斯特林型脉管制冷机的理论和实验研究

论文摘要

斯特林型脉管制冷机无低温下运动部件，且结构简单紧凑，可靠性好，制冷效率高，已成为当前低温制冷机的研究热点。由热声发动机驱动的脉管制冷机系统，实现了从室温到低温完全无机械运动部件，在低温和普冷领域具有广阔的应用前景。本文回顾了脉管制冷机和热声发动机的发展历史与研究现状，简要介绍了热声理论和脉管制冷理论。针对目前脉管制冷机设计理论不完善的问题，本文重点围绕脉管制冷机的设计方法和惯性管调相的理论模型进行了深入研究。主要内容包括以下几方面：1．脉管制冷机的设计结合回热器计算软件REGEN和焓流调相理论，提出了一套斯特林型脉管制冷机的设计方法。采用该方法对脉管制冷机进行了设计，制作了两台斯特林型脉管制冷机PT07和PT08。2．惯性管调相理论的定量探讨对惯性管调相机构的理论模型及计算方法进行了深入探讨，弥补了调相机构设计理论的不足。定量分析了PV功、压比、气库容积、工作频率和调相机构温度等参数对惯性管调相能力的影响。计算结果与实验结果吻合得很好。这表明该方法对斯特林型脉管制冷机中惯性管尺寸的选取具有重要指导意义。3．脉管制冷机的实验研究进行了线性压缩机和热声发动机驱动脉管制冷机的实验研究。以氦气为工质，用线性压缩机驱动PT07和PT08分别获得了77K和76.3K的无负荷制冷温度；用热声发动机驱动PT08获得了73.4K的无负荷制冷温度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 脉管制冷机的发展历程
• 1.2.1 基本型脉管制冷机
• 1.2.2 小孔气库型脉管制冷机
• 1.2.3 双向进气型脉管制冷机
• 1.2.4 惯性管型脉管制冷机
• 1.2.5 其他调相结构的脉管制冷机
• 1.2.6 脉管制冷机的结构分类
• 1.3 热声发动机的实验研究进展
• 1.3.1 驻波型热声发动机
• 1.3.2 行波型热声发动机
• 1.4 热声驱动脉管制冷机的研究进展
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 理论基础
• 2.1 热声理论概述
• 2.1.1 早期工作
• 2.1.2 线性热声理论
• 2.1.3 非线性热声理论
• 2.2 脉管制冷理论
• 2.2.1 表面泵热原理
• 2.2.2 焓流调相理论
• 2.2.3 向量分析法
• 2.2.4 热力学非对称理论
• 2.2.5 数值模拟
• 2.3 数值模拟基础
• 2.3.1 回热器数值模拟
• 2.3.2 惯性管计算的理论基础
• 2.4 本章小结
• 第三章 脉管制冷机的数值计算和设计
• 3.1 设计参数
• 3.2 设计计算及结构设计
• 3.2.1 设计方法和目标
• 3.2.2 回热器尺寸设计
• 3.2.3 脉管尺寸设计
• 3.2.4 其它部件设计
• 3.3 脉管制冷机的性能预测
• 3.4 惯性管调相机构的优化设计
• 3.4.1 几种调相方式的比较
• 3.4.2 惯性管优化理论
• 3.4.3 惯性管的优化设计计算
• 3.4.4 本设计中惯性管的选取
• 3.5 本章小结
• 第四章 脉管制冷机的实验研究
• 4.1 实验装置介绍
• 4.1.1 线性压缩机系统
• 4.1.2 热声发动机系统
• 4.1.3 脉管制冷机系统
• 4.1.4 测量系统
• 4.1.5 真空系统
• 4.2 线性压缩机驱动脉管的实验研究
• 4.2.1 PT08脉管制冷机的实验
• 4.2.2 PT07脉管制冷机的实验
• 4.3 热声发动机驱动脉管的实验研究
• 4.4 惯性管调相方式的实验研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的科研成果
• 致谢