摘 要

牛津型斯特林制冷机使用了板弹簧支承、线性马达驱动、间隙密封、无油润滑、双电机驱动与控制、精密制造等独特技术，属于低温长寿命制冷机中的佼佼者。与牛津型斯特林制冷机不同，气动分置式斯特林制冷机则取消了膨胀机驱动电机，压缩机部分与膨胀机部分通过一根金属软管连接，能够有效地减小整机能耗，降低压缩机振动、噪声对膨胀机冷头工作性能的影响，整机控制大大简化，由此其成为了地面中等寿命低温冷源的优良选择，所以气动分置式斯特林制冷机始终都是低温制冷机一个热点研究内容。

本论文主要工作如下：

1). 简单介绍了气动型分置式斯特林制冷机的工作原理，并结合工作原理图和p-V图描述了制冷机的工作各个过程；详细分析了气动分置式斯特林制冷机的热力循环，给出了制冷机的热力计算。

2). 分析了回热器的填料及其几何特性；给出了网片填料介质的阻力系数计算方法，并对小型斯特林制冷机回热器建立理论模型。

3). 由新型狭缝气动调相机构与传统气动调相机构的区别，建立了气动腔气动行为的计算模型，给出了气动腔气动行为的计算方法，对气动腔内压力的波动行为进行了讨论。

4). 在充分考虑新型气动结构分置式斯特林制冷机的工作特点和实际工作过程的基础上，描述了气动膨胀机模型。

关键词：分置式斯特林制冷机；气动斯特林制冷机；狭缝调相器；理论研究

Abstract

Oxford Stirling cryocooler is being very popular for space applications, which require cryocoolers may work for long life, because of its adopting flexure spring, dual linear motors, clearance sealing, no-oil lubrication, advanced control technology, and etc. Comparing with the Oxford Stirling cryocooler, the pneumatically-driven split-Stirling-cycle cryocooler has advantages of low vibration, stable cold-tip temperature, simple control, and low input power, owing to its having only one motor, comprising a compressor and a expander connected by a flexible hose, so it is being an ideal cooling choice with medium life for land applications. This has brought more and more interest and many laboratories around the world are presently working on the subject.

The author solved the following problems and got some results in this dissertation:

1). The pneumatically-driven Split-Stirling-cycle cryocooler works were introduced, the author discussed the working process of this machine combined with the p-V diagram, and detailed analysis of the Split-Stirling-cryocooler, the thermodynamic calculation of this machine was given

2). Based on the differences between this new type phase adjustor and the traditional phase adjustor, a dynamics model has been set up to simulating the gas real-time behavior, in the meantime, the calculated method was given and the gas pressure characteristics in the dual spring chambers was discussed.

3). Based on the differences between this new type phase adjustor and the traditional phase adjustor, a dynamics model has been set up to simulating the gas real-time behavior, in the meantime, the calculated method was given and the gas pressure characteristics in the dual spring chambers was discussed.

4). Considering in detail working characteristics and practical process this new type pneumatically-driven split-Stirling-cryocooler, aphysical model for pneumatically-driven expander was given.

Key Words: Split-Stirling-cryocooler； pneumatically-driven Stirling cryocooler；gap clearance phase adjustor；theoretical study

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 气动分置式斯特林制冷机的研究背景 1

1.2 分置式斯特林制冷机产生和发展过程 1

1.2.1 斯特林制冷机发展及原理 1

1.2.2 斯特林制冷机在国内外的发展现状 5

1.3 本文主要工作 8

第2章 气动型分置式斯特林制冷机热力特性 9

2.1 分置式制冷机的热力循环 9

2.2 气动型分置式制冷机的热力计算 10

第3章 回热器理论分析 15

3.1 回热器简介 15

3.2 回热器填料及其几何特性 16

3.3 网片填料介质的阻力系数 18

3.4 回热器的损失 19

第4章 狭缝式调相器的工作特性 20

4.1 新型狭缝式调相器的提出与相位的一般分析 20

4.2 狭缝式调相器的模型与控制方程 22

4.3 狭缝式调相器的计算 26

第5章 热动力学性能计算 29

5.1 气动膨胀机模型 29

5.1.1 热腔控制方程 29

5.1.2 排出器(回热器)控制方程 29

5.1.3 冷腔控制方程 31

5.2 整机工作特性 31

第6章 结束语 35

参考文献 36

致谢 38

第1章 绪论

1.1 气动分置式斯特林制冷机的研究背景

斯特林制冷机从出现到现今一直受到研究制冷的科研机构重视，尤其近半个世纪以来，由于低温技术，红外技术，空间技术等高科技技术的飞速发展，迫切的需要结构紧凑，效率高，振动小，寿命长的高性能斯特林制冷机予以支持，与此同时，斯特林制冷机在许多领域都有着广泛的应用，尤其是在军事、医疗等有着高精尖设备的领域发挥重要作用。美国、法国、德国、日本、以色列等主要发达国家目前的技术都是世界领先，对此却不予对中国出口，因此，我国科学家对斯特林制冷机的研究需要更加努力，从而使其适应我国高科技领域发展的需要^[42]。气动分置式很好地解决斯特林制冷机轻量化的需要，其膨胀机活塞取消了电机驱动，从而具有减小整机能耗，降低震动，减少噪音对冷头的影响等优点，整机控制也得到很大程度的简化，是良好的地面中等寿命低温冷源，因此气动分置式斯特林制冷机在低温领域始终是研究热点^[1-5]。

斯特林制冷机在我国的研制是从20世纪80年代开始，取得优秀成果的研究单位有昆明物理研究所、中科院上海技术物理研究所、中国电子科技集团公司第十六研究所、兰州物理研究所、西安交通大学等，有些型号的斯特林制冷机已经量产，而且销往国外；但是在关键技术和工艺水平上有所限制，理论研究水平也有所欠缺，即使已累积了大量的技术经验，不过，我国斯特林制冷机的研制水平离世界先进水平还有很大差距，当前还没有满足长寿命、轻质量、低功耗的成熟产品^[43]。由于国外对斯特林制冷机的研究进行的较早，且取得了非常好研究成果，比如英国的Hymatic公司已经研制出0.2W/80K、0.5W/80K、1.0W/80K、5.0W/80K四个系列优良的制冷机产品，效率超过4%，地面受命测试可以达到55000小时；美国Sunpower公司研制的M77型寿命超过40000小时，阿尔法磁谱仪AMS—02就使用了M77改进型M87，用于对太空的研究等^[42]，俄罗斯、日本对斯特林制冷机研究也有较高水平。