| 题名 | 高频多级脉冲管预冷的4K节流制冷机研究 |
| 答辩日期 | 2014 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 梁惊涛 |
| 关键词 | 液氦温区 多级 高频 节流 制冷机 |
| 学位专业 | 博士 ; 制冷及低温工程 |
| 中文摘要 | 在空间科学领域，液氦温区冷环境的应用需求越来越广泛。欧美日等发达国家已经针对空间液氦温区的需求提出了多种解决方案，如液氦恒温器、多级脉冲管制冷机、小型氦气节流制冷机、吸附制冷机等，其中的小型氦气节流制冷机具有结构简单、寿命长、低温下无振动部件、冷头可与压缩机分开至数十米远等优点，受到各国低温领域研究者的重视，采用小型氦气节流制冷机作为冷源的空间冷却方案已经在国外多颗卫星上成功实施多年，为人类认识太空、推动科学技术进步作出了重要贡献。在对小型氦气节流制冷机流程分析的基础上，本文首先采用GM制冷机做冷源对氦气节流制冷循环进行了验证，然后采用本实验室研发的体积较小、适合空间应用的高频多级脉冲管制冷机取代了GM制冷机，进行了整机实验研究，本文的主要研究内容如下： 1. 对液氦温区小型节流制冷机进行流程分析与设计，并建立了制冷机的原理模型。从节流制冷机整机制冷性能出发，分析了节流前后的压力、氦气流量、预冷温度、换热器效率等对制冷量的影响，并提出了设计及实验过程中的关键问题及挑战。 2. 节流元件和换热器是氦气节流制冷系统中的重要部件，结合制冷机的整体设计对制冷系统中的节流元件和换热器进行了计算、模拟及设计加工，对氦气通过微节流孔的流量进行了研究，并设计了实验装置进行了验证。建立了逆流式套管换热器模型，分析了翅片管逆流式套管换热器换热机理，对换热系数、流阻特性等进行了计算。 3. 采用GM制冷机作为冷源对氦气节流循环进行两级预冷，对所设计的节流流程进行了验证。开展了开式和闭式循环实验，测定了不同充气压力下的节流制冷量大小，达到了预期效果，为节流循环与脉冲管制冷机的耦合奠定了基础。对节流制冷系统进行了热分析计算，提出对预冷制冷机冷量的要求，测试了不同连接材料对预冷换热器与预冷级冷头的耦合效果，并对用于氦气节流循环的压缩机进行了实验研究。在单级压缩的闭式节流制冷循环实验中，4.5K时有5mW的制冷量，4.7K时有10mW制冷量。在两级压缩实验中，充气压力为0.5MPa时，4.5K有10mW制冷量。 4. 采用三级脉冲管制冷机代替GM制冷机作为冷源对节流循环进行预冷，对开式和闭式节流循环进行了实验研究。在开式循环实验中，当节流前压力为0.3MPa，节流后为负压时，得到了节流后最低温度为2.7K。在开式节流循环成功的基础上，开展了闭式节流循环研究。为提高节流前压力，增大节流制冷量，节流压缩机采用两级串联的形式，对两级压缩的节流制冷循环制冷性能进行了测试，节流后最低温度达到了4.41K，在4.5K时有超过6mW制冷量，4.54K时超过11mW的制冷量。 上述工作在国内首次研制出了适于空间应用的高频多级脉冲管预冷的4K节流制冷机原理样机，脉冲管制冷机与氦气节流循环的耦合实验研究为实现将来空间用液氦温区小型节流制冷机的工程化和实用化奠定了良好基础。 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://202.127.2.71:8080/handle/181331/10945]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_全文传递文献库_qwcd 学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | . 高频多级脉冲管预冷的4K节流制冷机研究[D]. 中国科学院研究生院. 2014. |
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