脉管制冷机回热器压力特性的实验研究

脉管制冷机回热器冷热端压比和压降的实验数据对回热器研究具有重要作用。为探究回热器冷热两端压比和压降的变化规律,基于实验室自制的直线型脉管制冷机的回热器冷热端压力特性测试平台,实验测量了回热器不同工况下的冷热端压比,分析了输入功对压力特性的影响,找出了频率、制冷温度对回热器压力特性的影响。实验结果表明:冷端压比实测值在1.11-1.14左右,输入功越大,冷热端压比越大;频率越大,冷端压比越大;冷端压比越高,制冷温度越低。     

60K斯特林制冷机回热器结构优化和试验研究

回热器作为回热式低温制冷机的核心部件,其效率的提升对低温制冷机具有重要意义。对研制的60K斯特林制冷机回热器进行优化设计和试验研究,获得了最佳回热器填料。通过对回热器冷端换热器结构的优化,讨论了其空隙率及局部损失对整机性能的影响,得到了冷端换热器的最佳空隙率,有效提高了制冷机的制冷量及其温度稳定性。在制冷机质量小于2.0kg以下,获得了1.8W/60K@23℃制冷性能。     

推移活塞脉管制冷机中温区性能的实验研究

推移活塞脉管制冷机是在脉管热端新增一个推移活塞作为调相机构,同时可以回收脉管内气体的膨胀功。通过实验方法,分析了定制冷量下,推移活塞脉管制冷机工作在中温区时,压缩机运行频率对冷头温度、相对卡诺效率等性能参数的影响,以及电机的性能特性。结果表明,在充气压力1.92MPa,运行频率54Hz,输入功224.5W,制冷量25.0W时,冷头温度在137.3K,制冷机的相对卡诺效率达到12.7%。     

液氦温区回热器高频损失特性研究

回热器是回热式低温制冷机的核心部件,如何有效地减小回热器中的损失是提高脉管制冷机性能的关键。在不同的温区以及不同工况下,回热器中的主导损失是不一样的。随着温度的不断下降(尤其是20 K温区以下),实际气体损失所占的比例越来越大。本文基于回热器数值模拟程序REGEN3.3着重研究了液氨温区回热器在高频下的各种损失特性,并指出了减小各种损失的方向。基于一台带预冷的4 K斯特林型脉管制冷机,开展了液氨温区高频脉管制冷机回热特性的实验研究。     

大冷量脉管制冷机回热器温度不均匀性的实验研究

本文对一台设计目标为液氮温区千瓦级冷量的脉管制冷机展开了实验研究。在回热器中填充纯不锈钢丝网时,观测到了巨大的温度不均匀现象,当入口压比为1.25时回热器中部最大温差高达163.3 K,并且回热器中的温度场难以发展稳定。在向回热器中填充了一定数量的紫铜丝网后,回热器内的温度不均匀现象得到了有效的抑制,制冷机的制冷量也有了明显的提升。最后通过对充气压力和工作频率的优化,在入口声功9.08 kW、制冷温度77 K时获得了647 W的制冷量。     

不同倾角的脉管制冷机内自然对流影响的研究

本文通过对脉管内自然对流的数值模拟，讨论了当脉管冷端处在不同方向时，脉管内的自然对流对脉管制冷机性能的影响．数值模拟结果表明，当冷端在下时获得的制冷温度最低；当热端在下并与重力方向成３０°时制冷温度最高．结论与实验测量结果定性一致．所做的理论分析对实现脉管制冷机的良好运行有指导意义。     

VM型脉冲管制冷机数值模拟与实验研究

本文介绍了由VM型热压缩机驱动的脉冲管制冷机基本结构、数值模拟与实验研究。热压缩机借鉴VM制冷机产生压力波动的方式,即依靠室温与冷源之间的温度差产生压力波动,驱动低温级脉冲管制冷机。利用液氮温区制冷机为热压缩机提供所需要的冷量,避免使用低温液体带来的不便。低温级脉冲管制冷机的回热器与脉管采用U型布置,调相机构采用小孔气库加双向进气方式。这种结构不使用有阀压缩机,可以产生低频压力波动,保证回热器在低温区高效工作。在原有结构的基础上,改造热压缩机回热器尺寸与填料,使用Sage软件进行了整机模拟,对调相机构进行优化,考察其在不同的运行频率、平均压力、排出器位移下的制冷性能。对改造后的脉冲管制冷机进行了初步的实验研究,获得14.4K无负荷制冷温度。     

高性能G-M型单级脉管制冷机直流抑制和制冷特性实验研究

本文开展了高性能G-M型单级脉管制冷机直流抑制和制冷特性实验研究.考察了直流流动对制冷机性能的影响,采用并联布置的双阀逆向型进气结构对直流进行抑制,成功地解决了脉管制冷机的直流问题;此外,深入研究了不同工作模式下,回热器填料布置方式对制冷特性的影响;估算了不同温度位下制冷循环的需气量,对不同压缩机输入功下的双向进气脉管制冷性能进行了研究,采用2kW(RW2)和4kW(CP4000)压缩机驱动时分别获得了18.4K和14.7K的最低制冷温度,在30K的相应制冷量分别为11.5W和29.5W.     

