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小型低温制冷机是低温工程领域的一个重要的分支，其在红外探测、低温电子器件、超导磁体、低温冷凝真空泵等众多领域都发挥着重要的作用。脉冲管制冷机，作为小型低温制冷机领域的新晋成员，具有结构简单、可靠性高、寿命长、振动小等优势，逐渐成为了可以替代斯特林制冷机的新一代空间低温制冷机。随着空间技术的不断发展，空间、军事等领域对低温制冷机的制冷效率和结构紧凑性的要求均大大提高，尤其在空间液氮温区的大冷量制冷机领域，空间器件对低温冷量需求逐年攀升。但是，随着冷量的增加，脉冲管制冷机却面临着质量逐渐更加笨重的困境，而有限的空间载荷却是难以负担这种过重的制冷机。因此，亟需提高结构紧凑性，降低液氮温区大冷量脉冲管制冷机的体积和重量。
面对上述需求，本文采取了提高运行频率的手段来提高制冷机的比冷量，从而实现脉冲管制冷机的轻量化。由于制冷机的制冷效率与其运行频率密切相关，仅仅简单地提高制冷机的运行频率是行不通的。为了研制在高频下高效运行的制冷机，本文探究了制冷机运行频率与各个运行参数间的关系。首先，建立了基于热力学非对称理论的脉冲管制冷机局部部件的微元热力学模型，从热力学的角度分析了频率对整机影响的特性，论证了提频方法的正确性，并采用SAGE模拟模型，进一步对提频方法进行了验证。其次，建立了包含电-冷转化的整机模型，用来优化制冷机冷指与压缩机的匹配关系，以提高轻量化制冷机的运行效率。最后，基于理论的指导，本文设计加工并测试了大冷量和高频轻量化的脉冲管制冷机，并通过一系列的实验优化工作，初步实现了大冷量脉冲管制冷机的轻量化，为制冷机的轻量化研究奠定了一定的基础。
本文获得的研究成果如下:
1、脉冲管制冷机热力学过程及频率影响的理论分析研究。本文建立了包含蓄冷器、脉冲管及冷端换热器等部件的脉冲管制冷机的微元热力学模型，通过分析不同部件中的气体微元的热力学过程，阐述了各部件在制冷循环中的作用。同时，探究了制冷机中压力波与质量流相位产生的原因和相位差对微元泵热量大小及泵热方向的决定性作用。此外，着重分析了频率与脉冲管制冷机的相位差、充气压力、蓄冷器填料、制冷温区等参数的影响关系。并从热力学角度说明了采用适当的提频方式，能够保证制冷机冷量及效率基本不变的前提下，提高制冷机的比冷量，从而达到制冷机轻量化的目的。最后，采用商业软件SAGE建立了脉冲管制冷机的模型，从数值模型的角度，再次验证了提频方式的有效性。并预测了不同频率下大冷量脉冲管制冷机的轻量化程度，充分展示了高频化方式在大冷量脉冲管制冷机轻量化方面的巨大潜力。
2、电-冷转化的脉冲管制冷机整机模型分析。制冷机的轻量化不仅需要提高整机的运行频率，还需要维持制冷机较高的制冷效率。在高频轻量化制冷机领域，制冷机的冷指与压缩机的匹配关系对整机性能的影响尤为显著。为了优化冷指与压缩机的匹配关系，提高高频轻量化制冷机的整机效率，首先本文推导了一种基于冷指阻抗的脉冲管制冷机的整机解析模型，并且建立了一个包含压缩机电功转化模块的整机数值模型。随后，通过实验对两种模型进行了验证，结果表明数值模型具有更高的精度，且其在模拟方面具有更高的灵活度。
3、常规40Hz左右高效率大冷量脉冲管制冷机的研制。研制轻量化大冷量制冷机分为两个阶段，首先需要研制出常规40Hz左右的大冷量脉冲管制冷机，之后才能在此基础上采用高频化的方式对制冷机进行减重。在常规高效率大冷量脉冲管制冷机的研制过程中，通过一系列实验具体分析了蓄冷器长度、填料、充气压力、层流元件、热端散热等对制冷机性能的影响规律。首次成功研制了11W/80K的大冷量脉冲管制冷机，其输入电功率为250W。随后，采用整机的电-冷转化模型，以提高整机效率为目标，对该大冷量制冷机的冷指和压缩机分别进行了优化。并成功将11W级大冷量脉冲管制冷机的功耗降低36％左右，其在液氮温区的热力学完善度可达19.1％，整机效率已达到国际先进水平。
4、液氮温区10W级轻量化脉冲管制冷机的研制。在成功研制出常规40Hz左右的大冷量脉冲管制冷机的基础之上，开展了液氮温区10W级制冷机的轻量化研究。首先通过模拟对制冷机的主要结构参数进行了计算，并论述了频率与各参数间的影响机理。通过实验验证了蓄冷器尺寸与频率间的密切关系，并对比了轻量化制冷机的各主要参数对制冷机影响规律与常规大冷量制冷机的异同。经过以上优化，初步得到了一台11W/80K的轻量化脉冲管制冷机，其运行频率为85Hz，整机质量约为6kg。与同冷量的常规制冷机相比，整机质量减重达40％。考虑到整机效率不佳的问题，通过整机电-冷转化模型，对该轻量化制冷机也进行了匹配关系的优化工作。随后通过优化冷指，成功将其制冷效率提升了15％左右，其在200W输入电功率下，也可以获得9.2W/80K的冷量。此外，将该轻量化冷指与高频压缩机匹配时，制冷机的比冷量再次得到大幅提升。整机质量仅为2.3kg，却可以提供6W/80K的冷量，比冷量高达2.3W/kg。
