百赫兹微型脉管制冷机理论与实验研究

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1、密级:博士学位论文百赫兹微型脉管制冷机理论与实验研究作者姓名：余慧勤指导教师:吴亦农研究员中国科学院上海技术物理研究所学位类别:工学博士学科专业:制冷及低温工程培养单位:中国科学院上海技术物理研究所2018年6月中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本

2、人完全了解中国科学院大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文。本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，编入CNKI学位论文全文数据库并充实到“学位论文学术不端行为检测系统”比对资源库，同意按章程规定享受相关权益。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日TheoreticalandExperimentalR

3、esearchontheMiniaturePulseTubeCryocoolerOperatingatHundredHertzAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinRefrigerationandCryogenicEngineeringByHuiqinYuSupervisor:ProfessorYinongWuShanghaiInst

4、ituteofTechnologyandPhysicsChineseAcademyofScienceJune2018摘要摘要微型脉管制冷机不仅继承了脉管制冷机小振动、高可靠性和长寿命等优点，还具有小体积、轻质量和快速降温等特点，可实现紧凑地空间布局以满足不断发展的军事，商业和空间科学任务需求。微型脉管制冷机在未来空间、军事和民用等领域具有广泛应用前景。理论指出，提高频率和充气压力是实现脉管制冷机微型化的有效途径。受材料本身的机械强度等方面限制，无法大幅增加充气压力，可通过增加运行频率来减小制冷量重量和尺寸，实现脉管制冷机微型化，频率基本提升至百赫兹左右

5、。但单一提高频率会造成较大损失，微型脉管制冷机效率低下。为提高百赫兹微型脉管制冷性能，国内外研究学者已开展了微型脉管制冷机相关研究工作。其中NGAS公司研制的液氮温区微型脉管制冷机的性能和重量目前处于世界领先地位，但其具体设计流程和关键参数目前仍处于保密阶段；其它机构的研究主要针对冷指参数的热力学设计及优化，对百赫兹下压缩机与冷指的耦合特性研究甚少，整机效率低和重量大。本文以研制适用于空间应用的高效微型脉管制冷机为目标，开展了针对百赫兹微型脉管制冷机的相关理论与实验研究，主要研究内容包括：1)通过介绍脉管制冷机的热力学理论基础，对脉管制冷机各部件理想焓

6、流、熵流和声功流进行了整理和分析。在此基础上，结合高频特性，分析了百赫兹下脉管制冷机实际损失。包括百赫兹下回热器损失，指出随着频率增加，气体热渗透减小，回热器的不完全换热损失增加，为保证充足的换热，需采用较小水力直径的丝网，但又会使压降损失增加；为提高脉管制冷机在百赫兹下的回热器效率，选择丝网时需要综合考虑气体与填料之间的换热和流动特性，需寻找水力直径小且空隙率高的回热器填料。2)通过分析高频下回热器相位关系，指出可通过提高充气压力来补偿频率增加带来的部分损失；可通过减小脉管体积来缓解频率提升对调相能力的影响，但过小的脉管体积会带来较大的脉管损失；指出

7、配合合适惯性管尺寸和气库体积，频率提升对惯性管调相能力有显著的提升。3)利用REGEN软件分析了回热器结构和运行参数对回热器性能的影响，明确几何尺寸与运行参数的相关性，进而开展了回热器几何尺寸和关键参数的设计优化；分析了脉管内径、长度和长径比对整机性能和绝热膨胀系数的影响；利用DeltaEC软件分析了百赫兹下惯性管调相能力，明确了频率与调相能力正相关，但调相能力对惯性管的结构尺寸很敏感，较小的长度变化会引起相位角大幅变化，且惯性管最佳长度(相位角最大为判断标准)对内径的变化不明显。对比了400目、604目和635目不锈钢丝网作为回热器填料在高频下的制冷

8、性能差异，提出在百赫兹下，采用具有细丝径和大孔径的604目不锈钢丝网作为回热器填料I百赫兹微型