低温惯性管调相的35K两级高频脉管制冷机研究

摘要

与低频G-M型脉管制冷机相比,高频斯特林型脉管制冷机具有结构紧凑、重量轻、效率高、无需维护等优点;与斯特林制冷机相比,由于脉管冷端无运动部件,具有寿命长的潜在优势。为此,采用室温下长寿命线性压缩机驱动的高频脉管制冷机是适合空间探测器冷却要求的潜在机型。
　　 35K温区是空间低温技术中的一个重要温区,该温区的制冷机主要用于HgCdTe(碲镉汞)探测器的冷却,一般需要与85K温区相结合,以冷却相应的光学设备。同时,为实验室正在进行的4K预冷型高频脉管制冷机实现全部斯特林结构做准备,本文采用理论与实验相结合的方法开展了35K高频脉管制冷机的基础研究工作。
　　 1.设计了一台35K两级分离型带低温惯性管的高频脉管制冷机
　　 在文献调研和理论分析的基础上,确定了采用两级分离型(热耦合型)高频脉管制冷机来达到3.5K温区的制冷要求;在掌握惯性管调相机理的基础上,确定了全惯性管的调相方式,其中第一级采用室温惯性管调相,第二级采用低温惯性管调相;基于回热器数值计算软件REGEN,提出了第二级回热器冷端(RG22段)的最佳回热填料为500目不锈钢丝网,打破了在这一温区采用铅丸回热材料的传统思想;并在此基础上,以第二级回热器冷端(RG22段)的效率为优化目标,完成第二级回热器结构尺寸的设计和运行参数的选择,并依次确定了第二级脉管、第二级换热器的结构尺寸和形式、以及低温惯性管的尺寸,给出了第二级脉管制冷机的详细设计过程。
　　 2.自行搭建了35K两级高频脉管制冷机实验台
　　 基于计算结果,完成设计和加工环节,搭建了一台35K两级高频脉管制冷机实验装置。
　　 3.开展了实验研究工作,实验结果较好地验证了理论模型实验
　　 研究表明:该制冷机可获得23.7K的最低无负荷制冷温度,在35K可获得0.57W的制冷量,较好的验证了理论计算结果。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:主要符号表、图目录、FIGURES CONTENTS、表目录、TABLES CONTENTS

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 35K低温制冷机的研究进展和方向

1.2.1 35K斯特林制冷机在国外的研究进展

1.2.2 35K斯特林型脉管制冷机在国外的研究进展

1.2.3 35K混合型低温制冷机在国外的研究进展

1.2.4 35K低温制冷机在国内的研究进展

1.3 35K低温制冷机的发展趋势

1.4 本文的研究工作

第二章 35K两级高频脉管制冷机的理论设计基础与方案选择

2.1 理论设计基础

2.1.1 回热器数值模拟

2.1.2 惯性管计算模型

2.1.3 脉管制冷机相位分析

2.2 方案选择

2.2.1 回热器和脉管构型布置

2.2.2 级间耦合方式的确定

2.2.3 调相方式的选择

2.3 本章小结

第三章 35K两级高频脉管制冷机低温段回热材料选择

3.1 引言

3.2 回热材料的热渗透深度

3.3 回热材料性能比较

3.4 制冷温度对回热器性能的影响

3.5 本章小结

第四章 35K两级高频脉管制冷机优化设计

4.1 第二级脉管制冷机回热器设计

4.1.1 回热器设计流程

4.1.2 回热填料的选择

4.1.3 回热器长度和冷端压比的选择

4.1.4 回热器工作压力的选择

4.2 第二级脉管制冷机其它部件参数的确定

4.2.1 脉管的设计

4.2.2 换热器的设计

4.2.3 其它部件设计

4.3 第一级制冷机各部件参数的确定

4.4 第二级制冷机相位分析及低温惯性管和气库优化设计

4.4.1 相位分析

4.4.2 低温惯性管及气库的优化设计

4.5 室温惯性管与低温惯性管性能比较

4.6 本章小结

第五章 35K两级高频脉管制冷机实验研究

5.1 实验装置介绍

5.1.1 压缩机系统

5.1.2 脉管制冷机系统

5.1.3 真空和绝热系统

5.1.4 测量和数据采集系统

5.2 35K两级高频脉管制冷机实验研究

5.2.1 第一级脉管制冷机实验研究

5.2.2 两级脉管制冷机初步试验研究

5.2.3 两级脉管制冷机优化实验研究

5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 课题研究展望

参考文献

攻读硕士期间取得的科研成果

致谢