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。

得到脉管冷指入口处的负载特性，包括压力波振幅、体积流振幅、压力波与体积流相位等参数。然后类比电气领域的变压器，根据电磁-机械-声耦合场原理，将脉管冷指和线性压缩机看作电磁能、机械能和声能的耦合系统[30,31]，如图3所示。

从图3可以看出，压缩机运行特性与冷指负载特性联系非常紧密，呈现出一种强耦合关系。为便于分析，可以将活塞表面所受气体力在向量图上表示为沿位移和速度方向上的分量，并且结合电磁力、板弹簧力和惯性力得到运动活塞的完整力平衡方程，从而将压缩机设计与所驱负载特性有效地联系在一起。