微型化超高頻脈沖管制冷機(jī)的機(jī)理研究項(xiàng)目摘要

結(jié)合脈沖管制冷機(jī)發(fā)展的前沿方向和國內(nèi)現(xiàn)階段對(duì)微型低溫制冷機(jī)的迫切需求，開展100Hz超高頻脈沖管制冷機(jī)微型化的理論與實(shí)驗(yàn)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(jī)內(nèi)部氣體的工作流程和物理機(jī)制，重點(diǎn)針對(duì)超高頻條件下?lián)Q熱時(shí)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(jī)基礎(chǔ)上向超高頻、微型化發(fā)展的改進(jìn)途徑，豐富和發(fā)展脈沖管制冷機(jī)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(jī)的原理樣機(jī)，利用理論結(jié)果指導(dǎo)制冷機(jī)的蓄冷器、脈沖管、換熱器及調(diào)相機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jī)的設(shè)計(jì)能力，同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本項(xiàng)目對(duì)超高頻微型脈沖管制冷機(jī)內(nèi)部氣體工作過程及流動(dòng)、換熱等物理機(jī)制方面所獲得的認(rèn)識(shí)。

針對(duì)超高頻條件下脈沖管制冷機(jī)內(nèi)部氣體的交變流動(dòng)特性展開理論與試驗(yàn)研究，針對(duì)脈沖管內(nèi)氣體在100Hz超高頻條件下的交變流動(dòng)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(jì)算，利用LosAlamos實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的DeltaE軟件對(duì)長頸管的相位調(diào)節(jié)和流量控制進(jìn)行數(shù)值模擬，得到適合100Hz條件下工作的制冷機(jī)關(guān)鍵部件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。 在優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研制直線型的超高頻脈沖管冷指原理樣機(jī)，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(jī)無雙向進(jìn)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(jī)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(duì)同軸結(jié)構(gòu)冷端流場轉(zhuǎn)捩進(jìn)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(jī)，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(jìn)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(dá)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(duì)比發(fā)現(xiàn)，在制冷效率方面本項(xiàng)目同軸冷指接近美國水平，而在微型化方面本項(xiàng)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(dá)到世界先進(jìn)水平的研究基礎(chǔ)上，超出本項(xiàng)目研究計(jì)劃，對(duì)壓縮機(jī)的高頻特性展開理論分析與實(shí)驗(yàn)研究。目前國內(nèi)尚無小型化的高頻壓縮機(jī)，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(jī)構(gòu)的改進(jìn)，使得現(xiàn)有的50Hz壓縮機(jī)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(jī)的磁場強(qiáng)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(shí)驗(yàn)研究摸清壓縮機(jī)的高頻工作特性，將超高頻冷指的制冷效率進(jìn)一步提高，并為高頻壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。 2100433B

脈沖管制冷機(jī)作為一種穩(wěn)定可靠的低溫制冷機(jī)，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(jī)依靠內(nèi)部高壓制冷工質(zhì)（通常為氦氣）的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來獲得制冷效應(yīng)。而脈沖管制冷機(jī)中的直流效應(yīng)是指對(duì)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(shí)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(duì)制冷機(jī)的性能有著巨大的影響。因此直流現(xiàn)象的研究和控制對(duì)提升脈沖管制冷機(jī)的性能具有重要意義，進(jìn)而也受到越來越多研究工作者的關(guān)注和重視。 本項(xiàng)目所研究的脈沖管制冷機(jī)第三種直流現(xiàn)象是基于課題組多年的脈沖管制冷機(jī)研究經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(duì)脈沖管制冷機(jī)中的第三種直流現(xiàn)象進(jìn)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(jī)理上的不同，指出脈沖管制冷機(jī)內(nèi)部不同部件處的流道變化所帶來的結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性是造成第三直流的主要因素。隨后借助計(jì)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(jī)系統(tǒng)的整機(jī)模型并針對(duì)脈沖管制冷機(jī)內(nèi)變截面處的流動(dòng)特性進(jìn)行了模擬和分析。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果直觀的展示了制冷機(jī)內(nèi)部突變截面對(duì)制冷工質(zhì)流動(dòng)的影響以及這種結(jié)構(gòu)非對(duì)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(duì)稱性引起的Reyleigh直流，本項(xiàng)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(duì)稱性引起的一種直流現(xiàn)象。制冷工質(zhì)在制冷機(jī)系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)過程中，為其提供驅(qū)動(dòng)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(duì)稱性對(duì)流動(dòng)的作用結(jié)果會(huì)反應(yīng)在對(duì)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(jī)和氣庫的壓力分布差異。由此我們提出以一種連接壓縮機(jī)背壓腔和氣庫，通過調(diào)節(jié)和優(yōu)化脈沖管制冷機(jī)內(nèi)部的壓力分布來抑制第三直流，提升制冷機(jī)性能的方法。該方案在不同結(jié)構(gòu)的制冷機(jī)系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)氣庫壓力低于壓縮機(jī)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(duì)特定的脈沖管制冷機(jī)系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

直流是脈沖管制冷機(jī)中重要的機(jī)理性問題。它主要考慮在以工質(zhì)交變流動(dòng)為主要特征的脈沖管制冷機(jī)中的熱力學(xué)、流動(dòng)、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(xiàng)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(dòng)的內(nèi)容。由于脈沖管制冷機(jī)的第三種直流效應(yīng)是本項(xiàng)目申請(qǐng)者最新提出和驗(yàn)證的重要發(fā)現(xiàn)，本項(xiàng)目要解決的關(guān)鍵是脈沖管制冷機(jī)第三種直流的形成機(jī)理和抑制方法。這是對(duì)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(jī)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(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試各個(gè)關(guān)鍵和難點(diǎn)問題，進(jìn)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(jī)理，并探索有效而普遍適用的抑制方法。