120Hz单级脉管制冷机理论与实验研究

摘要

军事和航天应用推动低温制冷机发展的主要力量，对制冷机系统的尺寸和质量具有严格的限制。斯特林型脉管制冷机的特性决定了其在这两个领域内具有广泛的应用，在保持制冷性能不变的条件下，其小型化甚至微型化是当前呈现出来的新的发展趋势。
　　 百赫兹高频脉管制冷机采用更高的运行频率，配合更高的充气压力、合适的回热器尺寸以及回热填料，可以在保持制冷量不变，制冷机效率不被大幅削减的同时，有效地减小压缩机以及冷头的尺寸，从而减小系统质量，并进而实现快速降温等需求，特别适合军事和航天应用。但是该领域的研究尚处于起步阶段，还存在着诸多科学问题和技术问题。基于此，本文开展了如下工作：
　　 1.系统整理了1989-2010年近20年间单级斯特林型脉管制冷机在军事和航天应用中的报道，并就制冷机紧凑性方面的数据和早年的调研数据进行了横向的对比，显示出百赫兹高频脉管制冷机的潜在优势。
　　 2.系统梳理了焓流调相理论，对理想的脉管制冷机整机进行了焓流分析，并对实际脉管制冷机中存在的各种损失进行了分类和逐一分析。采用相位理论对线性压缩机进行了建模，并在本文中用于线性压缩机的高频特性分析和系统优化时的压缩机效率计算。
　　 3.采用本文的线性压缩机模型和回热器数值计算程序REGEN3.2分别对线性压缩机和回热器在百赫兹高频下的特性做出了分析，并提出了采用不锈钢丝绒回热填料和分层回热填料的设想。
　　 4.采用REGEN3.2优化设计了一台120Hz，单级高频脉管制冷机，实验表明该制冷机在500W压缩机电功输入时在78.6K.获得了8.0W制冷量，并实现了在5.7分钟内从室温降温至80K。初步测试显示该机未出现明显的方向性问题；测试了分层回热器对制冷机性能的影响。