面对上述需求，本文采取了提高运行频率的手段来提高制冷机的比冷量，从而实现脉冲管制冷机的轻量化。由于制冷机的制冷效率与其运行频率密切相关，仅仅简单地提高制冷机的运行频率是行不通的。为了研制在高频下高效运行的制冷机，本文探究了制冷机运行频率与各个运行参数间的关系。首先，建立了基于热力学非对称理论的脉冲管制冷机局部部件的微元热力学模型，从热力学的角度分析了频率对整机影响的特性，论证了提频方法的正确性，并采用SAGE模拟模型，进一步对提频方法进行了验证。其次，建立了包含电-冷转化的整机模型，用来优化制冷机冷指与压缩机的匹配关系，以提高轻量化制冷机的运行效率。最后，基于理论的指导，本文设计加工并测试了大冷量和高频轻量化的脉冲管制冷机，并通过一系列的实验优化工作，初步实现了大冷量脉冲管制冷机的轻量化，为制冷机的轻量化研究奠定了一定的基础。
本文获得的研究成果如下:
1、脉冲管制冷机热力学过程及频率影响的理论分析研究。本文建立了包含蓄冷器、脉冲管及冷端换热器等部件的脉冲管制冷机的微元热力学模型，通过分析不同部件中的气体微元的热力学过程，阐述了各部件在制冷循环中的作用。同时，探究了制冷机中压力波与质量流相位产生的原因和相位差对微元泵热量大小及泵热方向的决定性作用。此外，着重分析了频率与脉冲管制冷机的相位差、充气压力、蓄冷器填料、制冷温区等参数的影响关系。并从热力学角度说明了采用适当的提频方式，能够保证制冷机冷量及效率基本不变的前提下，提高制冷机的比冷量，从而达到制冷机轻量化的目的。最后，采用商业软件SAGE建立了脉冲管制冷机的模型，从数值模型的角度，再次验证了提频方式的有效性。并预测了不同频率下大冷量脉冲管制冷机的轻量化程度，充分展示了高频化方式在大冷量脉冲管制冷机轻量化方面的巨大潜力。
2、电-冷转化的脉冲管制冷机整机模型分析。制冷机的轻量化不仅需要提高整机的运行频率，还需要维持制冷机较高的制冷效率。在高频轻量化制冷机领域，制冷机的冷指与压缩机的匹配关系对整机性能的影响尤为显著。为了优化冷指与压缩机的匹配关系，提高高频轻量化制冷机的整机效率，首先本文推导了一种基于冷指阻抗的脉冲管制冷机的整机解析模型，并且建立了一个包含压缩机电功转化模块的整机数值模型。随后，通过实验对两种模型进行了验证，结果表明数值模型具有更高的精度，且其在模拟方面具有更高的灵活度。
3、常规40Hz左右高效率大冷量脉冲管制冷机的研制。研制轻量化大冷量制冷机分为两个阶段，首先需要研制出常规40Hz左右的大冷量脉冲管制冷机，之后才能在此基础上采用高频化的方式对制冷机进行减重。在常规高效率大冷量脉冲管制冷机的研制过程中，通过一系列实验具体分析了蓄冷器长度、填料、充气压力、层流元件、热端散热等对制冷机性能的影响规律。首次成功研制了11W/80K的大冷量脉冲管制冷机，其输入电功率为250W。随后，采用整机的电-冷转化模型，以提高整机效率为目标，对该大冷量制冷机的冷指和压缩机分别进行了优化。并成功将11W级大冷量脉冲管制冷机的功耗降低36％左右，其在液氮温区的热力学完善度可达19.1％，整机效率已达到国际先进水平。
4、液氮温区10W级轻量化脉冲管制冷机的研制。在成功研制出常规40Hz左右的大冷量脉冲管制冷机的基础之上，开展了液氮温区10W级制冷机的轻量化研究。首先通过模拟对制冷机的主要结构参数进行了计算，并论述了频率与各参数间的影响机理。通过实验验证了蓄冷器尺寸与频率间的密切关系，并对比了轻量化制冷机的各主要参数对制冷机影响规律与常规大冷量制冷机的异同。经过以上优化，初步得到了一台11W/80K的轻量化脉冲管制冷机，其运行频率为85Hz，整机质量约为6kg。与同冷量的常规制冷机相比，整机质量减重达40％。考虑到整机效率不佳的问题，通过整机电-冷转化模型，对该轻量化制冷机也进行了匹配关系的优化工作。随后通过优化冷指，成功将其制冷效率提升了15％左右，其在200W输入电功率下，也可以获得9.2W/80K的冷量。此外，将该轻量化冷指与高频压缩机匹配时，制冷机的比冷量再次得到大幅提升。整机质量仅为2.3kg，却可以提供6W/80K的冷量，比冷量高达2.3W/kg。