新型无气库型脉冲管制冷机直流产生机理及耦合机制研究

The pulse tube cryocooler driven by linear compressor has broad prospects in imaging, communications and superconductivity applications.In order to increase the power density, a novel structure without the reservoir was proposed in this project:the backside of the linear compressor was used as the reservoir. However, this configuration will form a close-loop flow path between compressor and cryocooler, which will bring a DC flow and greatly decrease the cooling performance. This project is proposed to study the generation mechanism and reveal its physical nature through a combination of theoretical analysis and experimental investigation. The physcial model of this system will be built and the key factor affecting the DC flow will be find to suppress the DC flow effect.Meanwhile, system dynamics due to the closed loop will also be studied.The results obtained in this project will lead to a compact cryocooler structure and promote the development of both thermoacoustic theory and the regenerative thermal machines.

直线压缩机驱动的斯特林型脉冲管制冷机在军事、通信、科学探索及超导等领域具有重要的应用前景。申请人提出采用压缩机背腔作为调相机构气库的新型结构流程，可以显著提高其功率密度。由于该流程在系统中构成气流环路，带来的直流问题极大降低了制冷性能。围绕系统内部产生的直流问题，本项目拟通过理论分析与实验相结合的方式，深入揭示直流分量产生的物理本质和关键影响因素，发展可靠的抑制方法，同时对环路耦合的动力学和热力学特性进行系统研究。本项目对于丰富和发展非线性热声理论具有重要学术价值，同时可以显著提高低温制冷机的功率密度，对于推动回热式制冷机的应用发展具有重要意义。

根据项目计划书的安排，本项目以压缩机背腔为调相机构气库的新型结构流程作为研究对象，该流程在系统中构成气流环路，带来的直流问题极大降低了制冷性能，通过理论与实验相结合，围绕系统内部产生的直流问题及其影响开展了基础性研究工作，主要研究成果与进展包括：（1）从本质上揭示了Gedeon直流产生的非线性物理机制，阐述了抑制直流效应的关键参数；理论考察了直流对温度场、声场的影响；通过实验考察了直流的影响；（2）根据热声理论建立了环路结构的整机计算模型，考察了惯性管接入压缩机背腔后整机声场分布，考察了对动力学特性和热力学特性的影响规律；构建了考虑了气体二阶流的整机计算模型，引入了直线压缩机活塞间隙计算模块，通过对冷端换热器开展针对性测试，验证了程序的适用性；（3）提出并理论研究了采用压缩机活塞间隙抑制直流的方法；在实验中利用弹性膜片成功抑制直流，获得与传统结构相近的实验结果；分析了非对称结构的抑制机理并进行了理论计算；综合系统评价不同抑制措施的优缺点；（4）提出了无面积差室温换热器的新型制冷机流程，获得了24.2%的相对卡诺效率，为同类别制冷机中国际上最高效率；在国际上率先开展两级大功率低温制冷机的研究；考察了Gedeon直流对新型结构性能的影响。