液氦溫區(qū)多級斯特林型脈管制冷機理研究.pdf

1、液氦溫區(qū)小型低溫制冷機在空間探測、國防軍事、醫(yī)療、交通運輸、低溫物理等領域有著重要應用。斯特林型脈管制冷機具有可靠、高效、緊湊、輕質等突出優(yōu)點，可望滿足苛刻的空間制冷要求，因此逐漸成為研究熱點。與液氦溫區(qū)GM型脈管制冷機相比，在高頻條件下工作的斯特林型脈管制冷機，其工作機理更加復雜，尚未得到充分研究，限制了其制冷性能的提高。因此，本文旨在探索液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機的工作機理，主要開展了以下三方面的研究工作：
　　1.多級斯特林

2、型脈管制冷機結構形式研究
　　首次系統(tǒng)開展多級斯特林型脈管制冷機的耦合方式與邊界布置形式研究。重點研究了耦合方式對回熱器效率和氣流分配的影響，以及邊界布置形式對調相能力、脈管效率以及預冷負荷等方面的影響。研究發(fā)現(xiàn)：氣耦合型比熱耦合型回熱器損失更小，但同時氣流分配受運行參數(shù)、結構參數(shù)影響更大。采用低溫邊界可顯著增強慣性管的調相能力，提高脈管的絕熱膨脹效率和制冷機壓比，但同時增大了預冷負荷。結構形式研究可為多級斯特林型脈管制冷機的設計

3、提供參考。
　　2.液氦溫區(qū)多級斯特林型脈管制冷機設計方法研究
　　本文提出了采用確定結構形式、運行參數(shù)、溫度分布、結構參數(shù)、最后進行匹配校核的一套多級斯特林型脈管制冷機設計方法。以一臺液氦溫區(qū)多級斯特林型脈管制冷機為例，首先選定三級熱耦合的結構形式，其中第三級采用低溫邊界的形式。通過工質物性分析與各級匹配分析確定各級的基本運行參數(shù)，即工作頻率與充氣壓力，進而依據(jù)制冷性能預估各級溫度分布并依據(jù)溫度分布選擇回熱材料。采用數(shù)值計

4、算軟件Sage與REGEGN及其他程序進行結構尺寸計算，其中回熱器的結構尺寸根據(jù)回熱效率與制冷量計算，脈管的體積與長徑比根據(jù)膨脹效率、相位跨度與層流化要求而定，慣性管的結構尺寸基于簡化的熱聲理論計算。最后對多級制冷機進行阻抗匹配校核。該設計方法可為多級斯特林型脈管制冷機的設計提供有效依據(jù)。
　　3.三級斯特林型脈管制冷機實驗研究
　　本文自行設計搭建了三級斯特林型脈管制冷機實驗裝置，初步驗證了多級斯特林型脈管制冷機理論設計方

5、法的有效性。三級制冷機的頻率與充氣壓力與設計值相近，第二級在設計頻率與充氣壓力下獲得純慣性管型最低的無負荷溫度之一，第三級最佳頻率、充氣壓力為與設計值偏差分別小于0.1 Hz、0.1 MPa。三級制冷機的溫度分布與設計值相近，一、二、三級的偏差僅為0.5 K、0.7 K、0.07 K，并在各溫區(qū)獲得了與設計值相近的制冷效率。第一、二級分別獲得35.1 K、14.9K的無負荷溫度，接近于單級、二級斯特林型脈管制冷機的世界最低溫度，第三級獲