發(fā)布時間：2017-12-15 14:31

  本文關(guān)鍵詞：三級斯特林型脈沖管制冷機內(nèi)部工作機理分析與實驗研究

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【摘要】：近年來,甚長波紅外探測、太赫茲波探測、毫米波探測、X-射線探測以及低溫超導等領(lǐng)域?qū)?0 K及以下溫區(qū)制冷提出了越來越高的需求。而多級斯特林型脈沖管制冷機由于其冷端無運動部件、振動低、可靠性高、穩(wěn)定性高、效率高、壽命長等優(yōu)勢,逐漸成為上述領(lǐng)域?qū)嶋H應用中的主流選擇。國外在該研究方向的技術(shù)積累已比較成熟,并已成功應用到實際項目中,而國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究僅處于起步階段。在這種背景下,本文針對三級斯特林型脈沖管制冷機進行了深入的理論與實驗研究,主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)對三級斯特林型脈沖管制冷機的動態(tài)特性進行了深入研究。首先,在傳統(tǒng)電路類比模型的基礎(chǔ)上,考慮了非理想氣體特性和動態(tài)溫度的影響,建立了適用于10 K及以下溫區(qū)制冷的電路類比模型。并通過具體實例定量分析了三級斯特林型脈沖管制冷機各部件內(nèi)動態(tài)壓力和體積流率的分布情況及變化趨勢。其次,定量分析了三級脈沖管制冷機回熱器內(nèi)的溫度分布趨勢,模擬結(jié)果表明:在三級氣耦合型脈沖管制冷機中,第一級回熱器中溫度分布基本呈線性變化;第二級回熱器熱端非線性比較明顯;第三級回熱器冷端非線性非常明顯。最后,基于能量守恒方程,求解出回熱器中工質(zhì)和蓄冷填料動態(tài)溫度振幅及相位角的解析表達式,并通過實例得到:在70 K以上溫區(qū)時,動態(tài)溫度的影響可以忽略不計;在25 K-70 K溫區(qū),動態(tài)溫度開始對體積流率和動態(tài)壓力產(chǎn)生明顯影響;在25 K以下溫區(qū)時,動態(tài)溫度對體積流率和壓力波產(chǎn)生顯著影響,不能忽略。(2)系統(tǒng)建立了三級斯特林型脈沖管制冷機的熵分析模型。對三級斯特林型脈沖管制冷機回熱器中的軸向?qū)釗p失、壓降損失、工質(zhì)與填料的不可逆換熱損失進行了深入闡述,求解出了這三項損失各自引發(fā)的不可逆熵產(chǎn),基于此可以對三級脈沖管制冷機的制冷性能進行準確而快速的評估。并通過實際案例分析出熱橋連接位置、各級制冷溫度、充氣壓力、壓力比、工作頻率、輸入聲功等參數(shù)對系統(tǒng)各項損失及制冷性能的影響。(3)建立了與脈沖管制冷機相耦合的J-T節(jié)流制冷機模型。首先,建立多級脈沖管制冷機預冷J-T節(jié)流制冷機模型,對J-T節(jié)流制冷機中壓縮機、換熱器、熱沉、節(jié)流裝置等部件的設(shè)計原理及優(yōu)化方法進行深入的闡述,通過這種復合式結(jié)構(gòu)可以達到液氦及以下溫區(qū)制冷,對低溫超導及空間探測應用具有重要意義。其次,首次提出了兼顧快速制冷和長壽命工作的開式J-T節(jié)流制冷機預冷脈沖管制冷機模型�？偨Y(jié)出了開式J-T節(jié)流制冷機中初始壓力、排氣壓力、降溫時間、熱負載等工作參數(shù)之間的無量綱關(guān)系式,并通過具體實例對各參數(shù)之間的相互關(guān)系進行了進一步的闡釋。(4)系統(tǒng)總結(jié)出三級熱耦合斯特林型脈沖管制冷機的優(yōu)化設(shè)計方法。對三級熱耦合斯特林型脈沖管制冷機的工作參數(shù)如制冷溫度、頻率、充氣壓力、預冷溫度,以及各部件的尺寸參數(shù)如回熱器、脈管、慣性管、氣庫等進行了優(yōu)化設(shè)計;總結(jié)出各參數(shù)對系統(tǒng)制冷性能的影響趨勢,并得到最優(yōu)值。優(yōu)化結(jié)果表明:在熱端溫度300 K時,第一級冷指輸入聲功122.24 W,可以獲得7.80 W/80 K的制冷量,其中5.05 W用于預冷第二級,2.75 W預冷第三級;第二級冷指輸入聲功227.12 W,在第一級預冷的情況下,可以獲得1.18 W/30 K的制冷量,全部用于預冷第三級;第三級冷指輸入聲功51.08 W,在第一、二級的預冷下,可以獲得108.5mW/10 K的制冷量,無負荷制冷溫度8.1 K。(5)研制出三級熱耦合斯特林型脈沖管制冷機原型機,并對其性能進行了實驗驗證。首先,詳細介紹了三級脈沖管制冷機的實驗臺,包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、真空絕熱系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、制冷量及輸入功率測量系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng)等。其次,對三級熱耦合型脈沖管制冷機中的主要零部件如壓縮機、熱端換熱器、熱端法蘭、回熱器、熱橋、脈管等進行介紹,闡述了其設(shè)計加工過程中的一些細節(jié)特征。最后,對三級熱耦合斯特林型脈沖管制冷機的三級冷指性能分別進行了實驗驗證,實驗結(jié)果表明:第一級冷指在輸入功電功350 W時,可以獲得15.66 W/80 K的制冷量,最低無負荷制冷溫度為32.83 K;前兩級脈沖管制冷機在總輸入功率為590 W時,可以獲得1.43 W/30 K的制冷量,最低無負荷制冷溫度為17.4 K;第三級脈沖管制冷機在前兩級的預冷下,總輸入電功為680 W時,可以獲得38.2 mW/10 K的制冷量,最低無負荷制冷溫度可以達到8.9 K。該實驗結(jié)果與模擬值吻合性較好,充分證明了理論模型的準確性。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海技術(shù)物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB651

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本文編號：1292320