空間用液氦溫區(qū)高效復(fù)合型回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)理研究

液氦溫區(qū)低溫制冷技術(shù)在空間探測(cè)、國(guó)防軍事、低溫超導(dǎo)、能源、醫(yī)療等涉及國(guó)計(jì)民生等方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。大部分探測(cè)器在液氦溫區(qū)（或更低溫度）下工作可獲得高的敏感度和分辨率，而研制緊湊高效輕量長(zhǎng)壽命的液氦溫區(qū)低溫制冷技術(shù)成為空間探測(cè)的根本保障！相比攜帶液氦或超流氦的杜瓦方式和吸附壓縮驅(qū)動(dòng)方式，本項(xiàng)目提出的斯特林/脈管復(fù)合型回?zé)崾街评浼夹g(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高及長(zhǎng)壽命的潛在優(yōu)勢(shì)，在本項(xiàng)目的支持下以斯特林/脈管復(fù)合型回?zé)崾街评浼夹g(shù)為核心開展了如下的研究： 1. 液氦溫區(qū)回?zé)崾街评錂C(jī)理研究及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新 首次揭示了回?zé)崞髟谝汉貐^(qū)和高溫溫區(qū)溫度分布不同的內(nèi)在機(jī)理，指明了非理想氣體效應(yīng)引起的時(shí)均壓力焓流對(duì)回?zé)崞鳒囟确植嫉臎Q定性影響，為液氦溫區(qū)高效回?zé)崞鞯膬?yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)?；诶碚摲治鼋Y(jié)果，提出了一系列的可實(shí)現(xiàn)液氦溫區(qū)回?zé)崾街评涞男陆Y(jié)構(gòu)，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利并獲得授權(quán)。提出了一套包括回?zé)崞髟趦?nèi)的脈管制冷機(jī)整機(jī)高效建模分析方法, 30 K溫區(qū)脈管制冷機(jī)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果已成功證明該模型的準(zhǔn)確性。提出了帶聲功放大器的慣性管調(diào)相方式，獲得美國(guó)專利授權(quán)。 2. 斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)理理論及實(shí)驗(yàn)研究 從理論上研究了斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)的制冷機(jī)理和級(jí)間耦合匹配關(guān)系，首次提出了斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)的三種工作模式的判據(jù)(斯特林級(jí)制熱模式、斯特林級(jí)制冷但凈制冷量不足以及正常工作模式)。理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，脈管級(jí)的引入使得原斯特林級(jí)的壓力與排出器之間的相位和壓力波動(dòng)幅值均減小，從而導(dǎo)致斯特林級(jí)的制冷量減小或者不再制冷。基于該發(fā)現(xiàn)提出了一種斯特林/脈管制冷機(jī)的設(shè)計(jì)方法，后續(xù)將基于該設(shè)計(jì)方法完成液氦溫區(qū)高效復(fù)合型回?zé)崾街评錂C(jī)的研制。 3. 可逼近卡諾效率的脈管級(jí)聯(lián)制冷法研究 理論研究了慣性管(傳輸管)的相位調(diào)節(jié)特性，基于該研究提出了基于傳輸管的可逼近卡諾效率的聲功回收型級(jí)聯(lián)脈管制冷機(jī)新概念，該級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中每一級(jí)制冷機(jī)由回收自前一級(jí)制冷機(jī)脈管熱端的聲功來(lái)驅(qū)動(dòng)，通過熱力學(xué)分析表明，無(wú)窮級(jí)級(jí)聯(lián)制冷效率等于卡諾效率。這一結(jié)論在脈管本征制冷效率[Tc/Th]和卡諾效率[Tc/(Th-Tc)]之間搭建了一座橋梁。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓縮機(jī)輸入功為500 W時(shí)，兩級(jí)級(jí)聯(lián)較單級(jí)制冷效率提高約33.3%，三級(jí)級(jí)聯(lián)提高39.9%，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了脈管級(jí)聯(lián)制冷法對(duì)能量回收再利用的能力。 2100433B

