《空間用液氦溫區高效複合型回熱式低溫制冷機理研究》是依託浙江大學，由甘智華擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：空間用液氦溫區高效複合型回熱式低溫制冷機理研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：甘智華
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
空間80K溫區低溫技術的實踐證明，有運動部件的斯特林製冷技術可以實現長壽命和低振動，而無運動部件的脈管制冷技術存在膨脹功無法回收的本徵低效率，能否結合兩者的優點，避免兩者的缺點，組合成更為高效更低溫區的斯特林/脈管複合型液氦溫區低溫製冷技術？結合申請人近年來在高頻液氦溫區回熱式製冷技術方面的研究基礎和對相關關鍵科學問題的深入認識，以及國際上複合型回熱式低溫製冷技術的最新研究成果，本項目擬以斯特林/脈管複合型回熱結構為載體，綜合傳熱學、有限時間熱力學和流體力學等相關理論，致力於解決液氦溫區回熱器在有限比熱容有限時間條件下（高頻）的高效換熱、交變流動聲功和壓力的高效傳輸、小聲功條件下高效調相等關鍵問題，最終實現在液氦溫區下的高效高可靠長壽命回熱式製冷方法。本項目的研究成果將為最終研製出滿足空間套用特點的液氦溫區回熱式低溫製冷技術奠定基礎，以滿足國家中長期空間探測計畫的順利實施。
結題摘要
液氦溫區低溫製冷技術在空間探測、國防軍事、低溫超導、能源、醫療等涉及國計民生等方面具有廣泛的套用潛力。大部分探測器在液氦溫區（或更低溫度）下工作可獲得高的敏感度和解析度，而研製緊湊高效輕量長壽命的液氦溫區低溫製冷技術成為空間探測的根本保障！相比攜帶液氦或超流氦的杜瓦方式和吸附壓縮驅動方式，本項目提出的斯特林/脈管複合型回熱式製冷技術具有結構緊湊，可靠性高及長壽命的潛在優勢，在本項目的支持下以斯特林/脈管複合型回熱式製冷技術為核心開展了如下的研究： 1. 液氦溫區回熱式制冷機理研究及結構創新 首次揭示了回熱器在液氦溫區和高溫溫區溫度分布不同的內在機理，指明了非理想氣體效應引起的時均壓力焓流對回熱器溫度分布的決定性影響，為液氦溫區高效回熱器的最佳化設計提供了理論基礎。基於理論分析結果，提出了一系列的可實現液氦溫區回熱式製冷的新結構，申請國家發明專利並獲得授權。提出了一套包括回熱器在內的脈管制冷機整機高效建模分析方法, 30 K溫區脈管制冷機的相關實驗結果已成功證明該模型的準確性。提出了帶聲功放大器的慣性管調相方式，獲得美國專利授權。 2. 斯特林/脈管複合型制冷機理理論及實驗研究 從理論上研究了斯特林/脈管複合型制冷機的制冷機理和級間耦合匹配關係，首次提出了斯特林/脈管複合型制冷機的三種工作模式的判據(斯特林級制熱模式、斯特林級製冷但淨製冷量不足以及正常工作模式)。理論分析和實驗測試結果表明，脈管級的引入使得原斯特林級的壓力與排出器之間的相位和壓力波動幅值均減小，從而導致斯特林級的製冷量減小或者不再製冷。基於該發現提出了一種斯特林/脈管制冷機的設計方法，後續將基於該設計方法完成液氦溫區高效複合型回熱式制冷機的研製。 3. 可逼近卡諾效率的脈管級聯製冷法研究 理論研究了慣性管(傳輸管)的相位調節特性，基於該研究提出了基於傳輸管的可逼近卡諾效率的聲功回收型級聯脈管制冷機新概念，該級聯結構中每一級制冷機由回收自前一級制冷機脈管熱端的聲功來驅動，通過熱力學分析表明，無窮級級聯製冷效率等於卡諾效率。這一結論在脈管本徵製冷效率[Tc/Th]和卡諾效率[Tc/(Th-Tc)]之間搭建了一座橋樑。實驗結果表明，壓縮機輸入功為500 W時，兩級級聯較單級製冷效率提高約33.3%，三級級聯提高39.9%，從實驗上驗證了脈管級聯製冷法對能量回收再利用的能力。
