邓伟峰, 蒋珍华, 刘少帅, 张安阔, 吴亦农

化工学报 2019, 70 (1): 107-115. DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20180307

摘要（397）

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设计了一台名义制冷量为50 W/170 K的大冷量脉管制冷机，采用对置活塞式动磁线性压缩机驱动，冷指的蓄冷器和脉管部件为同轴布置，采用惯性管-气库组合的被动调相机构。根据电磁-机械-声耦合场原理，建立了脉管制冷机动力学模型，对负载下的压缩机特性进行了动态仿真。为达到整机的谐振状态，对压缩机质量-弹簧系统进行了调整。整机质量（不含电控部分）小于12 kg。在230 W输入电功下，能够获得50 W/170 K的制冷性能，电机效率92.7%，整机比卡诺效率16.5%。150～200 K温区范围内制冷机比功（输入电功/制冷量）小于5 W/W，额定输入功下，200 K温区能够获得90 W的最大制冷量，该制冷机可以用于航天大型红外焦平面阵列的冷却，同时为-60～-20℃制冷温区的商业低温冰箱低温冷源的选择提供了参考。

其中，p₁和U₁分别为沿x轴方向的交变压力波和交变体积流，下角标“1”代表小振幅下的一阶分量，即复变量的振幅；E₂为沿x方向的声功，下角标“2”代表其为二阶的；?_pu为p₁和

{\overset{?}{U}}_{1}

的相位角，“~”表示共轭复数，通常人们关心的是一个完整热力循环周期内的总声功，而不是沿x方向上某一处的瞬时声功；ρ_m为气体密度；T_m为固体壁面温度，下角标“m”代表平均值，即不随时间变化，且仅沿x方向一维变化；A_c为气体在某一位置处的流通截面积；f_υ和f_κ分别为黏性阻力效应和热渗透效应的描述函数，其是动量方程在某横截面积上积分后转化得到的空间平均函数，在不同形状管路下的表达式可以查阅文献[29]；γ为比热容比；σ为Prandtl数，即黏性渗透项与热渗透项的比。

本文以该声场网络图为基础，应用一维热声软件建立了脉管冷指和调相机构的热力学模型，以冷头制冷性能为目标，对其中的核心部件——蓄冷器结构尺寸进行了重点设计优化，基于蓄冷器参数的优化结果，对脉管、冷热端换热器、导流结构和惯性管-气库组合进行了整体优化，最终的脉管冷指参数见表1。