基于多孔光纤技术的脉管制冷微型化研究

脉管制冷机因在低温区域无运动部件,具有高稳定性、高可靠性和长寿命等优点。但是，对于空间尺寸有严格限制的场合，则必须实现其小型化乃至微型化，于是对系统结构提出了极大挑战。本项目计划开展基于多孔光纤技术的脉管制冷机微型化研究。拟探索以下关键理论问题：1）微米量级通道尺度下回热结构中的回热机理探索；2)多孔光纤内的传热与流动特性及其对微型脉管制冷机的适用性研究。拟建立多孔光纤通道内传热与流动的理论模型，进而开展相应实验研究。在此基础上，结合脉管制冷机微型化设计原则，建立一套基于多孔光纤的微型脉管制冷机系统，对多孔光纤对于脉管制冷机的适用性进行实验验证。

基于多孔光纤能作为流体流动通道的特征，结合脉管制冷机回热器部件微型化中尚存的问题，提出了基于多孔光纤技术的微型脉管制冷机的方案。本项目围绕该创新设想，就其中存在的流动与换热等基础问题开展了相关研究，旨在探究光纤材料的热物性对微型回热部件的性能优化所起的影响情况，并通过实验研究多孔光纤流道内的流动特性，为脉管制冷机的微型化提供一种可供参考的思路。在系统初步设计的基础上，建立了多孔光纤作为回热器材料的基本模型，利用热声理论计算分析了回热器结构尺寸、平均工作压力、工作频率以及输入声功对制冷性能的影响情况。结果表明，基于多孔光纤的微型脉管制冷机回热器能够达到相对较高的效率，验证了其理论上的可行性。同时，采用N-S方程对圆孔型多孔光纤通道中气体流动的流场进行了数值模拟。利用Albertoni模型和Sreekanth模型将一阶和二阶滑移边界条件引入计算中来，通过比较有、无速度滑移两类边界条件的模拟结果，获得了多孔光纤微通道流动中气体压力与速度的范围。在此基础上，结合光纤的结构特点，搭建了微通道流动特性测量系统，并测量了氮气和氦气在孔径为20微米和50微米的熔融石英管，以及5微米孔径的多孔光纤内的流动特性。在同时考虑可压缩性和稀薄性的情况下，对比研究了文献中三条关联式的适用性，并总结出了吻合度更高的实验关联式。将光纤作为回热器设计了微型热声振荡器，并利用光学工程中的微加工方法制作基于多孔光纤的微型热声振荡系统。另外，对多孔光纤作为微流动通道在热管、节流器件上的应用进行了一些概念设计，并对微加工工艺、实验系统设计和密封方案等进行了探索。