| 题名 | 高频脉冲管制冷机几何参数及关键结构的理论与实验研究 |
| 作者 | 王立保 |
| 答辩日期 | 2012-05-31 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 党海政 |
| 关键词 | 高频脉冲管制冷机 几何参数及关键结构 阻抗匹配 蓄冷器 脉冲管 |
| 学位专业 | 物理电子学 |
| 英文摘要 | 高频脉冲管制冷机低温端没有运动部件，具有体积小、效率高、可靠性高、寿命长、振动及电磁干扰小等优点，成为最具发展潜力和最具代表性的新一代空间制冷技术之一。脉冲管制冷机采用机械调相结构被动获得制冷所需的质量流与压力波之间的相位差，几何参数及关键结构不仅决定了制冷机的外型结构和体积，更决定了制冷机的热力学性能，同时由冷指决定的阻抗特征还影响与其驱动压缩机的耦合效率，是各国脉冲管制冷技术研究者最为关注的敏感参数之一，成为脉冲管制冷技术研究的一大热门和重要前沿。本文建立了几何参数及关键结构研究的数值模型，开展了整机及关键部件如连管、蓄冷器、脉冲管和调相机构等的几何参数及关键结构的理论与实验研究，研究成果在制冷机样机开发实践中得到验证并发挥了积极作用。主要研究内容如下： （1）高频脉冲管制冷机几何参数及关键结构的理论研究。基于热力学第一、第二定律及焓流调相理论对制冷机内部能量流及相位分布进行分析，分析了制冷机的制冷机理，指出几何参数及关键结构决定了制冷机内部的相位分布，从而调节着内部的能量流分布，产生制冷效应。通过线性热声理论系统地分析了制冷机各部件的五种声学阻抗特征，并通过与数值模拟相位分布的比较，确定了各部件的主要阻抗特征，揭示了制冷机内部相位阻抗特征与几何参数及关键结构之间的本质联系。 （2）建立了高频脉冲管制冷机几何参数及关键结构研究的数值模型。针对现有数值模型在制冷机各部件建模处理与计算方法的种种不完善之处，依据模块化编程，分部件建模的思想，充分考虑到制冷机的实际工作过程，如湍流流动、实际气体物性等，并利用系列经验参数来弥补由于一维模型对制冷机内多维效应模拟的不足，最后通过牛顿迭代法实现制冷机非线性控制方程组的线性迭代求解，能够实现在整机范围内对几何参数及关键结构的追踪优化设计。基于数值模型，总结了以实现热力学效率最大化为目标的整机几何参数及关键结构的设计优化方法。 （3）60K温区高频脉冲管制冷机重要几何参数及关键结构的数值模拟与实验研究。研究制冷量范围为1.0-5.0W，频率范围为45-65Hz，数值模拟结果显示：蓄冷器最优截面积与制冷量成线性关系，直线的斜率与频率密切相关，频率越高，斜率越小，典型55Hz时的线性函数为Sre=7.21×10-5+4.87×10-5Qc；蓄冷器最优长度随频率和制冷量的增加而减少，随着冷量的增加，受冷量影响越小；对脉冲管内各种损失的量化分析，说明存在一临界最小内径使脉冲管内损失最小化，数值模拟给出了各种冷量和频率下的最优脉冲管内径值；最优的脉冲管体积与压缩机扫气容积之比与冷量有关，而与频率基本无关，其比值由1.0W制冷量的2.88变化到5.0W制冷量的1.36；在最优几何结构参数下，压缩机压缩腔内和蓄冷器冷端压比分别约为1.20和1.14，蓄冷器冷热端质量流相位差和冷端质量流与压力波相位差均接近于理想的600和300。对其中一组关键参数在实验样机中进行了验证研究，从实践上验证了研究规律的正确性。 （4）80K温区重要几何参数及关键结构的数值模拟与实验研究。研究制冷量范围为1.0-5.0W，频率范围为45-60Hz。数值模拟结果显示：蓄冷器最优截面积与制冷量成线性关系，而直线的斜率与频率基本无关，其中45Hz和55Hz的线性函数分别为Sre=9.09×10-5+3.27×10-5Qc和Sre=6.83×10-5+2.94×10-5Qc；蓄冷器最优长度随频率和制冷量的增加而减少，随着冷量的增加，受冷量影响越小；通过对脉冲管内各种损失的量化分析，说明存在一临界最小内径使脉冲管内损失最小化，数值模拟给出了各种冷量和频率下的最优脉冲管内径值；最优脉冲管体积与压缩机扫气容积之比与冷量有关，而与频率基本无关，其比值由1.0W制冷量时的 4.33变化到5.0W制冷量时的2.29；在最优的几何结构参数下，压缩机压缩腔内和蓄冷器冷端压比约为1.18和1.13，蓄冷器冷热端质量流相位差和冷端质量流与压力波相位差均略小于理想值600和300。对其中两组关键参数在实验样机中进行了验证研究，从实践上验证了研究规律的正确性。 （5）建立了高频脉冲管制冷机几何参数及关键结构的耦合匹配设计方法。从分析线性压缩机与脉冲管冷指本质联系出发，进一步修正和完善了阻抗匹配理论。匹配电机效率、电声效率理论计算值与实验测量值偏差分别在10%和 5%以内。基于该理论，进行了系统的线性压缩机及脉冲管冷指几何参数及关键结构对耦合匹配效率影响的理论分析，总结出了整机几何参数及关键结构的耦合匹配设计方法。 （6）高频脉冲管制冷机整机几何参数及关键结构的设计优化及实验研究。详细地介绍了整机几何参数及关键结构的耦合匹配设计优化过程，深入考察了制冷性能对主要部件如连管、蓄冷器、脉冲管、惯性管和气库的几何参数及关键结构的敏感性，指出制冷性能对蓄冷器和脉冲管长度在一定范围内变化的弱敏感性，并通过实验样机的开发得到验证。数值模拟和实验研究了60K和80K温区脉冲管制冷机内部能量流和相位分布特点，发现了冷端换热器和热端换热器内存在的压力相位逆转现象，该现象在文献中尚未见公开报道，对这一现象的发现及创新性研究增强了对热端调相机构的精确设计能力。 几何参数及关键结构所取得的研究成果，在协助导师承担的如下高频脉冲管制冷机研制项目中发挥了积极作用，如以之为基础优选出的几何尺寸及结构参数，在样机开发中得到应用，其中60K温区典型制冷性能为压缩机输入功91.54W，冷端获得2.0W制冷量，比卡诺效率达到8.8%；80K温区典型制冷性能为压缩机输入功61.7W和120.0W时，冷端分别获得2W和5W制冷量，比卡诺效率分别达到9.32%和 12.24%；90K温区典型制冷性能压缩机输入功167.6W，冷端获得10W制冷量，比卡诺效率达到15.25%。从实践上验证了数值模型和设计方法的正确有效性。 |
| 学科主题 | 红外系统与元部件 |
| 公开日期 | 2012-09-11 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://202.127.1.142/handle/181331/5400]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_上海技物所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王立保. 高频脉冲管制冷机几何参数及关键结构的理论与实验研究[D]. 中国科学院研究生院. 2012. |
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