[发明专利]实现冷量分配的两级热耦合型高频脉管制冷机的设计方法

摘要

本发明公开了一种实现冷量分配的两级热耦合型高频脉管制冷机的设计方法，分为八步：1)将两级热耦合型高频脉管制冷机等效成为交流电路；2)计算第一级脉管冷指和第二级脉管冷指入口动态压力和体积流率关系；3)计算第一级冷指净制冷量；4)计算第二级净制冷量；5)赋予第二级脉管冷指参数初始值并计算；6)计算第一级脉管冷指阻抗范围及总制冷量；7)赋予第一级脉管冷指参数初始值并计算；8)计算热桥长度与横截面面积。本发明所提出能实现冷量分配的两级热耦合型高频脉管制冷机的设计方法，对于两级脉管制冷机在航空航天、超导等特殊领域的实用化发展具有非常积极的意义。

主权项

1.一种实现冷量分配的两级热耦合型高频脉管制冷机的设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：两级高频热耦合型高频脉管制冷机包括直线压缩机(1)、连管(2)，一级热端换热器(3)、一级蓄冷器(4)、一级冷端换热器(5)、一级脉管(6)、一级惯性管(7)、一级气库(8)、二级热端换热器(9)、二级高温段蓄冷器(10)、热桥(11)、二级中间换热器(12)、二级低温段蓄冷器(13)、二级冷端换热器(14)、二级脉管(15)、二级惯性管(16)及二级气库(17)，其中一级热端换热器(3)、一级蓄冷器(4)、一级冷端换热器(5)、一级脉管(6)、一级惯性管(7)以及一级气库(8)组成了第一级脉管冷指(18)，二级热端换热器(9)、二级高温段蓄冷器(10)、二级中间换热器(12)、二级低温段蓄冷器(13)、二级冷端换热器(14)、二级脉管(15)、二级惯性管(16)、二级气库(17)组成了第二级脉管冷指(19)，直线压缩机(1)通过连管(2)分别与第一级脉管冷指(18)和第二级脉管冷指(19)相连接，并且第一级脉管冷指(18)和第二级脉管冷指(19)通过热桥(11)相连；根据电路类比模型，两级高频脉管制冷机中的压力被等效为电动势，体积流率被等效为电流，流阻、流容以及惯性被分别等效为电路中的电阻、电容和电感，整个两级热耦合型高频脉管制冷机冷指可以等效成为交流电路；步骤二：第一级脉管冷指(18)和第二级脉管冷指(19)在电路里属于并联关系，两个冷指入口处的动态压力相等，而入口处的体积流率则与冷指的阻抗值成反比，可以表示为：p1‑0＝p2‑0＝p0                (1)表达式(1)中的p_1‑0为第一级脉管冷指(18)入口处的动态压力，p_2‑0为第二级脉管冷指(19)入口处的动态压力，p₀为直线压缩机(1)出口处的动态压力，表达式(2)中为第一级脉管冷指(18)入口处的体积流率，为直线压缩机(1)出口处的体积流率，Z_1‑0为第一级脉管冷指(18)的阻抗值，Z_2‑0为第二级脉管冷指(19)的阻抗值，表达式(3)中为第二级脉管冷指(19)入口处的体积流率；步骤三：在考虑了额外流入蓄冷器冷端焓流、传导热损、热桥导热的情况下，一级冷端换热器(5)上可获取的净制冷量可以表示为：表达式(4)中Q_c1为一级冷端换热器(5)上的净制冷量，为一级蓄冷器(4)出口处的体积流率，p_1‑2为一级蓄冷器(4)出口处的动态压力，η_1‑PT为一级脉管(6)的脉管效率，θ_1‑2为一级蓄冷器(4)出口处动态压力与体积流率之间相位差，ε_1‑RG为一级蓄冷器(4)的有效系数，C_p为定压