脉管制冷机惯性管相位特性及测量方法研究

摘要

脉管制冷机作为低温制冷机的一种，其冷端无运动部件，低温下高可靠性的特点以及抗电磁干扰性强、振动低和工作寿命长的明显优势使得其应用越来越广泛。脉管制冷机的发展经历了基本型、小孔型、双向进气型、惯性管型的发展历程，本质上也是调相元件的发展历程。惯性管调相现已成为高频脉管制冷机主流调相手段。然而惯性管调相角度与入口声功之间存在耦合关系，不同入口声功下惯性管调相角度差异较大。同时现如今也缺少惯性管调相特性的实时测量方法。因此，本文在大功率斯特林型脉管制冷机的基础上对惯性管调相特性进行了理论和实验研究，主要开展了以下工作： 1.根据惯性管入口声功与调相角度的不同对惯性管进行了分类研究。通过对不同长度和内径惯性管调相特性的模拟，本文给出了大功率惯性管和小功率惯性管的分类依据。大功率惯性管调相能力显著高于小功率惯性管，需要减弱其调相能力，同时其在软件模拟及调相测量方面的准确性均较高。 2.采用并联惯性管调相结构以简化惯性管入口的相角与声功匹配。单根惯性管调相机构往往难以同时满足制冷机对惯性管入口声功和相角的要求。当并联两根具有不同调相能力的惯性管时，可以通过阀门开度的变化动态调节惯性管的调相能力。并联惯性管调相结构可以改善大功率惯性管超调现象和散热问题。 3.提出仅采用压力传感器测得的数据计算惯性管入口处相角与声功的方法。通过压力传感器直接测量的惯性管进出口的压力波相位差和气库压力振幅，并进行质量流相位差修正，最终得出惯性管入口相角和声功大小。该方法可以实现惯性管的实时测量，且无需测量质量流量，避免了测量系统对流场的影响。 4.以大功率斯特林型脉管制冷机为平台对惯性管调相特性进行实验研究。通过实验验证了DeltaEC软件在惯性管模拟方面和惯性管入口相角与声功测量方法的准确性。本文还搭建了并联惯性管调相装置并与单惯性管调相机构性能进行了对比。实验证明，并联惯性管调相结构相比于具有相同截面积的单根惯性管可以使制冷机获得更优的性能。

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