基于多孔光纤技术的脉管制冷微型化研究

基于多孔光纤能作为流体流动通道的特征，结合脉管制冷机回热器部件微型化中尚存的问题，提出了基于多孔光纤技术的微型脉管制冷机的方案。本项目围绕该创新设想，就其中存在的流动与换热等基础问题开展了相关研究，旨在探究光纤材料的热物性对微型回热部件的性能优化所起的影响情况，并通过实验研究多孔光纤流道内的流动特性，为脉管制冷机的微型化提供一种可供参考的思路。在系统初步设计的基础上，建立了多孔光纤作为回热器材料的基本模型，利用热声理论计算分析了回热器结构尺寸、平均工作压力、工作频率以及输入声功对制冷性能的影响情况。结果表明，基于多孔光纤的微型脉管制冷机回热器能够达到相对较高的效率，验证了其理论上的可行性。同时，采用N-S方程对圆孔型多孔光纤通道中气体流动的流场进行了数值模拟。利用Albertoni模型和Sreekanth模型将一阶和二阶滑移边界条件引入计算中来，通过比较有、无速度滑移两类边界条件的模拟结果，获得了多孔光纤微通道流动中气体压力与速度的范围。在此基础上，结合光纤的结构特点，搭建了微通道流动特性测量系统，并测量了氮气和氦气在孔径为20微米和50微米的熔融石英管，以及5微米孔径的多孔光纤内的流动特性。在同时考虑可压缩性和稀薄性的情况下，对比研究了文献中三条关联式的适用性，并总结出了吻合度更高的实验关联式。将光纤作为回热器设计了微型热声振荡器，并利用光学工程中的微加工方法制作基于多孔光纤的微型热声振荡系统。另外，对多孔光纤作为微流动通道在热管、节流器件上的应用进行了一些概念设计，并对微加工工艺、实验系统设计和密封方案等进行了探索。

脉管制冷机因在低温区域无运动部件,具有高稳定性、高可靠性和长寿命等优点。但是，对于空间尺寸有严格限制的场合，则必须实现其小型化乃至微型化，于是对系统结构提出了极大挑战。本项目计划开展基于多孔光纤技术的脉管制冷机微型化研究。拟探索以下关键理论问题：1）微米量级通道尺度下回热结构中的回热机理探索；2)多孔光纤内的传热与流动特性及其对微型脉管制冷机的适用性研究。拟建立多孔光纤通道内传热与流动的理论模型，进而开展相应实验研究。在此基础上，结合脉管制冷机微型化设计原则，建立一套基于多孔光纤的微型脉管制冷机系统，对多孔光纤对于脉管制冷机的适用性进行实验验证。

脉管制冷机是一种没有低温下运动部件的低温制冷机，与斯特林制冷机相比，具有低振动，结构简单，可靠性高的优点，已经广泛应用于卫星上红外探测器的冷却。目前的脉管制冷机的调相方式主要是双向进气与惯性管，理论效率较低，应用于超导电缆冷却等方面时，无法满足需求。同时，制冷温度低于35K时的效率也无法满足一些空间项目的要求。因此需要一种理论效率能与斯特林制冷机相等的脉管制冷机。室温推移活塞脉管制冷机是目前理论上来说最好的一种。本项目针对该种脉管制冷机进行研究，主要研究了室温推移活塞的功回收与调相机理，双级脉管制冷机中调相与功分配的耦合机理，压比对效率与功率密度的影响，直线压缩机与冷头和推移活塞的匹配机理。已完成以上研究内容。除了实验验证了单级与双级室温推移活塞脉管制冷机外，还进行了脉管热发动机与脉管热泵的实验验证。实现了单级无负荷温度37.7K和比卡诺效率15.5%。基于这些研究成果，已发表期刊论文11篇，2篇已录用待发表，会议论文21篇，其中6篇SCI ，6篇EI ；申请专利38项，其中已授权9项，29项在公开与实审中；在本项目资助下已毕业硕士6人，目前在读硕士生5人，在读博士生2人也均参与本项目。项目组成员积极参加国内外学术会议与交流，邀请外国专家交流，资助学生国外短期留学访问等。在该项目中，以功回收思想为基础，发现了数种新型的功回收型脉管制冷机，这些重要的原创发明作为热机家族的新成员，解决了一些制冷机的未曾解决的问题。本项目为高效率脉管制冷机今后走向实际应用打下了坚实的理论基础。20K温区的制冷机将会解决一些空间任务的技术瓶颈，也有望应用于液氢领域，为燃料电池等领域氢能源的使用提供一个新的手段；高效率77K的脉管制冷机也有望在超导电缆冷却方面发挥重要作用。该项目取得的原创性的发明将为今后脉管制冷机的进一步发展做出铺垫。

首次对脉管制冷机的脉管进行3维非稳态场模拟，对回热器应用2维场模拟、对连接管道用1维模型（3-2-1模型），构成脉管制冷的最先进的物理数学模型，发展相应的数值方法。数值模拟结果通过实研验证。该模型可能查明现有各种模型无法揭示的脉管制冷机中的复杂物理过程，揭示脉管制冷机的工作机理，提出实质性的改进方案，以进一步提高其性能。

脉管制冷机在低温下没有运动部件，具有低振动、高可靠性等优点，在空间、超导体冷却等方面具有重要应用。得益于双向进气与惯性管技术，脉管制冷机的制冷效率已经有大幅提高，但由于膨胀功无法回收，效率提高遇到瓶颈，不利于进一步的应用推广。本项目采用气动室温推移活塞用于脉管制冷机的膨胀功回收，并采用阶梯推移活塞技术进一步提高双级脉管制冷机效率，其优点是理论效率等于卡诺效率。本项目采用理论与实验相结合的方法对单机和双级气动室温推移活塞脉管制冷机进行研究。主要进行以下三个方面的研究：推移活塞的膨胀功回收与调相机理；阶梯推移活塞的调相与输入功在各级的分配耦合机理；压比对制冷效率和功率密度的影响机理。本项目将为下一代高效率脉管制冷机的发展打下理论基础。