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大功率斯特林型脉管制冷机的设计研究

巢伟  
【摘要】:高温超导HTS (High Temperature Superconducting)和液化技术的发展对低温制冷机的制冷量、初投资、可靠性等提出了更高的要求。脉管制冷机在低温下没有运动部件,具有结构简单、可靠性高、长寿命等优点,由线性压缩机驱动的大冷量斯特林型脉管制冷机在30-80 K温区若能提供与G-M型制冷机相当甚至更大的制冷量和更高的制冷效率,可望成为上述应用的理想选择。因此,近年来大功率脉管制冷机逐渐成为低温制冷领域的研究热点。建造大功率斯特林型脉管制冷机面临着前所未有的理论和技术挑战,主要包括大功率、大几何尺寸高频回热器的损失机理、大功率紧凑式换热器设计等关键科学问题。本文的主要工作内容包括: 1、基于回热器数值计算软件REGEN3.3,本文对大功率脉管制冷机的核心部件回热器进行了模拟计算。系统分析了回热器几何尺寸、回热器填料和冷端压比等对制冷机性能的影响。 2、本文首次引入“功效系数法”,实现了脉管制冷机制冷系数COP和制冷量Q。的双目标优化。该方法也可实现低温制冷机制冷系数、制冷量、整机质量、体积、寿命等的多目标优化,初步解决了传统低温制冷机设计方法仅能实现单目标优化的难题。 3、在1和2的基础上,本文完成了国内首台线性压缩机驱动的大功率斯特林型脉管制冷机的整机设计,设计目标为300 W@77 K,输入PV功为3.47 kW,并已完成制冷机的组装和实验准备工作,即将进入测试阶段。 4、针对大功率线性压缩机尚未国产化、价格昂贵等问题,本文提出了将相对成熟的菲利普斯斯特林制冷机改造成曲柄连杆压缩机驱动的大功率斯特林型脉管制冷机的方案,并就此进行了初步理论计算和实验研究。


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