百赫兹微型脉管制冷机理论与实验研究

发布时间：2020-05-22 20:36

【摘要】：微型脉管制冷机不仅继承了脉管制冷机小振动、高可靠性和长寿命等优点,还具有小体积、轻质量和快速降温等特点,可实现紧凑地空间布局以满足不断发展的军事,商业和空间科学任务需求。微型脉管制冷机在未来空间、军事和民用等领域具有广泛应用前景。理论指出,提高频率和充气压力是实现脉管制冷机微型化的有效途径。受材料本身的机械强度等方面限制,无法大幅增加充气压力,可通过增加运行频率来减小制冷量重量和尺寸,实现脉管制冷机微型化,频率基本提升至百赫兹左右。但单一提高频率会造成较大损失,微型脉管制冷机效率低下。为提高百赫兹微型脉管制冷性能,国内外研究学者已开展了微型脉管制冷机相关研究工作。其中NGAS公司研制的液氮温区微型脉管制冷机的性能和重量目前处于世界领先地位,但其具体设计流程和关键参数目前仍处于保密阶段;其它机构的研究主要针对冷指参数的热力学设计及优化,对百赫兹下压缩机与冷指的耦合特性研究甚少,整机效率低和重量大。本文以研制适用于空间应用的高效微型脉管制冷机为目标,开展了针对百赫兹微型脉管制冷机的相关理论与实验研究,主要研究内容包括:1)通过介绍脉管制冷机的热力学理论基础,对脉管制冷机各部件理想焓流、熵流和声功流进行了整理和分析。在此基础上,结合高频特性,分析了百赫兹下脉管制冷机实际损失。包括百赫兹下回热器损失,指出随着频率增加,气体热渗透减小,回热器的不完全换热损失增加,为保证充足的换热,需采用较小水力直径的丝网,但又会使压降损失增加;为提高脉管制冷机在百赫兹下的回热器效率,选择丝网时需要综合考虑气体与填料之间的换热和流动特性,需寻找水力直径小且空隙率高的回热器填料。2)通过分析高频下回热器相位关系,指出可通过提高充气压力来补偿频率增加带来的部分损失;可通过减小脉管体积来缓解频率提升对调相能力的影响,但过小的脉管体积会带来较大的脉管损失;指出配合合适惯性管尺寸和气库体积,频率提升对惯性管调相能力有显著的提升。3)利用REGEN软件分析了回热器结构和运行参数对回热器性能的影响,明确几何尺寸与运行参数的相关性,进而开展了回热器几何尺寸和关键参数的设计优化;分析了脉管内径、长度和长径比对整机性能和绝热膨胀系数的影响;利用DeltaEC软件分析了百赫兹下惯性管调相能力,明确了频率与调相能力正相关,但调相能力对惯性管的结构尺寸很敏感,较小的长度变化会引起相位角大幅变化,且惯性管最佳长度(相位角最大为判断标准)对内径的变化不明显。对比了400目、604目和635目不锈钢丝网作为回热器填料在高频下的制冷性能差异,提出在百赫兹下,采用具有细丝径和大孔径的604目不锈钢丝网作为回热器填料对制冷性能有较大的提升。基于SAGE整机模型和上述分析,确定了百赫兹脉管制冷机冷指参数。4)基于压缩机基本控制方程,阐述了压缩机与冷指之间的耦合匹配关系。根据热力设计反馈的气体负载,在建立的耦合特性指导下,对高频压缩机电磁参数和动力参数进行设计,最终完成整机结构参数设计和优化。通过分析运行频率、充气压力和制冷温度对整机性能的影响,确定整机结构参数和运行参数。构建了整机声-力相位图,明确百赫兹脉管制冷机动力学和热力学相位耦合关系。5)通过对比实验可知,制冷量为1W@80K时,采用604目不锈钢丝网作为回热器填料的制冷机比采用635目丝网所需电功减小了16W。当频率为120Hz时,气体惯性效应增加,惯性管内粗糙度和盘绕方式对制冷性能的影响几乎可以忽略。对应相同温度和冷量时,冷端换热器采用铜材料时,制冷机所需电功均小于采用4J32合金材料;随着温度减小和冷量增加,两种材料造成的性能差异越明显。6)研制了一台重1.22kg的120Hz微型脉管制冷机。实验结果表明:运行频率为120Hz,充气压力为3.8MPa,热端温度为293K,丝网填料为604目不锈钢丝网时,最低制冷温度为53.5K,当输入电功逐渐增加至55W时,冷头从室温降至80K需4分钟。输入电功为34W和55W时,在80K制冷温区时可分别获得1W和2W制冷量,比卡诺效率分别为7.83%和9.68%。制冷机方向性实验结果显示:当输入功率较大时,频率从60Hz变化至140Hz,脉管内自然对流现象均不明显;输入功率较小时,频率的提升在一定程度上可以抑制脉管内自然对流现象,但抑制效果并不十分明显。实际运用中,当微型脉管制冷机运行在120Hz,入功率较小时,需注意制冷机的摆放方式。
【图文】：

型制,领域,温区

研究背景及意义制冷技术是通过人工方法将物体温度降至环境温度以下，并维持该温区学技术。1971 年，第十三届国际制冷大会对制冷温区进行了划分，建议120K 为冷冻区，120K 与绝对零度(0K)之间为低温温区，低温制冷已成为与航空航天等应用领域内不可忽视的一种技术。许多物质在低温下会呈超流性、超导性、顺磁性、量子力学版本的霍尔效应[1]等许多独特的物科学家利用这些物质在低温下的超材料特性在超导技术、航天探测、信高能物理和半导体设计等尖端科学领域和工业生产领域创造了巨大的价低温环境温度的严苛要求表明只有配合合适的低温制冷机，这些技术才实用。这股世界范围内对低温制冷机的研究热潮在过去几十年中一直持型制冷机包括回热式的斯特林制冷机、斯特林型脉管制冷机、GM 型脉、焦耳-汤姆逊(J-T)制冷机和逆布雷顿循环制冷机等相继诞生[2]。图 1.1同温度和冷量下各类型制冷机的应用领域，图中标明了 55~150K 温区应用领域[3-6]。

制冷机,结构示意图

到了快速发展。一开始，学者们通过携带低温流但庞大复杂的低温储罐增加了发射成本，且一旦不再工作，限制了探测器运行使用寿命。此外，和黑热沉等特点进行辐射制冷，通过高辐射率的辐1 的太空环境进行辐射换热，从而达到制冷目的。动、无噪声和低功耗等突出特点，，但其极度依赖温度较高、冷量小以及容易被污染，不能很好满研制的 J-T 制冷机利用实际气体非理想特性引起的制冷，冷头无运动部件，冷头可根据实际应用自，但压缩机需要提供较大压比，性能可靠性低[8]机替代 J-T 阀，利用气体在膨胀机中的绝热膨胀大时，仍能保持较高的效率，但制冷机中存在高隙密封技术要求较高。GM 型脉管制冷机因旋转以及体积过于庞大等原因，亦限制其在空间上的型制冷机发展较为成熟，且在空间已有广泛的应述制冷机的结构示意图如图 1.2 所示[9-11]。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB651

【参考文献】