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低温惯性管调相的35K两级高频脉管制冷机研究

范炳燕  
【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35K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23.7 K的最低无负荷制冷温度,在35 K可获得0.57 W的制冷量,较好的验证了理论计算结果。


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