完全无运动部件的液氦温区热声制冷技术工作机理及实验研究

This project proposes a new liquid-helium-temperature thermoacoustically-driven pulse tube cryocooler without mechanical moving parts, which possesses remarkable virtues of low vibration, high reliability, long life-time and maintenance free. This cooling technology shows promising prospects in the application fields of military, aerospace and energy. Traditional thermoacoustic engine uses pure gas as resonant working fluid, and its low acoustic inertance results in high frequency and low pressure ratio This makes it difficult to drive a pulse tube cryocooler to reach the liquid helium temperatures. Regarding to this problem, this project proposes a new gas-liquid coupled thermoacoustically-driven pulse tube cryocooler, which employs both gas and liquid as resonant working fluid. Combining advantages of high acoustic compliance from gas and high acoustic inertance from liquid, this new system is characterized by low frequency and high pressure ratio, which is helpful to reach the lower cooling temperatures. Taking theoretical and experimental methods, the project aims to reveal the working mechanism of the new system. The research contents include: (1) Working characteristics of the gas-liquid coupled thermoacoustic heat engine (2) Efficient coupling mechanism between thermoacoustic heat engine and pulse tube cryocooler (3) Measured characteristics of the overall thermoacoustically-driven cooling system. Through this project, it is expected to fill the data gap of thermoacoustic cooling technology in deep cryogenic temperatures, to master the working characteristics of the thermoacoustic cooling system in liquid helium temperature ranges, to promote the scientific development of the new no-moving-parts cryocooler, thus lay a solid foundation for the establishment of a new cryogenic technology with independent intellectual property rights in China.

本项目提出一种新型完全无运动部件的液氦温区热声驱动脉管制冷机，具有低振动、高可靠性和长寿命等优点，在国防、航天和能源等领域有重要的应用前景。传统热声发动机采用密度较小的气体作为谐振工质，其较低的惯性声感导致系统压比较低且频率较高，难以驱动脉管制冷机至液氦温区。针对此问题，本项目提出一种气液耦合型热声驱动脉管制冷机，通过引入部分液体工质形成气液耦合谐振，在强化压力振荡的同时降低工作频率，从而有利于获取更低制冷温度。项目拟结合理论和实验方法深入揭示其工作机理，研究内容包括：（1）气液耦合型热声发动机工作特性（2）热声发动机与脉管制冷机高效耦合机理(3)整机系统初步实验测量。通过本项目，有望填补热声制冷技术在深低温区的数据空白，掌握液氦温区热声制冷系统的工作特性，推动新型完全无运动部件低温制冷机的科学发展，从而为建立我国拥有自主知识产权的新型低温技术打下坚实基础。

随着我国科学技术的飞速发展，低温技术作为关键核心技术已经成为研究热点之一。液氦温区（4 K）是低温领域中非常重要的温度范围，诸多关键科学技术需要在此温区实现。然而，目前液氦温区小型低温制冷机均存在机械运动部件，系统高可靠性、低振动、长寿命难以得到保障。热声制冷技术为打破上述技术壁垒提供了很好的契机，它彻底消除了机械运动部件，在低振动、可靠性和长寿命等方面具有无可比拟的优越性。目前国际上热声制冷系统达到的最低制冷温度仅为18.1 K，如何进一步降低至液氦温区是面临的重要挑战之一。.. 本项目原创性地提出了一种新型气液耦合型热声制冷技术新方案，利用液体的高惯性声感替代部分气体谐振工质，能够有效提高压力振幅并降低工作频率，理论上首次突破了液氦温区。本项目进展顺利，按计划开展了以下研究工作：..（1）基于热声理论分析了气液耦合谐振子降低工作频率和强化声振荡的机理，重点探究了关键参数对热声发动机热功转换特性和起振特性的影响；.（2）建立了子单元数值模拟程序，研究了气-液耦合型热声发动机的热功转换特性，并阐明系统重要参数沿程分布和各部件能量损失分布，从而进一步实现了热声发动机与低温制冷机间阻抗、频率和功率的高效匹配；.（3）建立了最优结构下热声驱动制冷系统整机模型，探究了声驱动制冷系统热—声—冷的高效耦合机制，研究了整机系统工作特性，并将新型谐振器与传统谐振器进行了性能对比。.. 研究结果表明，新型气液耦合机构相对传统气体谐振机构制冷量提高了4.6倍，制冷效率提高了48%。采用气液耦合机构的热声制冷系统在理论上首次突破了液氦温度记录。项目研究成果已发表期刊论文12篇，其中国际SCI索引期刊7篇，国内外会议论文4篇，中文核心期刊1篇。另有2篇论文正在投稿国际期刊。已申请国家发明专利5项。项目负责人在项目执行期间获得多项国际权威奖项。