斯特林型兩級(jí)脈管制冷機(jī)理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、斯特林型脈管制冷機(jī)又稱為高頻脈管制冷機(jī)，由線性壓縮機(jī)和脈管制冷機(jī)冷頭組成，與其它類型的小型低溫制冷機(jī)相比，具有振動(dòng)小，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被推向?qū)嶋H應(yīng)用。由于單級(jí)斯特林型脈管制冷機(jī)的制冷溫度通常在60-80K左右，無(wú)法滿足高溫超導(dǎo)設(shè)備、液氫儲(chǔ)存、紅外探測(cè)器等對(duì)更低制冷溫度的要求，因而研制兩級(jí)結(jié)構(gòu)的脈管制冷機(jī)顯得十分必要。線性壓縮機(jī)技術(shù)和高頻脈管制冷機(jī)冷頭技術(shù)是斯特林型兩級(jí)脈管制冷機(jī)的主要技術(shù)難點(diǎn)。本文針對(duì)包括線性壓縮機(jī)和

2、高頻脈管制冷機(jī)冷頭的斯特林型兩級(jí)脈管制冷機(jī)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的研究。主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴對(duì)兩級(jí)高頻脈管制冷機(jī)冷頭進(jìn)行了理論分析研究。首先對(duì)多種冷頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，設(shè)定研究對(duì)象為U型的熱耦合型兩級(jí)脈管制冷機(jī)，調(diào)相機(jī)構(gòu)為雙向進(jìn)氣型和慣性管型。通過(guò)對(duì)回?zé)崞鬟M(jìn)行全面的數(shù)值計(jì)算和特性分析，對(duì)第一級(jí)和第二級(jí)回?zé)崞鞯某叽鐓?shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定脈管冷頭的整體尺寸和運(yùn)行參數(shù)，并確定了對(duì)壓縮機(jī)輸出參數(shù)的要求。然后，研究了回?zé)崽盍?、冷端相位差、平均?/p>

3、力、工作頻率等參數(shù)對(duì)制冷機(jī)的第一級(jí)和第二級(jí)性能的影響關(guān)系。應(yīng)用電路分析模型對(duì)慣性管型調(diào)相機(jī)構(gòu)的機(jī)理進(jìn)行了研究，并得出了慣性管的優(yōu)化選型方法。
　　 ⑵從理論上對(duì)線性壓縮機(jī)進(jìn)行了分析研究，提出了較完整的設(shè)計(jì)方法。對(duì)線性壓縮機(jī)的主要部件動(dòng)磁式直線電機(jī)進(jìn)行了分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了直線電機(jī)的主要尺寸和運(yùn)行參數(shù)。分析了壓縮機(jī)的諧振系統(tǒng)，探討了板彈簧的設(shè)計(jì)方法。從脈管制冷機(jī)的所需PV功和熱端排氣容積出發(fā)，討論了壓縮機(jī)與脈管制冷機(jī)冷頭的匹配問(wèn)

4、題。設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)具有60cm3的排氣容積和39mm的活塞直徑，最大可輸出約1200W左右的PV功，通過(guò)改變輸入電壓和活塞的行程可以改變輸出PV功的大小。
　　 ⑶基于分析結(jié)果，獨(dú)立自主地設(shè)計(jì)并加工制造了包括動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)和高頻脈管制冷機(jī)冷頭的斯特林型兩級(jí)脈管制冷機(jī)，搭建了試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓縮機(jī)輸入電功率為500W時(shí)可以產(chǎn)生1.3～1.5的壓比，共振頻率為33～38Hz左右，最高效率在50～55％之間。<

5、br>　　 ⑷對(duì)壓縮機(jī)繞組線圈、脈管制冷機(jī)熱端換熱器等進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，使制冷機(jī)的性能得以改善。對(duì)雙向進(jìn)氣型和慣性管型調(diào)相機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化和對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明慣性管型調(diào)相機(jī)構(gòu)有利于提高第一級(jí)的性能。此外還對(duì)輸入電功率、充氣壓力、工作頻率等參數(shù)對(duì)制冷機(jī)性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出一套可供實(shí)用的工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)斯特林型兩級(jí)脈管制冷機(jī)整機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，在充氣壓力為1.3MPa，工作頻率為32Hz，輸入電功率為400W時(shí)，第二