空間80K溫區(qū)低溫技術(shù)的實(shí)踐證明，有運(yùn)動(dòng)部件的斯特林制冷技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命和低振動(dòng)，而無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的脈管制冷技術(shù)存在膨脹功無(wú)法回收的本征低效率，能否結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，避免兩者的缺點(diǎn)，組合成更為高效更低溫區(qū)的斯特林/脈管復(fù)合型液氦溫區(qū)低溫制冷技術(shù)？結(jié)合申請(qǐng)人近年來(lái)在高頻液氦溫區(qū)回?zé)崾街评浼夹g(shù)方面的研究基礎(chǔ)和對(duì)相關(guān)關(guān)鍵科學(xué)問題的深入認(rèn)識(shí)，以及國(guó)際上復(fù)合型回?zé)崾降蜏刂评浼夹g(shù)的最新研究成果，本項(xiàng)目擬以斯特林/脈管復(fù)合型回?zé)峤Y(jié)構(gòu)為載體，綜合傳熱學(xué)、有限時(shí)間熱力學(xué)和流體力學(xué)等相關(guān)理論，致力于解決液氦溫區(qū)回?zé)崞髟谟邢薇葻崛萦邢迺r(shí)間條件下（高頻）的高效換熱、交變流動(dòng)聲功和壓力的高效傳輸、小聲功條件下高效調(diào)相等關(guān)鍵問題，最終實(shí)現(xiàn)在液氦溫區(qū)下的高效高可靠長(zhǎng)壽命回?zé)崾街评浞椒?。本?xiàng)目的研究成果將為最終研制出滿足空間應(yīng)用特點(diǎn)的液氦溫區(qū)回?zé)崾降蜏刂评浼夹g(shù)奠定基礎(chǔ)，以滿足國(guó)家中長(zhǎng)期空間探測(cè)計(jì)劃的順利實(shí)施。

低溫制冷機(jī)的分類方法很多，例如可以按其用途、制冷工質(zhì)或機(jī)器結(jié)構(gòu)來(lái)分類；也可按其工作溫區(qū)，制冷量大小和換熱方式來(lái)分類。要是按制冷溫度分類，低溫制冷機(jī)指的是一種在低于120K的溫度下產(chǎn)生制冷量的機(jī)器或裝置。低溫制冷機(jī)的制冷量的大小，與其提供制冷量的溫度有很大的關(guān)系。例如，基于卡諾循環(huán)的理想制冷機(jī)，在120K提供1W制冷量，只需29W能量輸入；若在0.5K提供lW制冷量，則需20多倍即600W的能量。而且實(shí)際制冷機(jī)需求的能量，往往比理論值大幾十倍，甚至數(shù)百倍，因?yàn)橹评錂C(jī)在實(shí)際工作過程中，要克服多項(xiàng)不可逆損失，這些損失將由制冷機(jī)的理論制冷量來(lái)補(bǔ)償。因此，低溫制冷機(jī)實(shí)際輸出的可用制冷量，是其理論制冷量與實(shí)際工作過程中所有損失能量之和的差值。

自從20世紀(jì)50年代第一臺(tái)整體式斯特林制冷機(jī)問世以來(lái)，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的研究和發(fā)展，各種回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)相繼出現(xiàn) 。應(yīng)用于低溫電子器件、紅外探測(cè)器、超導(dǎo)器件和線圈的冷卻，在軍事(導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外前視、夜視、熱像儀等)和民用(超導(dǎo)磁共振成像、低溫冷凝真空泵及科學(xué)研究)都獲得了重要應(yīng)用。特別是自1985年以來(lái)，4K溫度級(jí)G-M制冷機(jī)和脈管制冷機(jī)的研制成功大大推動(dòng)了低溫技術(shù)的發(fā)展。本章簡(jiǎn)要介紹近年來(lái)小型回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的研究和發(fā)展概況，包括斯特林循環(huán)制冷機(jī)、吉福特-麥克馬洪循環(huán)制冷機(jī)、脈管制冷機(jī)和熱聲制冷技術(shù)。

低溫控制斯特林循環(huán)制冷機(jī)

