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小型脉冲管低温制冷机相位分析与性能优化

作　者: 王仕越
导　师: 巨永林
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力工程
关键词: 斯特林型脉冲管制冷机惯性管调相性能优化动磁式直线型压缩机电磁场有限元模拟
分类号: TB651
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

回热式制冷机由于其效率高、结构紧凑、降温快速等特点,适用于较小冷量的低温需求,如超导磁体冷却、医疗、空间红外观测等领域。由于低温端无运动部件,脉冲管制冷机具有机械振动小、可靠性高、寿命长、电磁干扰小等特点,更加适用于空间对地观测的冷却需求。近年来,斯特林型高频脉冲管制冷机发展迅速,尤其针对液氮温区大冷量脉冲管制冷机提出了较高要求。本文针对高频斯特林型大冷量脉冲管制冷机进行了一定的理论与模拟分析,并在此基础上研制出一台采用纯惯性管调相的微型同轴脉冲管制冷机,以此为平台进行了脉冲管制冷机的气体交变流动相位研究工作,并在此基础上针对大冷量脉冲管设计开发了新型动磁式直线型压缩机。本文具体研究内容包括如下几个部分:(1)计算并模拟分析了大冷量短粗型同轴脉冲管制冷机的相位分布及其他热力学性能、基于参考资料及初步设计,预测了系统的位移波与压力波相位变化情况,并据此计算了理论制冷量与各项损失。(2)设计、加工并装配完成了脉冲管制冷机性能及惯性管压力相位测试平台,基于大冷量斯特林型脉冲管制冷机的优化设计,分别在制冷机温度分布、压力相位角分布、制冷机整体性能等方面进行了综合测试。针对实验要求,采用高精度、智能化的测量系统,充分保证了实验数据的真实性和有效性。(3)针对相位调整及性能优化的实验测试结果进行了对比分析,总结了不同惯性管搭配的调相效果并根据调相机理进行了解释。实验发现,使用小管径较短长度惯性管在本实验中具有较大优势,阻抗与调相能力达到很好的平衡。通过各种优化方式,在一台小型单级斯特林型同轴脉冲管制冷机上获取79K的最低温度,在95K时提供1.4W的冷量,输入功率为60.4 W,比卡诺效率为7%(4)针对实验中动圈式直线型压缩机存在的问题,提出了设计开发高效动磁式直线型压缩机的方案,基于直线压缩机经典设计理论和电磁场有限元模拟,结合国内外最新进展进行了若干独创性设计,模拟计算结果表明,本设计方法优于国内外已有的动磁式直线压缩机设计。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
符号表  7-11
第一章绪论  11-26
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 脉冲管制冷机的发展历史  12-14
    1.2.1 基本型脉冲管  12
    1.2.2 小孔型脉冲管  12-13
    1.2.3 双向进气型脉冲管  13
    1.2.4 其它调相型脉冲管制冷机  13-14
  1.3 脉冲管制冷机的理论分析发展  14-19
    1.3.1 表面泵热理论  14-15
    1.3.2 Redebaugh 的焓流相位分析理论  15
    1.3.3 向量分析法  15-16
    1.3.4 热力学分析法  16
    1.3.5 热声理论  16
    1.3.6 网络分析法  16-17
    1.3.7 有关双向进气DC-Flow 的理论分析  17
    1.3.8 数值模拟技术在脉冲管制冷机中的发展  17-19
  1.4 脉冲管制冷机的发展现状  19-20
    1.4.1 国外发展现状  19
    1.4.2 国内发展现状  19-20
  1.5 动磁式直线压缩机设计  20-24
    1.5.1 直线压缩机技术介绍  20-21
    1.5.2 动磁式式直线压缩机机技术难点及及研究现状  21-24
  1.6 本文的主要工作  24-25
  1.7 本章小结  25-26
第二章惯性管调相脉冲管制冷机的热力学分析  26-32
  2.1 斯特林制冷机的原理简述  26-27
  2.2 焓流相位理论  27-28
  2.3 惯性管调相的原理  28-29
  2.4 对于双向进气DC-Flow 的分析  29-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章同轴型脉冲管制冷机回热及调相性能模拟  32-43
  3.1 脉冲管制冷机回热模拟  32-37
    3.1.1 REGEN3.2 简介  32-33
    3.1.2 REGEN3.2 计算模型  33
    3.1.3 REGEN3.2 计算条件  33-34
    3.1.4 计算过程及结果  34-37
  3.2 同轴型脉冲管整体及相位机构模拟  37-42
    3.2.1 SAGE5 简介  37-38
    3.2.2 SAGE5 建模及参数设置  38-39
    3.2.3 计算及改进结果  39-42
  3.3 本章小结  42-43
第四章脉冲管相位及性能实验装置介绍  43-49
  4.1 前言  43-44
  4.2 制冷系统  44-46
    4.2.1 直线压缩机  44-45
    4.2.2 脉冲管冷指  45-46
    4.2.3 制冷工质  46
  4.3 测量系统  46-47
    4.3.1 压力传感器  46
    4.3.2 铂电阻温度计  46
    4.3.3 加热片  46
    4.3.4 直流稳压电源  46-47
    4.3.5 示波器  47
    4.3.6 数据采集仪  47
  4.4 真空绝热系统  47-48
    4.4.1 真空系统  47-48
    4.4.2 绝热系统  48
  4.5 本章小结  48-49
第五章脉冲管制冷机实验研究  49-57
  5.1 制冷机不同调相机构下的制冷性能测试  49-52
  5.2 调相机构对制冷性能的影响分析  52-54
  5.3 压缩机性能实验及分析  54-56
  5.4 本章小结  56-57
第六章大扫气容积动磁式直线压缩机设计  57-68
  6.1 大扫气容积直线压缩机与脉冲管制冷机匹配分析  57-58
  6.2 动磁式直线压缩机理论分析  58-63
    6.2.1 动磁式直线电机机理及效率分析  58-60
    6.2.2 压缩机电机主要参数计算  60-61
    6.2.3 压缩机电机的材料选取  61-63
  6.3 直线电机的有限元分析和优化  63-67
  6.4 本章小结  67-68
第七章总结以及展望  68-70
  7.1 全文总结  68
  7.2 进一步的工作  68-70
参考文献  70-78
附录 SAGE5 整机模拟优化参数表  78-83
作者在攻读硕士期间发表的学术论文  83-84
致谢  84-86

小型脉冲管低温制冷机相位分析与性能优化

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