旋转式斯特林制冷机热仿真分析与优化

发布时间：2021-11-04 19:11

　　旋转式斯特林制冷机在工作时会放热,主要包括压缩放热、驱动元器件放热和电机定子放热,放热引起的温升会影响制冷机和红外系统的性能。本文利用Ansys有限元软件对旋转式斯特林制冷机进行瞬态热仿真分析,得到制冷机各零件的温度分布。模拟结果表明,在对流换热系数为3 W/（m²·℃）条件下,制冷机表面电机外壳温度最高,最高温度为外壳中心（36.85℃）,沿压缩端、冷指端两个方向,温度逐渐降低。实验与仿真结果基本一致,证明了模拟方法的有效性。忽略对流换热,对制冷机进行散热仿真优化后,有效抑制了制冷机温升,制冷机整体温度降低约4℃。 

【文章来源】：低温与超导. 2020,48(02)北大核心

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【部分图文】：

旋转式斯特林制冷机三维简化模型

从表1中可看出,除压缩端盖表面中心之外,其它三个特征点的仿真与实验得到的温度差均≤0.5 ℃。对于压缩端盖表面中心,仿真结果要比实验结果高4 ℃,分析产生误差的原因主要由以下三个方面:(1)实验室压缩端盖底面固定安装在铝板上,压缩端盖将热量传递到铝板,导致自身温度降低;(2)压缩端盖与曲轴箱通过四颗螺钉连接,接触面存在热阻,仿真时没有考虑接触面的热阻;(3)为简化制冷机模型,仿真时去除了制冷机内部的偏心轴、压缩活塞等零件,忽略了压缩端热源与这些零件的热传导。仿真的边界条件与实际状态存在客观差异,导致压缩端盖温度不可避免存在误差。表1 仿真与实验温度结果对比Tab.1 Comparison of simulation temperature with experimental temperature单位:℃ 电机外壳上表面中心 电机外壳侧面中心 背部驱动盖板表面中心 压缩端盖表面中心 仿真值 36.85 36.37 36.52 36.63 实验值 36.82 35.88 36.16 32.56

由式(6)可知,当电机外壳和环境温度一定时,换热面积越大,辐射换热量越大,因此在原制冷机电机外壳基础上,将原来粗槽优化为细槽,如图6所示。优化后细槽散热片的厚度为0.7 mm、槽宽为0.7 mm,相比原槽宽3 mm粗槽,散热面积明显增大,热辐射能力明显增强。经计算,优化前的电机散热面积为26 168.4mm2,优化后散热面积为37 324.7mm2,面积增加11 156.3mm2,增长42.6%。4.3 背部驱动元器件散热

【参考文献】：
期刊论文
[1]一款小型化大冷量旋转集成式斯特林制冷机的研制[J]. 迟国春,卢旭辰,温建国,杨继飞,刘湘德,饶启超.  低温与超导. 2019(02)
[2]导热硅脂研究进展[J]. 叶宽,钟震,任天斌.  中国胶粘剂. 2013(12)
[3]斯特林循环制冷机热力传热和流动过程的模拟分析[J]. 何雅玲,吴沛宜.  西安交通大学学报. 1990(02)

博士论文
[1]碲镉汞红外焦平面探测器可靠性相关技术研究[D]. 陈星.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014



本文编号：3476299