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《中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)》 2017年
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脉管制冷机活塞型调相机构理论分析与实验研究

周志坡  
【摘要】:高频脉管制冷机采用线性压缩机驱动,相对于斯特林制冷机、GM制冷机等,脉管制冷机因低温下无运动部件,具有寿命长、可靠性高、振动小等优点,使其备受关注,目前脉管制冷机中以惯性管型脉管制冷机在红外探测中的应用最为广泛。近年来我国空间技术迅猛发展,高效的脉管制冷机是急切需要的。脉管制冷机通过调相机构获得所需的质量流与压力波之间的相位关系,较优的相位关系将减小回热器损失,显著提高制冷机效率,对于高频脉管制冷机,开展调相机构的研究是提高脉管制冷机整机效率的关键。本文开展了对于脉管制冷机主动调相机构的研究,在此基础上设计气动室温自由活塞作为调相机构。为此,本文开展了以下三方面的研究工作:1.对高频脉管制冷机相位特性进行了理论分析。基于焓流调相理论分析了脉冲管制冷机内部能量流的分布,给出了理想制冷量的表达式。基于质量守恒定律、能量守恒定律阐述了高频脉管制冷机相位特性理论研究方法。分析了目前常用的调相机构小孔型、双向进气型及惯性管型脉管制冷机整机理论相位关系,比较了三者差异。2.对主动调相型活塞进行了数值模拟和实验研究。采用线性压缩机作为脉管制冷机主动调相控制器(active phase control,APC),连接于冷指热端出口,通过控制调相压缩机与驱动压缩机(pressure wave generator,PWG)间的位移相位角实现主动调相,从而调节质量流和压力波之间的相位关系,优化制冷性能。利用模拟软件进行数值模拟并进行实验研究。研究结果表明,定输入功下PWG与APC位移相位角为110°及PWG扫气容积/APC扫气容积为2.98时,比卡诺效率最高。3设计气动自由室温活塞作为脉管制冷机的调相机构,并进行了实验研究。采用气动自由室温活塞取代惯性管及气库作为脉管制冷机调相机构,不仅可以减小调相机构体积,还可以提高其制冷性能。研究了动子质量、弹簧刚度、活塞截面积对制冷机性能的影响。设计并搭建气动自由室温活塞型脉管制冷机实验台,结果表明,输入功不变情况下,运行频率增大,压缩活塞和气动自由室温活塞位移相位角(位移相位角)增大,压缩活塞与气动自由室温活塞扫气容积之比(扫气容积比)增大;充气压力增加,位移相位角增大,扫气容积比减小。在127W输入电功下,脉管制冷机可在84K获得7W的制冷量,(比卡诺效率位14.25%),与惯性管型相比,比卡诺效率提高了30%。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB651

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前2条
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2 罗二仓,戴巍,吴张华,吴剑峰;交变流动热机的介观热力循环理论 第一部分 制冷机回热器的介观热力循环模型及分析[J];低温工程;2004年01期
【共引文献】
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 罗二仓,戴巍,吴张华,吴剑峰;交变流动热机的介观热力循环理论 第一部分 制冷机回热器的介观热力循环模型及分析[J];低温工程;2004年01期
【相似文献】
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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10 李金寿;高频脉管制冷机的设计与实验研究[D];浙江大学;2007年
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