本文選題：微型脈沖管制冷機 + 100��； 參考：《中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所)》2017年博士論文

【摘要】：近年來微型化制冷技術迅速發(fā)展,其中微型脈沖管制冷機有望取代微型斯特林制冷機和JT制冷機,為航空、航天及地面戰(zhàn)術等特殊應用場合的紅外光電系統(tǒng)提供快速有效及長壽命的冷卻。為了彌補國內在該領域內的研究不足,并為獨立自主地完成相關空間和國防任務提供堅實可靠的基礎,本文以理論模擬與實驗測試為基礎,對100 Hz以上微型脈沖管制冷機開展了系統(tǒng)的研究。主要研究內容及結論如下:(1)對微型動圈式線性壓縮機進行了系統(tǒng)的理論研究,在此基礎上研發(fā)出諧振頻率高達130 Hz的微型線性壓縮機,質量從8 kg降至1 kg。在整體縮放原理的基礎上,提出了壓縮機部分關鍵部件的微縮修正�；诒狙芯拷M研發(fā)的300 W中型壓縮機,運用修正縮放原理研制了一臺微型動圈式線性壓縮機,共振頻率從55 Hz提高至130 Hz,最大輸入電功可達63 W,質量從8 kg降至1 kg。之后將微型壓縮機與中型脈沖管冷指耦合,在130 Hz的運行頻率及60W的輸入電功下測試制冷性能與壓縮機特性。驗證了中型冷指的阻抗難以與微型壓縮機相匹配,因此必須重新設計微型脈沖管冷指。(2)建立了微型直線電機磁場結構的理論模型,并對其磁場分布進行了實驗驗證。建立了微型壓縮機直線電機磁場結構的三維理論模型,研究了氣隙寬度等關鍵尺寸參數(shù)對氣隙內磁通密度分布的影響,并進行了實驗驗證。實際磁通密度的分布趨勢與模擬結果基本一致,并對理論與實驗誤差進行了分析。本研究從另一角度驗證了修正縮放原理的合理性。(3)建立了100 Hz以上微型脈沖管制冷機的二維CFD理論模型。建立了100 Hz以上微型同軸式脈沖管制冷機的二維軸對稱CFD模型,分別采用熱平衡及非熱平衡模型預測了整機的制冷性能,模擬了兩種模型下的壓降損失、不完全換熱損失、氣體及固體導熱損失沿蓄冷器的軸向分布等變化規(guī)律,對各項熵產(chǎn)的變化原因均進行了詳細的分析。(4)系統(tǒng)研究了90~170 Hz的高頻下運行頻率對微型脈沖管制冷機的影響�；诿}沖管內部溫度場和流場的分析結果,討論了90~170 Hz高頻下運行頻率與脈沖管長度對脈沖管內傳熱傳質過程的影響。當冷指尺寸一定時整機存在最優(yōu)頻率;當頻率過低時會導致冷熱流體的強烈混合,嚴重惡化制冷性能;而當頻率過高時脈沖管中部會出現(xiàn)較大的徑向溫度梯度,在一定程度上降低了制冷性能,此時換用更短的脈沖管可以大幅改善傳熱傳質過程。(5)系統(tǒng)研究了混合絲網(wǎng)填充下蓄冷器的內部損失機制。為了驗證上述理論模型的合理性,基于本研究組的單級同軸式脈沖管制冷機建立二維CFD模型,討論了混合絲網(wǎng)填充下蓄冷器的內部損失機制,并進行了實驗驗證。隨著絲網(wǎng)目數(shù)的增加,熱端附近的壓降損失顯著提高,而冷端附近的不完全換熱損失迅速下降。因此在蓄冷器的冷熱兩端附近分別換用目數(shù)更高和更低的不銹鋼絲網(wǎng),能夠大幅降低蓄冷器內的總熵產(chǎn),從而改善制冷性能。實驗與模擬結果在變化趨勢上具有較好的一致性。本研究為100 Hz以上微型脈沖管制冷機中蓄冷器的填料填充方案提供了理論指導。(6)研制出質量僅為1.3 kg的100 Hz以上微型脈沖管制冷機整機的實驗樣機,并對其性能進行了實驗驗證�；谏鲜隼碚撗芯�,研制出一臺100 Hz以上微型脈沖管制冷機的實驗樣機,整機質量降至1.3 kg。該樣機在60 W的輸入電功下最優(yōu)運行頻率為114 Hz,此時可以獲得0.78 W/80 K的制冷量。冷端從初始溫度300 K降至無負荷溫度74.2 K需要7.5 min。微型壓縮機的實際電機效率為71.0%。最后詳細分析了實驗與模擬結果之間出現(xiàn)誤差的原因。
[Abstract]:Miniaturized refrigeration technology has developed rapidly in recent years, in which micro pulse control refrigerator is expected to replace the mini Stryn refrigerator and JT refrigerator, which provides fast and effective and long life cooling for infrared photoelectric systems in special applications such as aviation, space and ground tactics. On the basis of theoretical simulation and experimental test, a systematic study of 100 Hz micro pulse tube refrigerator is carried out on the basis of theoretical simulation and experimental testing. The main contents and conclusions are as follows: (1) the theoretical study of micro moving coil linear compressor is carried out on the basis of the research. A miniature linear compressor with a resonant frequency of up to 130 Hz has been made with the mass from 8 kg to 1 kg.. Based on the overall scaling principle, a miniature correction of the key parts of the compressor is proposed. Based on the 300 W medium compressor developed by this research group, a miniature moving coil type linear compressor is developed by using the modified scaling principle. The resonance frequency is from 5. 5 Hz is increased to 130 Hz, the maximum power input power can reach 63 W, and the mass from 8 kg to 1 kg., the micro compressor is coupled with the cold finger of the medium pulse tube, the performance and the compressor characteristics are tested under the operating frequency of 130 Hz and the input power of 60W. It is verified that the impedance of the medium cold finger is difficult to match with the miniature compressor. (2) a theoretical model of the magnetic field structure of a micro linear motor is established and its magnetic field distribution is verified experimentally. A three-dimensional theoretical model of the magnetic field structure of a miniature compressor linear motor is established, and the influence of the key size parameters, such as the width of the air gap, on the flux density distribution in the air gap is studied, and the experimental test is