比热容，p_m为平均压力，R_g为气体常数，为一级蓄冷器(4)入口处的体积流率，K_1‑RG为一级蓄冷器(4)的导热系数，A_1‑RG为一级蓄冷器(4)的导热截面积，l_1‑RG为一级蓄冷器(4)的长度，T_H为一级蓄冷器(4)热端温度，T₁为第一级脉管冷指(18)的冷端温度，A_str为热桥(11)的导热截面积，λ为热桥材料导热系数，T_mid为二级中间换热器(12)的温度，L_str为热桥长度；步骤四：在考虑了额外流入蓄冷器冷端焓流、传导热损以及非理想气体效应的情况下，二级冷端换热器(14)上可获取的净制冷量可以表示为：表达式(5)中Q_c2为二级冷端换热器(14)上的净制冷量，为二级低温段蓄冷器(13)出口处的体积流率，p_2‑4为二级低温段蓄冷器(13)出口处的动态压力，η_2‑PT为二级脉管(15)的脉管效率，θ_2‑4为二级低温段蓄冷器(13)出口处动态压力与体积流率之间相位差，Z为气体压缩因子，ε_2‑RG为二级低温段蓄冷器(13)的有效系数，C_p为定压比热容，p_m为平均压力，R_g为气体常数，为二级高温段蓄冷器(10)入口处的体积流率，K_2‑RG为二级低温段蓄冷器(13)的导热系数，A_2‑RG为二级低温段蓄冷器(13)的导热横截面面积，l_2‑RG为二级低温段蓄冷器(13)的长度，T_mid为二级中间换热器(12)的温度，T₂为第二级脉管冷指(19)的冷端温度；步骤五：给定第二级脉管冷指(19)的运行参数和各部件参数初始值，包括；充气压力，运行频率，制冷温度，预冷温度，二级热端换热器(9)的长度、直径以及狭缝尺寸，二级高温段蓄冷器(10)的长度、直径、壁厚、蓄冷填料以及填充方式，二级低温段蓄冷器(13)的长度、直径、壁厚、蓄冷填料以及填充方式，二级冷端换热器(14)的长度、直径以及狭缝尺寸，二级脉管(15)的长度、直径以及壁厚，二级惯性管(16)的长度以及直径，二级气库(17)的体积，通过电路类比模型计算得到制冷量，预冷量，输入PV功大小，阻抗大小和相位角，并检查制冷量是否满足需求，满足则进入步骤六，不满足则调整初始参数重复步骤五；步骤六：根据步骤五中得到的第二级脉管冷指(19)入口处的阻抗值、阻抗相位角以及并联电路电流和电压之间的相互关系，可以得到满足指定输出功条件下第一级脉管冷指(18)的阻抗大小范围和阻抗相位角范围，并根据步骤五所得的预冷量大小和对第一级脉管冷指(18)制冷量的要求，得到第一级脉管冷指(18)的总制冷量；步骤七：给定第一级脉管冷指(18)各部件参数初始值，包括；一级热端换热器(3)的长度、直径以及狭缝尺寸，一级蓄冷器(4)的长度、直径、壁厚、蓄冷填料以及填充方式，一级冷端换热器(5)的长度、直径以及狭缝尺寸，一级脉管(6)的长度、直径以及壁厚，一级惯性管(7)的长度以及直径，一级气库(8)的体积，根据电路类比模型，计算第一级脉管冷指(18)阻抗大小，相位角，制冷量，并检查该阻抗大小和相位角是否满足步骤六中的要求，检查制冷量是否满足步骤六中总制冷量的要求，如有任意一项不满足，则调整第一级脉管冷指(18)各部件参数初始值，重复步骤七，直至满足；步骤八：根据预冷量的大小，通过下列关系式(6)决定热桥长度和横截面面积；表达式(6)中Qpre为预冷量，Astr为热桥(11)的导热截面积，λ为热桥的导热系数，T1为一级脉管冷指(18)制冷温度，Tmid为二级中间换热器(12)的温度，Lstr为热桥长度，完成设计。