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相对于常用的蒸汽压缩节流制冷冰箱系统，采用逆向斯特林循环自由活塞斯特林制冷机的新型冰箱具有高效率、“绿色”制冷剂，制冷温区广、启动电流低、制冷量易控等特点，在环保及节能方面具有明显的优势。自由活塞斯特林制冷机采用了直线电机驱动、板弹簧支撑、间隙密封、气动驱动等先进技术，具有结构紧凑、重量轻、无油、运动部件少、可靠性高、低噪音、低振动、不易磨损、寿命长、制冷量方便可调等优点。因此在冰箱、医药、生物、科学实验等领域具有极大的发展优势。
本文首次对整体式自由活塞斯特林制冷机进行了详细的理论研究，并针对200K温度的低温冰箱研制了一台大冷量自由活塞斯特林制冷机，通过对该样机的实验研究，加深了对自由活塞型斯特林制冷机的理论认识，为迸一步的改进研究提供了思路。
本文主要做了以下几方面的工作：
1).研究了在不同制冷温区传热温差对整机性能的影响。通过无量纲化的Schmidt分析，详细研究了死容积比、容积比、温度比、位移相位角对整机热力性能的影响。为中高温区的斯特林制冷机热力参数设计提供了参考意见。
2).采用简谐振动的理论分析了压缩机和膨胀机的运动规律。探讨了膨胀机与压缩机之间位移相位差的影响因素，为设计气动斯特林制冷机提供了技术思路。首次在考虑蓄冷器压降的情况下，分析了排出器轴截面积对气动力的影响。表明了在合理的频率设计下，通过优化设计排出器轴径可以实现气动膨胀机的相位和行程。利用单自由度线性系统的受迫振动理论分析了排出器的幅频特性和相频特性，推导了膨胀机与压缩机位移相位差的表达式。
3).对蓄冷器的几何参数设计进行详细研究。从热效率的角度，分析蓄冷器热效率的影响因素，提出了蓄冷器热设计方法。从蓄冷器流阻的角度，分析了流阻对整机性能的影响，并以牛津型低温斯特林制冷机为例，实验研究了蓄冷器的阻力特性。从蓄冷器热效率、压降特性和死容积三个方面分析了蓄冷器对整机性能的影响。通过分析，提出了蓄冷器设计的思路。并根据分析，设计了用于200K
4).针对低温冰箱温度，设计了一台整体式自由活塞斯特林制冷机，该样机采用了动磁式直线电机驱动、板弹簧支撑、间隙密封等关键性技术。详述了环形蓄冷器、热端换热器及冷端换热器的设计方法和结构。
5).从设计思想、制冷系统、真空系统、温度与功率测量系统、位移与压力测量等几方面对自由活塞斯特林制冷机实验装置进行了详细描述。针对整体式自由活塞斯特林制冷机的结构特点，首次采用应变片间接测量压缩活塞和排出器的位移，并详细论述了应变片测量位移的原理、方法以及位移传感器的标定。介绍了实验数据误差的处理方法。
6).对研制的模型样机进行了详细的实验研究，加深了对自由活塞斯特林制冷机的理论认识，并验证了部分理论分析结果。详细研究了压缩机和膨胀机的频率特性。实验测试了充气压力和制冷温度对压缩机共振频率的影响；实验研究了膨胀机固有频率和运行频率对位移相位差的影响关系，表明运行频率比膨胀机固有频率越小，位移相位差越大。采用多点热负荷静态复温法测试了制冷机的静态冷损，分析了轴向导热与静态冷损的关系，证明了氦气和丝网导热对静态冷损影响极小。实验测试了两个不同丝网蓄冷器的流阻特性极其对整机制冷性能的影响，表明在低温下需要空隙率偏小，在高温区需要设计空隙率偏大。通过粘贴垫块，改变冷端死容积，实验分析了死容积对整机性能的影响，在200K温度以下，死容积越小制冷性能越好，但在240K以上的高温区制冷性能受死容积影响较小。通过改变冷头材料，实验测试了冷头表面温度的变化情况。比较了不同制冷量下的两种冷头表面温差，表明制冷量越大，冷头材料导热系数对二者表面温差的影响越大。该模型样机，在200K时最大制冷量可达36W(280W输入)，在150W输入时，可达22W@200K和50W@245K。