carried out. The distribution trend of actual magnetic flux density is in agreement with the simulation results, and the theoretical and experimental errors are analyzed. The rationality of the revised scaling principle is verified from another point of view. (3) a two-dimensional CFD theoretical model for the micro pulse tube cooler with more than 100 Hz is established. A miniature coaxial pulse control refrigerator with more than 100 Hz is built. The two dimensional axisymmetric CFD model is used to predict the refrigeration performance of the whole machine by using heat balance and non thermal equilibrium model respectively. The changes of pressure drop, incomplete heat transfer loss, gas and solid heat conduction loss along the axial distribution of the accumulator are simulated under the two models, and the changes of the entropy production are analyzed in detail. (4) The influence of the high frequency operating frequency of 90~170 Hz on the micro pulse tube refrigerator is investigated. Based on the analysis of the temperature field and the flow field inside the pulse tube, the influence of the operating frequency and the length of the 90~170 Hz on the heat and mass transfer process in the pulse tube is discussed. When the cold finger size is fixed, the optimal frequency is present; when the frequency is over, the frequency is over. Low temperature can cause a strong mixture of cold and hot fluids and seriously deteriorate the performance of refrigeration. When the frequency is too high, a larger radial temperature gradient will appear in the middle of the pulse tube, and the refrigeration performance is reduced to a certain extent. At this time, the transfer of a shorter pulse tube can greatly improve the heat and mass transfer process. (5) the system has studied the accumulator under the mixed screen filling. In order to verify the rationality of the theoretical model, based on the establishment of a two-dimensional CFD model of the single stage coaxial pulse tube cooler in this research group, the internal loss mechanism of the cold accumulator under the mixed screen filling is discussed and the experimental verification is carried out. With the increase of the mesh mesh, the pressure drop near the hot end increases significantly and is cold. The loss of incomplete heat transfer in the vicinity of the end is reduced rapidly. Therefore, the use of higher and lower mesh of stainless steel wire in the vicinity of the cold and hot ends of the accumulator can greatly reduce the total entropy production in the cooler, thus improving the refrigeration performance. The experimental and simulation results have a good consistency in the changing trend. This study is more than 100 Hz minitype. The filling filling scheme of the accumulator in the pulse control refrigerator provides theoretical guidance. (6) the experimental prototype of a micro pulse tube refrigerator with a quality of only 1.3 kg is developed and its performance is verified experimentally. Based on the above theory, an experimental prototype of a micro pulse control refrigerator with more than 100 Hz is developed and the whole machine is developed. The quality is reduced to 1.3 kg. and the optimal operating frequency is 114 Hz under the input power of 60 W. The cooling capacity of 0.78 W/80 K can be obtained at this time. The cold end from the initial temperature 300 K to the non load temperature 74.2 K needs the actual motor efficiency of the 7.5 min. micro compressor to be 71.0%. at the end of the detailed analysis of the error between the experiment and the simulation results. Reason.
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB651

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本文編號：2110363