微型化超高频脉冲管制冷机的机理研究

结合脉冲管制冷机发展的前沿方向和国内现阶段对微型低温制冷机的迫切需求，开展100Hz超高频脉冲管制冷机微型化的理论与实验研究。一方面通过理论分析和数值模拟的方法，深入研究超高频和微型化情况下脉冲管制冷机内部气体的工作流程和物理机制，重点针对超高频条件下换热时间短、微型化导致脉冲管直径小、换热面积不足等关键问题，探索在现有50Hz高频脉冲管制冷机基础上向超高频、微型化发展的改进途径，丰富和发展脉冲管制冷机的基本理论；另一方面在理论研究的基础上，研制超高频微型脉冲管制冷机的原理样机，利用理论结果指导制冷机的蓄冷器、脉冲管、换热器及调相机构等关键部件的优化设计，解决因超高频和微型化带来的制冷性能恶化的主要问题，掌握制作更小尺寸脉冲管制冷机的设计能力，同时利用实验结果验证本项目对超高频微型脉冲管制冷机内部气体工作过程及流动、换热等物理机制方面所获得的认识。

针对超高频条件下脉冲管制冷机内部气体的交变流动特性展开理论与试验研究，针对脉冲管内气体在100Hz超高频条件下的交变流动特性，采用美国NIST开发的REGEN3.3软件开展蓄冷器丝网、尺寸的模拟计算，利用LosAlamos实验室开发的DeltaE软件对长颈管的相位调节和流量控制进行数值模拟，得到适合100Hz条件下工作的制冷机关键部件的最优结构。.在优化设计的基础上，研制直线型的超高频脉冲管冷指原理样机，如图3所示，其回热器外径为7.8mm，总长度为150mm，重量380g。该原理样机无双向进气， 80W输入功率下可获得1.2W@80K的制冷性能。.根据直线型样机的结构参数转换为同等尺度的同轴型脉冲管冷指，在对同轴结构冷端流场转捩进行模拟优化的基础上，研制出冷指外径9mm，长度42mm的同轴型超高频冷指样机，为不锈钢和紫铜材料的全焊接结构，不包含惯性管气库的重量为250g。在双向进气的优化条件下，其制冷性能为：80W输入功率下最低温度可达46K，能够提供2.1W@80K的制冷量。该同轴型冷指与美国NGST公司的100Hz超高频微型冷指的参数对比发现，在制冷效率方面本项目同轴冷指接近美国水平，而在微型化方面本项目研制的超高频同轴冷指优于美国的同轴冷指。.在超高频冷指达到世界先进水平的研究基础上，超出本项目研究计划，对压缩机的高频特性展开理论分析与实验研究。目前国内尚无小型化的高频压缩机，本研究在理论分析的指导下，利用已有的高频脉冲管冷指，首先通过调相机构的改进，使得现有的50Hz压缩机与冷指耦合后的最佳工作频率提高到80-100Hz；然后在高频条件下改变压缩机的磁场强度、线圈绕组、活塞面积、弹簧刚度以及充气压力等结构和条件，通过实验研究摸清压缩机的高频工作特性，将超高频冷指的制冷效率进一步提高，并为高频压缩机的优化设计打下坚实的研究基础。