制冷機的發(fā)展研究文獻綜述1963年美國的Gifford和Longsworth在研究GM型制冷機時，發(fā)現(xiàn)在一根空管內(nèi)，使其一端封閉，當存在交變壓力波時，沿管軸的方向可形成很大的溫度梯度。采用壓縮機提供交變壓力波，裝上回熱器和冷端換熱器，發(fā)現(xiàn)在回熱器和脈管的交接處產(chǎn)生了制冷效應，這便是第一代的脈管制冷機，也稱基本型脈管制冷機[1]。脈管制冷機的冷端是一根空心的圓柱管，稱為脈管，沒有了排出器，冷端無運動部件。圖1.2基本型脈管制冷機結(jié)構(gòu)圖1983年，前蘇聯(lián)的Mikulin在基本型脈管制冷機的脈管熱端換熱器前加入小孔，在換熱器后加入氣庫，對其結(jié)構(gòu)進行了改革，并稱該制冷機為小孔型脈管制冷機[1]。通過小孔和氣庫調(diào)節(jié)制冷機熱端的質(zhì)量流量，使其最低制冷溫度降到了105K。后來有科學家用針閥代替小孔，置于熱端換熱器后面，直接調(diào)節(jié)脈管與氣庫的氣體流量，獲得最低60K的低溫[3]。圖1.3小孔型脈管制冷機 后來朱紹偉等人提出了雙向進氣型脈管制冷機，在壓縮機出口和脈管熱端附加一個閥門，直接將部分氣流引入脈管而不經(jīng)過回熱器[4]。流經(jīng)雙向進氣閥的這股氣體直接改善了脈管的冷端相角并減小了回熱器中的阻力損失和回熱損失，提高了制冷性能。圖1.4雙向進氣型脈管制冷機1994年，日本的Kanao等采用一根細長管實現(xiàn)了脈管制冷機冷端相角的調(diào)節(jié)，這根細長管稱作慣性管[5]，發(fā)現(xiàn)低溫慣性管可以解決低聲功時室溫慣性管調(diào)相能力不足的問題。慣性管可以利用管內(nèi)振蕩氣流在高頻運行下的慣性效應來調(diào)節(jié)壓力波與質(zhì)量流的相位差，不會產(chǎn)生直流，它的調(diào)相能力與脈管熱端聲功有關，聲功越大，慣性管可提供的相角越大。圖1.5慣性管型脈管制冷機2003年，LMATC研制出一臺空間用35K兩級脈管制冷機，采用L2010型壓縮機驅(qū)動[6]。2004年，美國SierraLobo公司報道了一臺在第二級回熱器中使用了稀土磁性蓄冷材料的兩級氣耦合斯特林脈管制冷機[7]。2005年，德國吉森大學研制了一臺氣耦合式兩級斯特林脈管制冷機[8]。該制冷機U型布置的冷頭和采用雙向進氣、慣性管聯(lián)合調(diào)相的第二級結(jié)構(gòu)是它的亮點。而后，吉森大學又作出改進，保持冷頭U型布置，但是第二級除采用雙向進氣、慣性管聯(lián)合調(diào)相外，小孔也應用其中進行聯(lián)合調(diào)相，并在第二級回熱器中使用了鍍鉛絲網(wǎng)[9]。圖1.6SierraLobo公司的兩級脈管制冷機圖1.7吉森大學兩級脈管制冷機冷頭2007年，中科院理化所研制了一臺兩級氣耦合型脈管制冷機，最低溫度可達16.1K，將利用同軸型結(jié)構(gòu)替換了原來一級的U型結(jié)構(gòu)，并在冷指部分設有輻射屏，二級回熱器的低溫段采用鍍鉛絲網(wǎng)，因為通過比較發(fā)現(xiàn)若采用不銹鋼絲網(wǎng)的話，性能略差[10]。2009年浙江大學低溫所研制出一臺動磁式線性壓縮機，并將其用于驅(qū)動自行設計的兩級熱耦合斯特林脈管制冷機，在輸入電功400W時，獲得了14.2K的最低制冷溫度[11]。圖1.8中科院熱耦合型脈管制冷機圖1.9浙江大學熱耦合型脈管制冷機2015年，中科院理化所劉思學等采用液氮對脈管制冷機的熱端進行預冷，在180W電功輸入條件下，獲得了675mW@20K的制冷性能[12]。2016年，韓國科學技術(shù)研究院的Jiho

Park等采用液氮對壓縮機進行預冷，使制冷機獲得了更低的無負載溫度38.5K[13]。2017年，中科院上海技術(shù)物理研究所蔣燕陽等對兩級同軸型脈管制冷機回熱器與脈管壁換熱的影響進行了分析并開展了相關實驗[14]。結(jié)果表明，由于同軸型制冷機回熱器與脈管之間存在熱交換，對脈管預冷可使得兩級同軸型脈管制冷機的性能優(yōu)于同條件下的直線型脈管制冷機。圖1.10同軸布置兩級脈管制冷機結(jié)構(gòu)示意圖參考文獻[1]W.E.Gifford,R.C.Longsworth.Pulsetuberefrigeration.JournalofEngineeringforIndustry-TransactionsoftheASME,1967(86):264-270.[2]E.I.Mikulin,A.A.Tarasov,M.P.Shkrebyonock.Low-temperatureexpansionpulsetubes.AdvancesinCryogenicEngineering.1984:629-637.[3]R.Radebaugh,J.E.Zimmerman,D.R.Smith,etal.Acomparisonofthreetypesofpulsetuberefrigerators-newmethodsforreaching60K.AdvancesinCryogenicEngineering.1985:779-789.[4]Z.H.Gan,W.Q.Dong,L.M.Qiu,etal.Asingle-stageGM-typepulsetubecryocooleroperatingat10.6K.Cryogenics,2009.49(5):198-201.[5]K.Kanao,N.Watanabe,Y.Kanazawa.Aminiaturepulsetuberefrigeratorfortemperaturesbelow100K.Cryogenics,1994.34:167-170.[6]T.C.Nast,J.Olson,B.Evtimov,etal.DevelopmentofaTwo-StagePulseTubeCryocoolerfor35KCooling.Cryocoolers12.2003:213-218.[7]C.Nguyen,A.Yeckley,A.Culler,etal.Hydrogen/oxygenpropellantdensifierusingatwo-stagepulsetubecryocooler.AdvancesinCryogenicEngineering,2004:1703-1709.[8]L.W.Yang,G.Thummes.Highfrequencytwo-stagepulsetubecryocoolerwithbasetemperaturebelow20K.Cryogenics,2005.45(2):155-159.[9]湯珂,陳國邦,G.Thummes.熱耦合二級Stirling型脈管制冷機的性能研究.低溫工程,2005.5:1-6.[10]L.Yang,M.Zhao,J.Liang.InvestigationofTwo-StageHighFrequencyPulseTubeCryocoolers.Cryocoolers.2007:177-185.[11]P.D.Yan,G.B.Chen,J.J