微型化超高頻脈沖管制冷機的機理研究

針對超高頻條件下脈沖管制冷機內(nèi)部氣體的交變流動特性展開理論與試驗研究，針對脈沖管內(nèi)氣體在100Hz超高頻條件下的交變流動特性，采用美國NIST開發(fā)的REGEN3.3軟件開展蓄冷器絲網(wǎng)、尺寸的模擬計算，利用LosAlamos實驗室開發(fā)的DeltaE軟件對長頸管的相位調(diào)節(jié)和流量控制進行數(shù)值模擬，得到適合100Hz條件下工作的制冷機關(guān)鍵部件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。 在優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，研制直線型的超高頻脈沖管冷指原理樣機，如圖3所示，其回?zé)崞魍鈴綖?.8mm，總長度為150mm，重量380g。該原理樣機無雙向進氣， 80W輸入功率下可獲得1.2W@80K的制冷性能。 根據(jù)直線型樣機的結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)換為同等尺度的同軸型脈沖管冷指，在對同軸結(jié)構(gòu)冷端流場轉(zhuǎn)捩進行模擬優(yōu)化的基礎(chǔ)上，研制出冷指外徑9mm，長度42mm的同軸型超高頻冷指樣機，為不銹鋼和紫銅材料的全焊接結(jié)構(gòu)，不包含慣性管氣庫的重量為250g。在雙向進氣的優(yōu)化條件下，其制冷性能為：80W輸入功率下最低溫度可達46K，能夠提供2.1W@80K的制冷量。該同軸型冷指與美國NGST公司的100Hz超高頻微型冷指的參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，在制冷效率方面本項目同軸冷指接近美國水平，而在微型化方面本項目研制的超高頻同軸冷指優(yōu)于美國的同軸冷指。 在超高頻冷指達到世界先進水平的研究基礎(chǔ)上，超出本項目研究計劃，對壓縮機的高頻特性展開理論分析與實驗研究。目前國內(nèi)尚無小型化的高頻壓縮機，本研究在理論分析的指導(dǎo)下，利用已有的高頻脈沖管冷指，首先通過調(diào)相機構(gòu)的改進，使得現(xiàn)有的50Hz壓縮機與冷指耦合后的最佳工作頻率提高到80-100Hz；然后在高頻條件下改變壓縮機的磁場強度、線圈繞組、活塞面積、彈簧剛度以及充氣壓力等結(jié)構(gòu)和條件，通過實驗研究摸清壓縮機的高頻工作特性，將超高頻冷指的制冷效率進一步提高，并為高頻壓縮機的優(yōu)化設(shè)計打下堅實的研究基礎(chǔ)。 2100433B

結(jié)合脈沖管制冷機發(fā)展的前沿方向和國內(nèi)現(xiàn)階段對微型低溫制冷機的迫切需求，開展100Hz超高頻脈沖管制冷機微型化的理論與實驗研究。一方面通過理論分析和數(shù)值模擬的方法，深入研究超高頻和微型化情況下脈沖管制冷機內(nèi)部氣體的工作流程和物理機制，重點針對超高頻條件下?lián)Q熱時間短、微型化導(dǎo)致脈沖管直徑小、換熱面積不足等關(guān)鍵問題，探索在現(xiàn)有50Hz高頻脈沖管制冷機基礎(chǔ)上向超高頻、微型化發(fā)展的改進途徑，豐富和發(fā)展脈沖管制冷機的基本理論；另一方面在理論研究的基礎(chǔ)上，研制超高頻微型脈沖管制冷機的原理樣機，利用理論結(jié)果指導(dǎo)制冷機的蓄冷器、脈沖管、換熱器及調(diào)相機構(gòu)等關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計，解決因超高頻和微型化帶來的制冷性能惡化的主要問題，掌握制作更小尺寸脈沖管制冷機的設(shè)計能力，同時利用實驗結(jié)果驗證本項目對超高頻微型脈沖管制冷機內(nèi)部氣體工作過程及流動、換熱等物理機制方面所獲得的認(rèn)識。

