| 题名 | 20K温区单级斯特林型脉管制冷机研究 |
| 答辩日期 | 2013 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 戴巍 |
| 关键词 | 脉管制冷机 斯特林 调相 热声 |
| 学位专业 | 硕士 ; 制冷及低温工程 |
| 中文摘要 | 20K温区低温制冷机在空间技术、超导体冷却、液氢无损贮存、低温电子和低温泵等方面有着广阔的应用前景。传统制冷机如G-M制冷机、斯特林制冷机等由于低温区存在运动部件，存在可靠性差、振动、制造成本高等问题。脉管制冷机除了室温下压缩机有运动部件外，在低温下没有任何运动部件，具有制造简单、寿命长、振动小等突出优点而受到了关注。脉管制冷机分为G-M型脉管制冷机和斯特林型脉管制冷机，在G-M型脉管制冷机中，配气阀门的流动损失对整机效率有颇大影响，另外因为采用有油压缩机需要定期维护，同时体积庞大。采用无阀压缩机提供压力波动的斯特林型脉管制冷机中，由于取消了旋转阀和单向阀，效率高，结构紧凑，在应用上更具有优势。本文利用Sage 8软件对制冷机进行了计算和优化，结合制冷机实验，对制冷机各关键部件进行了优化分析，主要成果如下： 1.回热器结构参数及填料的优化。 对于回热器的优化，可以从降低损失，增强热声功能和回热功能方面来考虑，本文通过优化管段长度、内径、丝网丝径、目数以及填料，考察了上述结构和物性参数对回热器内流动损失、气固表面换热损失、轴向漏热损失的影响，分析了上述参数对制冷机性能影响的几点原因： 计算表明，将回热器末端填料由400目丝网变为500目丝网后，优化后的长度将末端回热器增长了2mm，直径保持原有的1.8cm不变，计算得到的最低无负荷冷头温度比填充400目丝网时降低1.4K，30K时制冷量可增大0.3W。分别将末端填料材料、形状改变时，会引起制冷机中体积流率分布、相位差分布的变化，流动损失、表面换热损失和轴向导热火用损的分布也会发生一定改变，上述各因素的影响叠加，共同对制冷性能起作用，目前回热器末端采用铅球填充时尚未优化得到比丝网填充时更好的制冷性能，相关研究需进一步深入。 2.换热器、脉管、调相装置等部件结构参数的模拟计算及实验分析。 换热器、脉管调相装置均是制冷机中的关键部件，有必要对其进行优化，以提高制冷机性能。计算和实验结果均表明，换热器结构及冷却水温会对制冷性能有影响。采用烧结紫铜丝网式次水冷器代替线切割次水冷器可以得到更好的制冷机性能，此时实验得到的最低无负荷制冷温度为22.67K，比线切割式相应值降低1.77K，此时电声效率略有降低，但变化不大。 脉管是冷头与室温端之间的热缓冲管，其中的气固换热情况及内部气体流动状态均影响制冷机的性能，本文计算结果表明，将脉管内壁材料换为导热率较低的Teflon材质时，制冷机最低无负荷制冷温度可降至19.6K,在20K时有314mW的制冷量，这为实际操作中通过优化脉管管壁材质提高制冷机性能提供了参考。 惯性管气库及双向进气是两种重要的调相形式，其作用都是为脉管热端提供合适的声学阻抗，对于一些尺寸较小且制冷量也很小的制冷机，需要引入双向进气配合惯性管气库调相为脉管热端提供较佳的阻抗。本文从模拟计算和实验两个角度研究了在有惯性管气库调相的基础上，双向进气开度不同对于制冷机性能的影响。结果表明，存在最佳的双向开度使得制冷机性能达到最优，计算表明双向开度最佳时可得到23.75K的最低无负荷制冷温度，相应的实验结果为24.44K。分别以最低无负荷制冷温度和最大COP为优化目标时，最佳双向开度值是不同的。计算结果表明，使用振子阻尼调相可以快速得到最佳调相，可以根据此相位去选择合适的调相结构参数，甚至直接采用该振子阻尼调相结构满足制冷机需求。 3. 加入预冷对制冷机性能有一定影响。 从理论角度考察了制冷机加入预冷对性能的影响,预冷温度存在一临界点，当预冷温度降至临界点温度以下时，最低无负荷制冷温度很难再继续降低，此时随着预冷温度降低，制冷机对外部预冷的依赖性增大，而制冷机自身的压比和声功都在减小。在调相不变的条件下，以最低无负荷制冷温度考量的制冷机性能并未有明显提升，故要通过预冷来提高制冷机性能时要注意调相装置的匹配方可达到降低无负荷冷头温度的目的。 在各个预冷温度下，脉管使用Teflon材质时均得到更低的制冷温度，且相应的预冷量、压比和输入声功较小，这也可以表明使用Teflon脉管时制冷机的性能优于SS304脉管。当以最大制冷量为优化目标时，使用Teflon脉管可得到 的制冷量高于脉管为SS304时约0.2W，入口声功随着预冷温度降低有略微升高的趋势，相应的入口声功略低于使用SS304脉管时的值，所需预冷量也随着预冷温度的降低而升高。 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://202.127.2.71:8080/handle/181331/10954]  |
| 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 | . 20K温区单级斯特林型脉管制冷机研究[D]. 中国科学院研究生院. 2013. |
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