器效率,選擇絲網時需要綜合考慮氣體與填料之間的換熱和流動特性,需尋找水力直徑小且空隙率高的回熱器填料。2)通過分析高頻下回熱器相位關系,指出可通過提高充氣壓力來補償頻率增加帶來的部分損失;可通過減小脈管體積來緩解頻率提升對調相能力的影響,但過小的脈管體積會帶來較大的脈管損失;指出配合合適慣性管尺寸和氣庫體積,頻率提升對慣性管調相能力有顯著的提升。3)利用REGEN軟件分析了回熱器結構和運行參數(shù)對回熱器性能的影響,明確幾何尺寸與運行參數(shù)的相關性,進而開展了回熱器幾何尺寸和關鍵參數(shù)的設計優(yōu)化;分析了脈管內徑、長度和長徑比對整機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相能力,明確了頻率與調相能力正相關,但調相能力對慣性管的結構尺寸很敏感,較小的長度變化會引起相位角大幅變化,且慣性管最佳長度(相位角最大為判斷標準)對內徑的變化不明顯。對比了400目、604目和635目不銹鋼絲網作為回熱器填料在高頻下的制冷性能差異,提出在百赫茲下,采用具有細絲徑和大孔徑的604目不銹鋼絲網作為回熱器填料對制冷性能有較大的提升�；赟AGE整機模型和上述分析,確定了百赫茲脈管制冷機冷指參數(shù)。4)基于壓縮機基本控制方程,闡述了壓縮機與冷指之間的耦合匹配關系。根據熱力設計反饋的氣體負載,在建立的耦合特性指導下,對高頻壓縮機電磁參數(shù)和動力參數(shù)進行設計,最終完成整機結構參數(shù)設計和優(yōu)化。通過分析運行頻率、充氣壓力和制冷溫度對整機性能的影響,確定整機結構參數(shù)和運行參數(shù)。構建了整機聲-力相位圖,明確百赫茲脈管制冷機動力學和熱力學相位耦合關系。5)通過對比實驗可知,制冷量為1W@80K時,采用604目不銹鋼絲網作為回熱器填料的制冷機比采用635目絲網所需電功減小了16W。當頻率為120Hz時,氣體慣性效應增加,慣性管內粗糙度和盤繞方式對制冷性能的影響幾乎可以忽略。對應相同溫度和冷量時,冷端換熱器采用銅材料時,制冷機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)研制了一臺重1.22kg的120Hz微型脈管制冷機。實驗結果表明:運行頻率為120Hz,充氣壓力為3.8MPa,熱端溫度為293K,絲網填料為604目不銹鋼絲網時,最低制冷溫度為53.5K,當輸入電功逐漸增加至55W時,冷頭從室溫降至80K需4分鐘。輸入電功為34W和55W時,在80K制冷溫區(qū)時可分別獲得1W和2W制冷量,比卡諾效率分別為7.83%和9.68%。制冷機方向性實驗結果顯示:當輸入功率較大時,頻率從60Hz變化至140Hz,脈管內自然對流現(xiàn)象均不明顯;輸入功率較小時,頻率的提升在一定程度上可以抑制脈管內自然對流現(xiàn)象,但抑制效果并不十分明顯。實際運用中,當微型脈管制冷機運行在120Hz,入功率較小時,需注意制冷機的擺放方式。
【圖文】：

研究背景及意義制冷技術是通過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)學技術。1971 年，第十三屆國際制冷大會對制冷溫區(qū)進行了劃分，建議120K 為冷凍區(qū)，120K 與絕對零度(0K)之間為低溫溫區(qū)，低溫制冷已成為與航空航天等應用領域內不可忽視的一種技術。許多物質在低溫下會呈超流性、超導性、順磁性、量子力學版本的霍爾效應[1]等許多獨特的物科學家利用這些物質在低溫下的超材料特性在超導技術、航天探測、信高能物理和半導體設計等尖端科學領域和工業(yè)生產領域創(chuàng)造了巨大的價低溫環(huán)境溫度的嚴苛要求表明只有配合合適的低溫制冷機，這些技術才實用。這股世界范圍內對低溫制冷機的研究熱潮在過去幾十年中一直持型制冷機包括回熱式的斯特林制冷機、斯特林型脈管制冷機、GM 型脈、焦耳-湯姆遜(J-T)制冷機和逆布雷頓循環(huán)制冷機等相繼誕生[2]。圖 1.1同溫度和冷量下各類型制冷機的應用領域，圖中標明了 55~150K 溫區(qū)應用領域[3-6]。

到了快速發(fā)展。一開始，學者們通過攜帶低溫流但龐大復雜的低溫儲罐增加了發(fā)射成本，且一旦不再工作，限制了探測器運行使用壽命。此外，和黑熱沉等特點進行輻射制冷，通過高輻射率的輻1 的太空環(huán)境進行輻射換熱，從而達到制冷目的。動、無噪聲和低功耗等突出特點，，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 制冷機利用實際氣體非理想特性引起的制冷，冷頭無運動部件，冷頭可根據實際應用自，但壓縮機需要提供較大壓比，性能可靠性低[8]機替代 J-T 閥，利用氣體在膨脹機中的絕熱膨脹大時，仍能保持較高的效率，但制冷機中存在高隙密封技術要求較高。GM 型脈管制冷機因旋轉以及體積過于龐大等原因，亦限制其在空間上的型制冷機發(fā)展較為成熟，且在空間已有廣泛的應述制冷機的結構示意圖如圖 1.2 所示[9-11]。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB651

【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

1 張安闊;陳曦;吳亦農;張華;楊開響;;熱端溫度對直線型脈沖管制冷機的影響分析[J];低溫工程;2013年04期

2 朱建炳;;空間低溫制冷技術的應用與發(fā)展[J];真空與低溫;2010年04期

3 陳曉屏;;微型低溫制冷技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J];紅外與激光工程;2008年01期

4 劉剛;劉建偉;楊桂蘭;于婷婷;楊家艾;;制冷型紅外探測器組件降溫時間的影響因素[J];紅外與激光工程;2006年S5期

5 黨海政,梁驚濤,周遠;高頻微型非金屬脈沖管制冷機軸向導熱損失的計算分析[J];真空與低溫;2005年01期

相關博士學位論文 前1條

1 朱尚龍;中高頻熱聲驅動脈沖管制冷的工作機制研究[D];中國科學院研究生院（理化技術研究所）;2009年

本文編號：2676573