脈沖管制冷機作為一種穩(wěn)定可靠的低溫制冷機，在航天，軍事，醫(yī)療以及科研等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。脈沖管制冷機依靠內(nèi)部高壓制冷工質(zhì)（通常為氦氣）的往復(fù)運動來獲得制冷效應(yīng)。而脈沖管制冷機中的直流效應(yīng)是指對應(yīng)于其交變主流的一小部分直流分量。此前，脈沖管系統(tǒng)中已證實的直流現(xiàn)象有Gedeon直流和Reyleigh直流兩種。分析和研究發(fā)現(xiàn)微小的直流分量對制冷機的性能有著巨大的影響。因此直流現(xiàn)象的研究和控制對提升脈沖管制冷機的性能具有重要意義，進而也受到越來越多研究工作者的關(guān)注和重視。 本項目所研究的脈沖管制冷機第三種直流現(xiàn)象是基于課題組多年的脈沖管制冷機研究經(jīng)驗，根據(jù)實驗現(xiàn)象總結(jié)和提出的一種新直流現(xiàn)象。在國家自然基金的資助下，本課題對脈沖管制冷機中的第三種直流現(xiàn)象進行了全面的分析和研究。首先，從理論上定性分析了這種新的直流現(xiàn)象與Gedeon直流和Reyleigh直流在形成機理上的不同，指出脈沖管制冷機內(nèi)部不同部件處的流道變化所帶來的結(jié)構(gòu)非對稱性是造成第三直流的主要因素。隨后借助計算流體力學(xué)手段，采用二維數(shù)值模擬建立了脈沖管制冷機系統(tǒng)的整機模型并針對脈沖管制冷機內(nèi)變截面處的流動特性進行了模擬和分析。數(shù)值計算的結(jié)果直觀的展示了制冷機內(nèi)部突變截面對制冷工質(zhì)流動的影響以及這種結(jié)構(gòu)非對稱性所造成的能量耗散。據(jù)此我們認(rèn)為，不同于由于系統(tǒng)內(nèi)存中回路引起的Gedeon直流和由于制冷工質(zhì)的熱力學(xué)非對稱性引起的Reyleigh直流，本項目研究的的第三種直流是由于系統(tǒng)內(nèi)部大量的結(jié)構(gòu)非對稱性引起的一種直流現(xiàn)象。制冷工質(zhì)在制冷機系統(tǒng)內(nèi)流動過程中，為其提供驅(qū)動力的是流道兩端的壓差，而在系統(tǒng)內(nèi)部無回路的情況下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非對稱性對流動的作用結(jié)果會反應(yīng)在對系統(tǒng)內(nèi)部壓力的分布的影響上，并且這種影響的累積效應(yīng)最終表現(xiàn)為壓縮機和氣庫的壓力分布差異。由此我們提出以一種連接壓縮機背壓腔和氣庫，通過調(diào)節(jié)和優(yōu)化脈沖管制冷機內(nèi)部的壓力分布來抑制第三直流，提升制冷機性能的方法。該方案在不同結(jié)構(gòu)的制冷機系統(tǒng)上的實驗研究表明，對于制冷機運行時氣庫壓力低于壓縮機背腔壓力的系統(tǒng)，該方法均能是制冷溫度獲得不同程度的降低。因此，該方法針對特定的脈沖管制冷機系統(tǒng)具有實際應(yīng)用價值。

直流是脈沖管制冷機中重要的機理性問題。它主要考慮在以工質(zhì)交變流動為主要特征的脈沖管制冷機中的熱力學(xué)、流動、換熱問題，并力爭將其普遍規(guī)律拓展到斯特林、熱聲制冷等制冷與低溫關(guān)鍵技術(shù)中，降低制冷溫度和提高制冷效率。本項目將更多從熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體網(wǎng)絡(luò)等已有理論出發(fā)考慮，通過我們的研究豐富非平衡熱力學(xué)、交變流動的內(nèi)容。由于脈沖管制冷機的第三種直流效應(yīng)是本項目申請者最新提出和驗證的重要發(fā)現(xiàn)，本項目要解決的關(guān)鍵是脈沖管制冷機第三種直流的形成機理和抑制方法。這是對目前已有脈沖管理論的重要發(fā)展和技術(shù)的較大挑戰(zhàn)，牽涉到整機的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。在理論分析和系統(tǒng)模擬基礎(chǔ)上，采用動態(tài)實驗系統(tǒng)測試各個關(guān)鍵和難點問題，進而研究第三種直流在蓄冷器、脈沖管、調(diào)相元件等中的形成機理，并探索有效而普遍適用的抑制方法。