斯特林型兩級脈管制冷機理論與實驗研究.docx

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1、斯特林型兩級脈管制冷機理論與實驗研究斯特林型脈管制冷機又稱為高頻脈管制冷機,由線性壓縮機和脈管制冷機冷頭組成,與其它類型的小型低溫制冷機相比,具有振動小,效率高,結構緊湊,壽命長等優(yōu)點,逐漸被推向實際應用。由于單級斯特林型脈管制冷機的制冷溫度通常在60-80K左右,無法滿足高溫超導設備、液氫儲存、紅外探測器等對更低制冷溫度的要求,因而研制兩級結構的脈管制冷機顯得十分必要。線性壓縮機技術和高頻脈管制冷機冷頭技術是斯特林型兩級脈管制冷機的主要技術難點。本文針對包括線性壓縮機和高頻脈管制冷機冷頭的斯特林型兩級脈管制冷機進行了理論和實驗的研究。主要內(nèi)容包括：1.對兩級高頻脈管制冷機冷頭進

2、行了理論分析研究。首先對多種冷頭結構進行了比較,設定研究對象為U型的熱耦合型兩級脈管制冷機,調(diào)相機構為雙向進氣型和慣性管型。通過對回熱器進行全面的數(shù)值計算和特性分析,對第一級和第二級回熱器的尺寸參數(shù)進行了優(yōu)化,確定脈管冷頭的整體尺寸和運行參數(shù),并確定了對壓縮機輸出參數(shù)的要求。然后,研究了回熱填料、冷端相位差、平均壓力、工作頻率等參數(shù)對制冷機的第一級和第二級性能的影響關系。應用電路分析模型對慣性管型調(diào)相機構的機理進行了研究,并得出了慣性管的優(yōu)化選型方法。2.從理論上對線性壓縮機進行了分析研究,提出了較完整的設計方法。對線性壓縮機的主要部件動磁式直線電機進行了分析和優(yōu)化設計,確定了直

3、線電機的主要尺寸和運行參數(shù)。分析了壓縮機的諧振系統(tǒng),探討了板彈簧的設計方法。從脈管制冷機的所需PV功和熱端排氣容積出發(fā),討論了壓縮機與脈管制冷機冷頭的匹配問題。設計的壓縮機具有60cm3的排氣容積和39mm的活塞直徑,最大可輸出約1200W左右的PV功,通過改變輸入電壓和活塞的行程可以改變輸出PV功的大小。3.基于分析結果,獨立自主地設計并加工制造了包括動磁式線性壓縮機和高頻脈管制冷機冷頭的斯特林型兩級脈管制冷機,搭建了試驗裝置,進行了實驗研究。實驗結果表明,壓縮機輸入電功率為500W時可以產(chǎn)生1.3～1.5的壓比,共振頻率為33-38Hz左右,最高效率在50～55%之間。4.對

4、壓縮機繞組線圈、脈管制冷機熱端換熱器等進行了對比實驗和改進,使制冷機的性能得以改善。對雙向進氣型和慣性管型調(diào)相機構進行了優(yōu)化和對比實驗,證明慣性管型調(diào)相機構有利于提高第一級的性能。此外還對輸入電功率、充氣壓力、工作頻率等參數(shù)對制冷機性能的影響進行了實驗研究,得出一套可供實用的工藝參數(shù)。在此基礎上,對斯特林型兩級脈管制冷機整機進行了試驗,結果表明,在充氣壓力為1.3MPa,工作頻率為32Hz,輸入電功率為400W時,第二級獲得了14.21K的最低制冷溫度。這是當時在國內(nèi)采用兩級高頻脈管制冷機首次達到如此低的制冷溫度,僅次于德國Giessen大學在此之前獲得的12.96K。與Gies

5、sen大學采用兩臺商用壓縮機驅動不同,本文采用了單臺自主研發(fā)的線性壓縮機。該制冷機的第二級在35K時可獲得1W的制冷量,無論是無負荷狀態(tài)還是負荷狀態(tài),都具有較好的穩(wěn)定性。