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《浙江大学》 2009年
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斯特林型两级脉管制冷机理论与实验研究

颜鹏达  
【摘要】:斯特林型脉管制冷机又称为高频脉管制冷机,由线性压缩机和脉管制冷机冷头组成,与其它类型的小型低温制冷机相比,具有振动小,效率高,结构紧凑,寿命长等优点,逐渐被推向实际应用。由于单级斯特林型脉管制冷机的制冷温度通常在60-80K左右,无法满足高温超导设备、液氢储存、红外探测器等对更低制冷温度的要求,因而研制两级结构的脉管制冷机显得十分必要。线性压缩机技术和高频脉管制冷机冷头技术是斯特林型两级脉管制冷机的主要技术难点。本文针对包括线性压缩机和高频脉管制冷机冷头的斯特林型两级脉管制冷机进行了理论和实验的研究。主要内容包括: 1.对两级高频脉管制冷机冷头进行了理论分析研究。首先对多种冷头结构进行了比较,设定研究对象为U型的热耦合型两级脉管制冷机,调相机构为双向进气型和惯性管型。通过对回热器进行全面的数值计算和特性分析,对第一级和第二级回热器的尺寸参数进行了优化,确定脉管冷头的整体尺寸和运行参数,并确定了对压缩机输出参数的要求。然后,研究了回热填料、冷端相位差、平均压力、工作频率等参数对制冷机的第一级和第二级性能的影响关系。应用电路分析模型对惯性管型调相机构的机理进行了研究,并得出了惯性管的优化选型方法。 2.从理论上对线性压缩机进行了分析研究,提出了较完整的设计方法。对线性压缩机的主要部件动磁式直线电机进行了分析和优化设计,确定了直线电机的主要尺寸和运行参数。分析了压缩机的谐振系统,探讨了板弹簧的设计方法。从脉管制冷机的所需PV功和热端排气容积出发,讨论了压缩机与脉管制冷机冷头的匹配问题。设计的压缩机具有60cm3的排气容积和39mm的活塞直径,最大可输出约1200W左右的PV功,通过改变输入电压和活塞的行程可以改变输出PV功的大小。 3.基于分析结果,独立自主地设计并加工制造了包括动磁式线性压缩机和高频脉管制冷机冷头的斯特林型两级脉管制冷机,搭建了试验装置,进行了实验研究。实验结果表明,压缩机输入电功率为500W时可以产生1.3~1.5的压比,共振频率为33-38Hz左右,最高效率在50~55%之间。 4.对压缩机绕组线圈、脉管制冷机热端换热器等进行了对比实验和改进,使制冷机的性能得以改善。对双向进气型和惯性管型调相机构进行了优化和对比实验,证明惯性管型调相机构有利于提高第一级的性能。此外还对输入电功率、充气压力、工作频率等参数对制冷机性能的影响进行了实验研究,得出一套可供实用的工艺参数。在此基础上,对斯特林型两级脉管制冷机整机进行了试验,结果表明,在充气压力为1.3MPa,工作频率为32Hz,输入电功率为400W时,第二级获得了14.21K的最低制冷温度。这是当时在国内采用两级高频脉管制冷机首次达到如此低的制冷温度,仅次于德国Giessen大学在此之前获得的12.96K。与Giessen大学采用两台商用压缩机驱动不同,本文采用了单台自主研发的线性压缩机。该制冷机的第二级在35K时可获得1W的制冷量,无论是无负荷状态还是负荷状态,都具有较好的稳定性。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB651

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