高频脉冲管制冷机采用线性压缩机驱动,冷指低温端没有运动部件,具有体积小、效率高、可靠性高、寿命长、振动及电磁干扰小等优点。近年来我国空间技术发展迅速,发展高效的脉冲管制冷机是迫切需要的。脉冲管制冷机通过调相元件被动获得所需的质量流与压力波之间的相位关系,较优的相位关系将减小回热器损失,显著提高制冷机效率,对于高频脉冲管制冷机相位特性的研究是提高脉冲管制冷机整机效率的关键。本文开展了对于脉冲管制冷机整机及关键部件:惯性管、回热器以及压缩机相位特性的理论及实验研究,利用相位特性研究结果较好的指导了高频脉冲管制冷机样机的设计及优化。主要内容如下:　　 1.对高频脉冲管制冷机相位特性进行了理论分析。基于焓流调相理论分析了脉冲管制冷机内部能量流的分布,给出了回热器净制冷量的表达式。基于质量守恒、能量守恒定律阐述了高频脉冲管制冷机相位特性理论研究方法。构建了小孔型、双向进气型及惯性管型脉冲管制冷机整机理论相位关系图,比较了三者差异,指出惯性管和双向进气调相方式能使回热器冷端获得较优的质量流与压力波的相位关系,进而提高整机效率。通过对于整机相位特性的理论分析,指出调相机构入口、回热器冷端及热端、以及压缩机活塞表面的相位特性显著影响整机性能。　　 2.详述了相位特性测量方法以及实验测量系统。国内首次采用了修正压缩机活塞表面质量流的间接测量质量流方法,该方法与传统的热线风速仪相比,操作简单、不产生气流扰动、而且不影响整机性能,在样机调试过程中可采用这种测量质量流的方法来指明样机优化的方向。与气库质量流相比,当质量流幅值大于0.6g/s时,间接测量质量流幅值不确定度在±5％以内,相位角不确定度在±2°以内,准确度较高。利用间接测量质量流方法,搭建了惯性管、回热器以及整机相位特性测试平台,并且详细介绍了整机相位特性实验研究方法。　　 3.对惯性管相位特性进行了系统的研究,并绘制了惯性管设计图表。对于单段及双段惯性管加气库的相位特性进行了系统的实验研究,测量了运行参数及结构尺寸对于惯性管相位特性的影响,并将实验值与传输线模型、层流热声模型及简化湍流热声模型理论值进行了比较。简化湍流热声模型与实验结果吻合较好,相位角理论值与实验值偏差在±9°以内,体积流阻抗幅值理论值与实验值偏差在±20%以内。基于简化湍流热声模型绘制了单段及双段惯性管设计图表,双段惯性管设计图表尚无文献报道,具有一定的创新性,并编写了惯性管设计程序,总结了惯性管设计方法。　　 4.回热器是脉冲管制冷机的关键部件,对于回热器相位特性进行了理论及实验研究。基于REGEN3.3软件分析了回热器冷端相位特性对于回热器冷量、效率等的影响规律。对于回热器两端相位特性进行了实验测量,将测量结果与REGEN3.3理论计算结果进行了比较,根据比较结果给出了整机状态下回热器冷端相位特性的估测方法,在冷端相位特性无法直接测量时,可利用该方法估测回热器冷端质量流及质量流落后于压力波的相位角。　　 5.基于压缩机活塞表面相位特性分析结果,总结了压缩机与冷指耦合匹配规律。基于压缩机活塞力的平衡方程式及电压平衡方程式,给出了压缩机活塞表面相位特性与压缩机电机效率、电输入功转化为活塞表面声功效率的关系,指出压缩机电机绕组、电机比推力及阻尼系数决定了压缩机的最优效率,压缩机活塞表面的相位特性决定了压缩机能否发挥出其最优效率。电机效率、电功转化为活塞表面声功效率测量值与理论值偏差在3%及7%以内,吻合较好。基于上述研究结果总结了线性压缩机与脉冲管冷指高效耦合规律。　　 6.利用相位特性研究结果,指导了液氮温区大冷量单级高频同轴脉冲管制冷机及2W@60K单级高频同轴脉冲管制冷机的设计及优化工作。总结了基于相位分析的高频脉冲管制冷机设计方法,应用该方法对液氮温区大冷量脉冲管制冷机关键部件进行了理论计算。实验测量了运行参数及惯性管结构尺寸对于液氮温区大冷量脉冲管制冷机相位特性及性能的影响,实验表明:运行参数及惯性管变化时,整机性能变化的原因在于惯性管入口的相位特性发生了变化,惯性管入口相位特性的设计是整机高效的关键,其不仅影响冷指的效率还显著影响压缩机的效率。在风冷条件下,压缩机电输入功101.3W时取得了6W@95K,121W时取得了5W@80K,143W时取得了6W@80K的性能,达到国内先进水平。针对2W@60K脉冲管冷指与我组现有压缩机不匹配的情况,重新设计了与冷指匹配的压缩机,在2W@60K时,新压缩机电机效率由64.77%提高至76.1%,压缩机电输入功率由107.6W减小至91.54W。总结了60K及以上温区高频脉冲管制冷机理论相位关系图与实测相位关系图的差异,比较结果可用于修正理论相位关系图,进而更准确的指导理论设计。最后根据上述研究结果,总结了基于相位特性分析的高频脉冲管制冷机优化方法。