基于理想量子气体的状态方程,分析了量子气体斯特林制冷循环中的回热特征,推导出循环的制冷系数一般表达式.获得了在强简并和弱简并条件下循环的制冷系数,对全面理解气体斯特林制冷机的性能有所帮助.

以等温模型为基础，对斯特林制冷机的性能进行了计算机仿真计算。通过编程计算分析了一些系统参数变化对理论制冷量、有效制冷量、冷量损失等的影响。得出当充气压力增大或回热器长度减小时，制冷量都随之增大，但制冷效率有一个最优值；当回热器直径变化时，有一个最优值使制冷量和制冷效率最大；当相位角变化时，制冷量有最大值的结论。为设计斯特林制冷机合理选取参数提供了理论依据。

针对斯特林制冷机的振动模型分析了振动特点，分析了动力吸振器在斯特林制冷机振动控制中的应用，给出了动力吸振器的设计方法。

本文基于一台百赫兹气动斯特林制冷机,引入了一种随机烧结丝绒填料。通过REGEN与一维设计软件对回热器填料进行参数模拟,研究随机烧结丝绒的孔隙率对回热器内回热损失和流阻损失的影响,同时搭建实验台对不同填料参数的蓄冷器进行实验研究,验证本文对随机丝绒在不同温区的特性分析。实验表明,高温区随机烧结丝绒回热器具有较高的制冷效率,在制冷温度为180 K,输入功7.8 W时可以提供1.5 W制冷量,而在低温区,由于回热能力的不足,使得随机烧结丝绒型斯特林制冷机性能有明显的衰减,通过使用低孔隙率的随机丝绒可以增强在低温区的回热能力。

设计了一台100 W/77 K的分置式大冷量斯特林制冷机,其中气动弹簧组内置于空心排出器中,缩小了膨胀机的轴向尺寸。热端膨胀腔与压缩腔之间通过辐射状分布的分离式“明渠”结构通气槽连通,降低了加工难度。压缩机为对置式双气浮活塞结构,最大输入功率2 kW。介绍了该制冷机的热力设计和动力设计,给出了参数设计结果,最后分析了压缩机各类损失对制冷效率的影响。模拟结果表明,在1064 W的PV功下,制冷机77 K可以获得104 W制冷量,当压缩机效率大于85%,热端温度20℃时,电功消耗小于1252 W,比卡诺效率大于23%。

间隙传热以及气体泄漏问题,容易使制冷机运行效率进一步降低,影响制冷性能和制冷效果,为此间隙密封属于气动分置斯特林制冷机实际运行中的重要技术。文章先分析了间隙密封特点和间隙密封整体结构设计,随后介绍了间隙密封相关数值模拟,希望能给相关人士提供有效参考。

介绍了斯特林制冷机里使用的一种新型空心金属C型密封圈的制作工艺与选材、密封特点和使用优势。针对传统的橡胶密封圈、PTFE、金属实心银丝密封圈等泄漏率高、易失效等特点,金属C型密封圈制造精度高,经过多年的测试使用和论证,该密封产品在抗强冲击和耐强辐射的环境下,依然可以实现较高的可靠性和较低的泄漏率,漏率最低则可以达到10-9 atm.cm3/s.m,可以满足斯特林制冷机泄漏率的要求。

气体泄漏及间隙传热会导致制冷机性能恶化,因此间隙密封技术是气动分置式斯特林制冷机的一项关键技术。对三种不同间隙密封结构展开研究,搭建Sage模型分析结构参数对制冷机性能的影响,模拟结果显示间隙高度H不仅影响泄漏率,还与穿梭损失及泵气损失相关;双段式间隙密封的密封1长度比例越大,制冷量越大。当长度比例及密封1、间隙1高度分别为0.7-0.3,10μm,500μm时,双段式间隙密封结构性能达到最优。与单段式间隙密封相比,双段式间隙密封结构的制冷量与COP提高9%和21%;与三段式间隙密封相比,双段式间隙密封结构简单,加工方便,因此在设计膨胀气缸与活塞间隙密封时,优选该结构作为斯特林制冷机密封结构。

基于分级制冷的原理,设计了2种结合自由活塞斯特林制冷机的新型级联式天然气液化流程。编写计算机程序,对液化流程进行了数值模拟与对比分析。研究了2种流程工艺在不同系统压力、液化率等工况下的最佳降温方案和比功耗变化规律,分析了合理能耗条件下自由活塞斯特林制冷机相对卡诺效率的最低要求,并将本文设计流程与其他新型液化流程进行了对比。结果表明:此类新型液化流程在天然气液化流程的简化以及小型化发展方面具有一定的可行性。

冷热端换热器的优化对于提高气动分置式斯特林制冷机的性能至关重要。本文利用SAGE软件对斯特林制冷机进行优化设计,研究了冷热端狭缝式换热器的狭缝宽度、狭缝数量和翅片厚度对制冷机性能的影响。模拟结果表明,适当减小热端换热器的狭缝宽度和数量,可以有效提高斯特林制冷机的性能,冷热端换热器都存在最优的狭缝宽度和数量,同时,冷端换热器没有热端换热器的优化潜力大。