气动室温推移活塞脉管制冷机的机理研究

A pulse tube refrigerator has no moving part at low temperature. Its advantage is low vibration and high reliability. Its main application is for space and superconducting cooling. Due to technologies of double inlet and inertance tube, the refrigeration efficiency of the pulse tube refrigerator is increased largely. But the efficiency up meets a technology neck due to none recovery of the expansion work, which limits the application fields. In this project, a gas driven warm displacer is used to recover the expansion work, and a step displacer is used for further increasing the efficiency of a two-stage pulse tube refrigerator. Its advantage is that its theoretical efficiency is same as Carnot efficiency. This project studies the single stage and two-stage pulse tube refrigerator with gas driven warm displacer by experiment and numerical simulation including the following three topics: the displacer work recover and phase adjustment mechanism; the phase adjustment and work distribution relation of the step displacer; pressure ratio effect to the refrigeration efficiency and power density. This research will make a theoretical background for the future development of high efficiency pulse tube refrigerator.

脉管制冷机在低温下没有运动部件，具有低振动、高可靠性等优点，在空间、超导体冷却等方面具有重要应用。得益于双向进气与惯性管技术，脉管制冷机的制冷效率已经有大幅提高，但由于膨胀功无法回收，效率提高遇到瓶颈，不利于进一步的应用推广。本项目采用气动室温推移活塞用于脉管制冷机的膨胀功回收，并采用阶梯推移活塞技术进一步提高双级脉管制冷机效率，其优点是理论效率等于卡诺效率。本项目采用理论与实验相结合的方法对单机和双级气动室温推移活塞脉管制冷机进行研究。主要进行以下三个方面的研究：推移活塞的膨胀功回收与调相机理；阶梯推移活塞的调相与输入功在各级的分配耦合机理；压比对制冷效率和功率密度的影响机理。本项目将为下一代高效率脉管制冷机的发展打下理论基础。

脉管制冷机是一种没有低温下运动部件的低温制冷机，与斯特林制冷机相比，具有低振动，结构简单，可靠性高的优点，已经广泛应用于卫星上红外探测器的冷却。目前的脉管制冷机的调相方式主要是双向进气与惯性管，理论效率较低，应用于超导电缆冷却等方面时，无法满足需求。同时，制冷温度低于35K时的效率也无法满足一些空间项目的要求。因此需要一种理论效率能与斯特林制冷机相等的脉管制冷机。室温推移活塞脉管制冷机是目前理论上来说最好的一种。本项目针对该种脉管制冷机进行研究，主要研究了室温推移活塞的功回收与调相机理，双级脉管制冷机中调相与功分配的耦合机理，压比对效率与功率密度的影响，直线压缩机与冷头和推移活塞的匹配机理。已完成以上研究内容。除了实验验证了单级与双级室温推移活塞脉管制冷机外，还进行了脉管热发动机与脉管热泵的实验验证。实现了单级无负荷温度37.7K和比卡诺效率15.5%。基于这些研究成果，已发表期刊论文11篇，2篇已录用待发表，会议论文21篇，其中6篇SCI ，6篇EI ；申请专利38项，其中已授权9项，29项在公开与实审中；在本项目资助下已毕业硕士6人，目前在读硕士生5人，在读博士生2人也均参与本项目。项目组成员积极参加国内外学术会议与交流，邀请外国专家交流，资助学生国外短期留学访问等。在该项目中，以功回收思想为基础，发现了数种新型的功回收型脉管制冷机，这些重要的原创发明作为热机家族的新成员，解决了一些制冷机的未曾解决的问题。本项目为高效率脉管制冷机今后走向实际应用打下了坚实的理论基础。20K温区的制冷机将会解决一些空间任务的技术瓶颈，也有望应用于液氢领域，为燃料电池等领域氢能源的使用提供一个新的手段；高效率77K的脉管制冷机也有望在超导电缆冷却方面发挥重要作用。该项目取得的原创性的发明将为今后脉管制冷机的进一步发展做出铺垫。