| 题名 | 液氮温区直线压缩机驱动的脉管制冷机研究 |
| 答辩日期 | 2013 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 罗二仓 |
| 关键词 | 直线压缩机 脉管制冷机 液氮温区 大功率 |
| 学位专业 | 博士 ; 制冷及低温工程 |
| 中文摘要 | 脉管制冷机自问世以来，由于其结构简单、可靠性高、低温下振动小等优点受到广泛关注。直线压缩机驱动的脉管制冷机在最近几年里发展十分迅速，但仍有很多问题尚待解决。脉管和回热器是脉管制冷机的两个关键部件，其内部流动和温度分布直接影响着脉管制冷机的性能。本文主要研究了脉管内的自然对流、射流和Rayleigh声流对脉管制冷机的影响，以及大功率脉管制冷机回热器内温度不均匀性问题。针对与日俱增的高温超导设备应用需求，致力于实现能在液氮温区提供数百瓦冷量的大功率脉管制冷机。此外，探索了新的脉管制冷机结构，详细阐述了理论上具有更高效率的双作用脉管制冷机的工作机理，并开展了相关实验研究。其主要内容为： 1. 脉管制冷机中自然对流的影响及其抑制方法研究 如果脉管制冷机的冷端朝上，脉管中就会存在自然对流而恶化脉管制冷机的性能。我们理论分析了在脉管中放置丝网片的方法有利于抑制脉管中的自然对流，并通过实验验证了在脉管中放置合适数量的紫铜丝网片可以有效的抑制脉管中的自然对流。在一台工作频率为50Hz的液氮温区直线压缩机驱动的10W级脉管制冷机上的实验研究表明，等距布置6片紫铜丝网后，脉管的倾角从0°变化到180°时，冷头的无负荷温度最大温差从原来的73.1K下降到了8.6K，且放置丝网后带来的冷量损失很小。该方法可以使脉管制冷机的性能受放置方位的影响大大降低，很大程度上扩展了脉管制冷机的应用场合。 2. 脉管制冷机中射流和Rayleigh声流的影响及其抑制方法研究 由于惯性管直径比脉管直径小得多，热端气流从惯性管经次水冷器进入脉管时，在脉管中会形成射流而恶化制冷机性能。对于设计的一台液氮温区100W级直线型脉管制冷机，实验研究表明脉管热端的导流丝网已不足以抑制射流，冷头温度不稳定。采用丝网填充式次水冷器替换原有线切割肋片式次水冷器可以抑制射流，从而使冷头温度稳定，且制冷性能也有所提高。 研究了锥形脉管对抑制脉管内Rayleigh声流的作用，结果表明在一定条件下，锥形脉管有利于提高制冷机的性能。对于锥角的确定，不仅与脉管的直径和长度相关，还与运行参数包括工作频率、平均压力、压力波动振幅、工作温度等因数相关。实验研究还表明，有时锥形脉管的作用并不明显，甚至会恶化制冷机性能。实验中采用长度为100mm、直径为32mm的直脉管时，在液氮温区获得了104.4W的制冷量。按输入的PV功计算，制冷机的相对卡诺效率为23%。 3. 大功率同轴型脉管制冷机回热器内温度不均匀问题研究 脉管制冷机的回热器通常采用丝网或其它多孔介质填充而成，消耗声功将热量从冷端泵至热端。对于大功率脉管制冷机，回热器尺寸较大，其内部流动和温度的不均匀性严重，是阻碍制冷机性能提高的主要因素之一。对于设计的一台液氮温区大功率同轴型脉管制冷机，采用CFIC2S241W压缩机驱动时，实验中发现回热器内温度不均匀性问题严重，回热器中间截面的温差最大有180K以上。对压缩机与制冷机的连接段进行了改进，使制冷机入口流动更加均匀后，制冷量有所提升。但是回热器内的温度仍然很不均匀，中间截面温差最大在140K以上。本文中从理论上分析讨论了回热器内温度不均匀性现象及其抑制方法。实验中该制冷机在压缩机输入电功为3892W，冷头温度为77K时获得了161.6W的制冷量。 4. 双作用脉管制冷机特性的研究 阐述了双作用脉管制冷机的工作原理，并理论推导了双活塞压缩机与脉管制冷机的匹配关系。对一台三缸双作用脉管制冷机进行了数值模拟表明，当三个单元的参数完全一致时，三个单元的工作状态也是完全相同的。由于双作用结构对脉管热端声功进行了回收，双作用脉管制冷机可以获得更高的效率。理论上当单个压缩机输入电功为1113W时，单个脉管制冷机在77K可获得151W的制冷量，整机相对卡诺效率可达38%。搭建了一台三缸双作用脉管制冷机实验系统。实验中发现冷头温度下降到一定值后出现明显的不一致，系统内压力波动出现一条明显的包络线。FFT分析表明，除压缩机的驱动频率外还存在另一个频率，我们称之为双频现象。发生双频现象后三个冷头温度出现明显不一致，甚至有的升温，目前该双作用脉管制冷机仅能降低至170K左右，且不稳定。对于这种新型的脉管制冷机的实际运行状态，有待进一步研究。 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://202.127.2.71:8080/handle/181331/10964]  |
| 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 | . 液氮温区直线压缩机驱动的脉管制冷机研究[D]. 中国科学院研究生院. 2013. |
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