在小型低溫制冷領(lǐng)域，斯特林循環(huán)制冷機(jī)是發(fā)展歷史最長(zhǎng)、研究水平最成熟的機(jī)種之一，在軍事及空間技術(shù)中獲得了重要的應(yīng)用。

1816年斯特林提出了一種由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)等容回?zé)徇^程組成的閉式熱力學(xué)循環(huán)，稱為斯特林循環(huán)。斯特林循環(huán)最初是作為熱機(jī)循環(huán)提出的，到19世紀(jì)60年代柯克把斯特林循環(huán)的逆循環(huán)用于制冷，后者稱為逆向斯特林循環(huán)，也稱斯特林制冷循環(huán)。

低溫控制吉福特-麥克馬洪循環(huán)制冷機(jī)

1956年，美國(guó)學(xué)者吉福特和麥克馬洪發(fā)明了一種利用放氣制冷原理并能連續(xù)工作的低溫制冷機(jī)，稱為吉福特-麥克馬洪循環(huán)制冷機(jī)，簡(jiǎn)稱G-M制冷機(jī)。它的前身是1873年由澳大利亞學(xué)者帕斯托提出的“無(wú)功膨脹”制冷機(jī)。即用一個(gè)不受力的“排出器”來(lái)代替承受膨脹功的活塞，因而有時(shí)也稱G-M制冷機(jī)為帕斯托制冷機(jī)。另一種同類型的制冷機(jī)是依據(jù)德國(guó)索爾文在1887年提出的有功膨脹機(jī)改進(jìn)而成。改進(jìn)型索爾文制冷機(jī)于1971年由朗斯沃茨提出，采用氣動(dòng)型排出器來(lái)代替原來(lái)的活塞。因此，改進(jìn)型索爾文制冷機(jī)與G-M制冷機(jī)已經(jīng)沒有實(shí)質(zhì)性區(qū)別。

低溫控制脈管制冷機(jī)

該方案的基本原理是利用高低壓氣體對(duì)脈管空腔的充放氣過程而獲得制冷效果的，其制冷過程如下：高壓氣體通過切換閥流經(jīng)回?zé)崞?、換熱器、導(dǎo)流器以層流形式進(jìn)入脈管，迅速推擠管內(nèi)氣體向封閉端移動(dòng)，同時(shí)使之壓縮，溫度升高，在脈管封閉端氣體的溫度達(dá)到最高值；布設(shè)在封閉端的水冷卻器將熱量帶走，管內(nèi)氣體因放熱，其溫度和壓力稍有降低；切換閥轉(zhuǎn)動(dòng)使系統(tǒng)內(nèi)氣體接通低壓氣源，脈管中的氣體又以層流形式漸次向氣源擴(kuò)張，氣體膨脹降壓而獲得低溫；切換閥再次切換，使系統(tǒng)與氣源高壓側(cè)連通，重復(fù)上述循環(huán)。這樣在脈管制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，脈管內(nèi)氣體軸向始終存在一個(gè)溫度梯度，入口端溫度低，封閉端溫度高。

低溫控制熱聲制冷技術(shù)

熱聲振蕩是將熱能在一定條件下轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷艿倪^程。根據(jù)熱聲振蕩原理可以研制成熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)或熱聲制冷機(jī)。由于熱聲機(jī)械沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命運(yùn)轉(zhuǎn)。熱聲機(jī)械可采用熱能(燃?xì)?、太?yáng)能等)驅(qū)動(dòng)，它的應(yīng)用將為合理利用低品位能源、提高系統(tǒng)的熱力效率開辟新的途徑。

在低溫溫區(qū)，由于負(fù)溫度系數(shù)使得電阻很高則焦耳熱也較大，而電阻本身的熱導(dǎo)較小，焦耳熱不易傳走，這樣由工作電流引起電阻本身升溫而影響了測(cè)溫精度，這稱為自熱效應(yīng)，鍺電阻在液氦溫區(qū)的自熱效應(yīng)約10mK·μW，所以其工作電流應(yīng)隨所測(cè)量的溫區(qū)而變化，在20K時(shí)可用100μA，在1K溫區(qū)時(shí)應(yīng)采用0.5μA。2100433B