| 题名 | 高频微型脉冲管制冷机设计方法及调相机理研究 |
| 答辩日期 | 2002 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 周远 |
| 关键词 | 脉冲管制冷机 数值模拟 损失分析 调相机理 长颈管 低温工程 |
| 学位专业 | 博士 ; 制冷及低温工程 |
| 中文摘要 | 由于低温端没有运动部件，脉冲管制冷机具有结构简单、运行可靠、振动小等优点，近年来一直是回热式低温制冷机研究的一大热门，其中微型脉冲管制冷机更是适合于空间技术应用的一种理想的低温制冷机。实用化是目前微型脉冲管制冷机发展的主要方向，在此进程中还存在不少问题，其中主要问题之一是缺乏一种有效的脉冲管制冷机的设计方法，目前脉冲管制冷机的最优结构尺寸主要由实验确定，因此开发时间长，成本高；制冷机的几何结构尺寸与给定的压缩机匹配的状况还是影响制冷机效率的重要因素之一；调相机构是影响脉冲管制冷机效率的另一个重要因素，在高频工况下，调相机构的调相机理具有其特殊性。本文针对这些问题着重进行了以下几方面的理论和实验研究，取得了一些进展和成果。1、以动量方程为例，用量纲分析方法对三维N-S方程进行了简化；利用有限差分方法对此一维模型进行了数值求解，在此基础上对一高频微型脉冲管制冷机在采用小孔、双向进气和多路旁通流程情况下分别进行了热力学第二定律分析。计算分析表明：蓄冷器是产生不可逆损失最大的部件，蓄冷器中产生不可逆损失的来源是粘性摩擦、气体和固体间的不完全热交换和轴向导热。粘性摩擦是其中最大的损失项，占整个蓄冷器不可逆损失的70-80％，因而在设计蓄冷器时应该多将注意力集中在减少粘性摩擦方面；从热力学第二定律角度来看，从小孔型、双向进气型到多路旁通型脉冲管制冷机的性能连续改善的原因在于：通过蓄冷器中的气体量减少，压缩机连管、蓄冷器和冷端换热器中的不可逆损失减小，直接降低了压缩机的功耗；同时，蓄冷器中气体和固体之间的换热改善，两者之间的换热充分，减少了因蓄冷器中不完全换热而带来的制冷量损失，因而使得制冷量增加，这个过程也体现为脉冲管冷端压力波和体积流速间的相位差减小，因而热力学第二定律和焙流调相理论具有一致性。 2、分析了微型脉冲管制冷机的几何结构参数和运行参数之间的关系，发现几何结构参数和运行参数存在着一种弱的相关性：提出了将无量纲蓄冷器空体积和无量纲脉冲管体积作为主要设计参数的方法，简化了设计计算量；通过一维数值模拟计算，得到了微型脉冲管制冷机最佳无量纲蓄冷器空体积和无量纲脉冲管体积的范围，并用实验进行了验证，数值模拟结果表明，对于扫气体积为1.66cm~3的压缩机，其最佳的无量纲蓄冷器空体积和无量纲脉冲管体积范围分别为1.0～1.3和0.6～1.0，实验结果为：1.0～1.2和0.7～1.0，计算结果和实验结果符合较好；按此设计计算方法得到的脉冲管制冷机在充气压力为4．IMPa、运行频率为50Hz时，最低制冷温度达到了71K。3、传统的先调节最佳小孔阀开度，再调节双向阀开度（调节方式A）并不是高频微型脉冲管制冷机的最佳性能调节方式，另一种方式，即在不同的小孔开度下分别调节双向开度至最佳性能，从每一个局部的最佳制冷性能中寻找制冷机总体最佳性能（调节方式B），要优于调节方式A。数值计算结果显示调节方式B与调节方式A相比，可提高制冷量约0.9％；试验表明，在不同的充气压力和运行频率工况下，调节方式B所得的最低温度比调节方式A低1.5-5K左右。4、对双向进气型脉冲管制冷机中的直流现象进行了研究，数值模拟和实验结果表明双向进气型脉冲管制冷机中存在固有的直流现象，其方向为：双向阀一脉冲管一蓄冷器一双向阀，采用非对称喷嘴（反向安装）可以获得与固有直流方向相反的附加直流，两者可互相抵消，从而减小直流损失。5、长径管作为调相器应用于微型脉冲管制冷机系统时存在阻抗不匹配现象，即调相效果好时，脉冲管热端阻抗太小，脉冲管中的压力波幅值减小，蓄冷器中损失增大，制冷性能反而低；以小孔型脉冲管制冷机中小孔开度最佳时的热端阻抗模为参考，用不同管径和长度的长径管作为调相器时，最低制冷温度产生在阻抗匹配区域（对内径为1.Omm或1.5mm的长径管）或热端阻抗最大的区域（内径为2.0mm的长径管）；对于本实验中的微型脉冲管制冷机，以长颈管作为调相器时最低制冷温度为107.3K（长径管内径为1.5mm、长3m），低于以单纯的小孔阀作为调相器时所获得的最低制冷温度(116.3K），但还达不到双向进气的水平（101.6K）；采用长颈管（长颈管内径1.5mm，长3.0m）＋双向阀结构和长颈管（长颈管内径2.0mm长3.Om）＋小孔阀结构都可获得比单纯长颈管结构更低的制冷温度，其中前者在双向阀开度为0.6圈时，达到95.6K的最低制冷温度；后者在小孔阀开度1.2圈时达到最低温度103.6K。 6、对于微型同轴脉冲管制冷机，其热端散热的好坏直接影响制冷机的制冷性能，数值计算和实验均表明：随着热端温度的升高制冷机的最低制冷温度单调升高，80K时的制冷量单调减少；根据这一特性，对微型同轴脉冲管制冷机与辐射制冷器相结合应用于空间飞行器进行了探讨，提出了两种应用模式；模式一利用辐射制冷器作为前级冷却，可使脉冲管制冷机的制冷温度更低、制冷量更大，适用于需要大制冷量或更低温的场合；模式二利用热端温度影响脉冲管制冷机的性能的特性，由辐射制冷器来控制脉冲管制冷机的热端温度，用一功耗小、体积小、重量轻的脉冲管制冷机来满足空间技术的需要，这一模式适用于对飞行器内仪器功耗或有效载荷有限制的应用场合。 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://202.127.2.71:8080/handle/181331/10956]  |
| 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 | . 高频微型脉冲管制冷机设计方法及调相机理研究[D]. 中国科学院研究生院. 2002. |
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