液氦溫區(qū)多級斯特林型脈管制冷機(jī)理研究.pdf

1、液氦溫區(qū)小型低溫制冷機(jī)在空間探測、國防軍事、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、低溫物理等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。斯特林型脈管制冷機(jī)具有可靠、高效、緊湊、輕質(zhì)等突出優(yōu)點(diǎn)，可望滿足苛刻的空間制冷要求，因此逐漸成為研究熱點(diǎn)。與液氦溫區(qū)GM型脈管制冷機(jī)相比，在高頻條件下工作的斯特林型脈管制冷機(jī)，其工作機(jī)理更加復(fù)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(jī)的工作機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)形式研究
　　首次系統(tǒng)開展多級斯特林型脈管制冷機(jī)的耦合方式與邊界布置形式研究。重點(diǎn)研究了耦合方式對回?zé)崞餍屎蜌饬鞣峙涞挠绊懀约斑吔绮贾眯问綄φ{(diào)相能力、脈管效率以及預(yù)冷負(fù)荷等方面的影響。研究發(fā)現(xiàn)：氣耦合型比熱耦合型回?zé)崞鲹p失更小，但同時氣流分配受運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)影響更大。采用低溫邊界可顯著增強(qiáng)慣性管的調(diào)相能力，提高脈管的絕熱膨脹效率和制冷機(jī)壓比，但同時增大了預(yù)冷負(fù)荷。結(jié)構(gòu)形式研究可為多級斯特林型脈管制冷機(jī)的設(shè)計

3、提供參考。
　　2.液氦溫區(qū)多級斯特林型脈管制冷機(jī)設(shè)計方法研究
　　本文提出了采用確定結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)行參數(shù)、溫度分布、結(jié)構(gòu)參數(shù)、最后進(jìn)行匹配校核的一套多級斯特林型脈管制冷機(jī)設(shè)計方法。以一臺液氦溫區(qū)多級斯特林型脈管制冷機(jī)為例，首先選定三級熱耦合的結(jié)構(gòu)形式，其中第三級采用低溫邊界的形式。通過工質(zhì)物性分析與各級匹配分析確定各級的基本運(yùn)行參數(shù)，即工作頻率與充氣壓力，進(jìn)而依據(jù)制冷性能預(yù)估各級溫度分布并依據(jù)溫度分布選擇回?zé)岵牧?。采用?shù)值計

4、算軟件Sage與REGEGN及其他程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸計算，其中回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)回?zé)嵝逝c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(jié)構(gòu)尺寸基于簡化的熱聲理論計算。最后對多級制冷機(jī)進(jìn)行阻抗匹配校核。該設(shè)計方法可為多級斯特林型脈管制冷機(jī)的設(shè)計提供有效依據(jù)。
　　3.三級斯特林型脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)研究
　　本文自行設(shè)計搭建了三級斯特林型脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置，初步驗(yàn)證了多級斯特林型脈管制冷機(jī)理論設(shè)計方

5、法的有效性。三級制冷機(jī)的頻率與充氣壓力與設(shè)計值相近，第二級在設(shè)計頻率與充氣壓力下獲得純慣性管型最低的無負(fù)荷溫度之一，第三級最佳頻率、充氣壓力為與設(shè)計值偏差分別小于0.1 Hz、0.1 MPa。三級制冷機(jī)的溫度分布與設(shè)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(shè)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(fù)荷溫度，接近于單級、二級斯特林型脈管制冷機(jī)的世界最低溫度，第三級獲