【摘 要】
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脉冲管制冷机与常规的回热式制冷机不同,除了提供输入功的压缩机,其冷端没有可运动的部件。通常压缩机通过连管与冷指相连,这种远离压缩机的布置,大大减小了振动影响,使其在在各个领域中均有广泛应用。其中空间红外探测作为脉冲管制冷机最为广泛的应用平台,空间红外探测技术的发展无一不在推动低温技术的发展。一般来说,一个科学卫星通常会携带两个及以上的探测器,以覆盖更为广泛的探测波段。不同的探测波长所需的工作温度也
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脉冲管制冷机与常规的回热式制冷机不同,除了提供输入功的压缩机,其冷端没有可运动的部件。通常压缩机通过连管与冷指相连,这种远离压缩机的布置,大大减小了振动影响,使其在在各个领域中均有广泛应用。其中空间红外探测作为脉冲管制冷机最为广泛的应用平台,空间红外探测技术的发展无一不在推动低温技术的发展。一般来说,一个科学卫星通常会携带两个及以上的探测器,以覆盖更为广泛的探测波段。不同的探测波长所需的工作温度也大不相同,均需冷却至适宜的温度下,以确保探测工作的正常进行,从而获得高质量的成像,其常见的工作温区为40K-90K。同时,由于寄生漏热,卫星上的光学系统一般也需要通过低温冷却器冷却至120K-200K温区。由此可见,空间探测领域有着十分强烈的多温区同时制冷的需求,因此,脉管制冷机多温区制冷的研究是很有必要的。针对此需求,现有的解决方案包括多级结构和一拖二结构,但这两种方案的多级结构均削弱了结构紧凑的优势。本文以多温区同时制冷和结构紧凑为出发点,针对单级同轴型脉管制冷机多级取冷开展了从理论到模拟再到实验的系统化研究。具体的研究内容包括:1)基于热力学基础,给出了闭式和开式制冷系统下的热力学过程。结合焓流理论,对脉管制冷机内部能量流进行理想化分析。并且考虑到实际情况中存在的非理想因素,对内部部件损失进行分析,特别是主要损失部件,从而给出实际能量流分布情况。同时,还分析了中间取冷的加入对实际损失的影响关系。此外,基于热声学和相位特性,分析惯性管型脉管制冷机的调相分布情况。2)基于脉管制冷机的结构参数,借助数值模拟软件建立单级同轴型脉管制冷机多级取冷的数值模型。针对不同中间取冷量下,探究分析了脉管制冷机内部主要部件损失、焓流、熵流、相位分布、压缩机阻抗等参数的变化情况。模拟结果表明,PV功大部分在回热器中耗散,其损失占比是冷指中最大的,其次为惯性管和脉管中间取冷量的增加会使回热器损失、惯性管损失微微升高,而脉管损失几乎不受影响。在此基础上还详细讨论了中间取冷量对三个部件内各类别损失的影响关系,包括流阻损失、非理想换热损失和径向损失。还对回热器焓流、脉管焓流随中间取冷的变化趋势进行了分析,回热器冷端焓流和脉管焓流均随着中间冷量的增加而增加,回热器冷端焓流增长的幅度大于脉管中的,这会导致冷端制冷量减小。熵流分布在不同中间取冷量下变化最为明显是冷端处,其熵产随着中间冷量的增加而减小。各位置处质量流与压力波间的相位差也进行了详细分析,随着中间冷量的增加会出现轻微滞后或提前的现象。此外,通过分析压缩机阻抗实部和虚部与中间冷量的变化关系,指出了中间取冷量的增加会微微降低压缩机的效率,但整体波动较小,整个模拟过程验证了中间取冷的可行性。3)对单级同轴型脉管制冷机多级取冷开展了相关的实验研究,实验研究主要内容包括单级制冷机基本性能测试,冷端和中间冷量对温度、功率因数的影响,以及不同输入功下对多级取冷的影响关系。实验中所呈现的中间冷量对脉管制冷机的影响关系与数值模拟结果趋势具有一致性,这也证明模拟和理论分析的准确性,对于存在的数值上误差也给出了相关的原因。在工况为3.2MPa的充气压力,49Hz的工作频率,293K的热端温度下,当输入功为150W时,可以同时实现70.7K@4W和237.7K@4W两个温区的制冷功率。由此可证明单级脉管制冷机多级取冷的方案是可行性的,在满足双温区同时制冷的要求下,其结构也是现存双级脉管制冷机中较为紧凑的。
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