4K温区高频回热器级联温度研究

4K温区斯特林型脉管制冷机各级回热器的级联温度不仅决定最末级回热器的效率和性能,同时影响前几级回热器为最末级回热器提供的预冷量。本文基于一台采用两级G-M型脉管制冷机预冷的单级斯特林型脉管制冷机,开展了4 K温区斯特林型脉管制冷机回热器各级温位布置方式对4 K斯特林型脉管制冷机制冷性能以及第一级和第二级预冷量影响的理论及实验研究,为液氦温区完全斯特林型脉管制冷机的设计提供了重要的参考依据.     

脉管制冷机内流场与温度场的时空特性

为了进一步探究脉管制冷机内部流场与温度场的复杂时空特性,采用数值模拟方法,详细研究和分析了基本型、小孔型和双向进气型脉管制冷机的关键部件—回热器和脉管组件内流场与温度场的时空变化持性,得到了相应的时空分布图,有助于直观地理解回热器与脉管组件内热力参数的动态变化情况。与此同时,通过分析小孔阀和双向进气阀对脉管冷热端温度波动的影响规律,进一步指出:小孔阀和双向进气阀均会导致脉管冷热端的温度波动,且小孔阀造成的温度波动幅度要大于双向进气结构,因此,小孔阀是导致脉管冷热端温度不规则变化的主要因素。     

液氮温区混合回热器斯特林制冷机数值模拟研究

自由活塞斯特林制冷机具有温区广、制冷效率高、结构紧凑、振动小以及寿命长的特点。回热器作为制冷机的核心部件,决定着制冷机的性能。为了提高液氮温区斯特林制冷机的效率,本文提出采用卷绕聚酯酰胺(简称PI)薄膜和不锈钢丝网混合填充的回热器,并对该混合回热器进行了数值模拟研究。首先分析了液氮温区混合回热器的填充参数,接着设计制冷机的尺寸参数并建立制冷机整机的数值模型,最终揭示回热器长度、两种填料填充比以及相位特性对混合回热器制冷性能的影响,并将混合回热器与单一填料回热器进行对比。结果表明,混合回热器在液氮温区具有明显优势,在混合回热器长度为8 cm、卷绕PI薄膜和不锈钢丝网混合填充比例为7:1、排出活塞领先动力活塞60°时获得最佳制冷性能。室温300 K、输入声功为451 W,在77 K获到58.1 W的制冷量,声功计的相对卡诺效率为37.26%,比单一填充卷绕PI薄膜和层叠不锈钢丝网的回热器分别高了6.26%和17.33%。     

可达5K以下的三级斯特林型脉管制冷机性能研究

针对当前低温超导电子、军事及空间探测等对液氦温区紧凑、长寿命、高可靠性制冷技术的需求,设计并研制了一台三级斯特林型脉管制冷机。讨论了制冷机第三级的回热器、脉管、调相机构等相关参数的设计,着重分析了液氦温区回热器长度与温度分布的特殊关系。实验中以He-4为工质,第三级在充压0.91 MPa,频率29.9 Hz,输入电功率100 W的工况下获得了4.97 K的最低无负荷温度,有制冷量25 mW@6 K。该结果首次证明了采用He-4为工质、以三级结构的斯特林脉管制冷机实现液氦温区制冷的可行性。     

惯性项对回热器交变流动阻力特性影响分析

基于流体动量方程从机理上分析了交变流动和稳定流动存在差别的根本原因。以动态参数测量为基础,在运行频率30～60 Hz,最大热端压比1.3,充气压力1.0～3.0 MPa,等温条件下,首次定量化研究了惯性项对小管径(φ8 mm)、高目数丝网(300～500目)填充回热器交变流动阻力特性的影响。综合频率和压比对交变流动回热器阻力特性的影响,可以得出结论:在本实验条件下,回热器交变流动系统中的惯性力与压力相比始终是个小量,从流动角度来说,可以对回热器中气体交变流动作准稳态处理。     

低于13K的单级脉管制冷机性能研究

回热器是脉管制冷机的关键部件之一,其效率对脉管制冷机性能有很大影响。铅丸是常见的蓄冷材料,通常用于回热器的低温端。本文测试和分析了不同品质的国产铅丸和进口铅丸对单级G-M型脉管制冷机性能的影响。采用额定功率为6．0 kW的压缩机驱动,使用进口铅丸脉管制冷机最低制冷温度达12．9 K,这是当前单级脉管制冷机达到的最低制冷温度;40 K时的最大制冷量为57．4 W。使用国产铅丸最低制冷温度为13．6 K,40 K时的最大制冷量为55．9 W。本文对低温制冷机蓄冷材料选择具有一定的参考价值。     

液氢温区两级同轴型脉管制冷机

液氢温区的低温制冷机在军事技术、红外探测、低温超导等应用领域具有广泛的应用前景。本文设计并且研制了一台两级气耦合斯特林型脉管制冷机,采用两级同轴结构,大大提高了系统的紧凑性。采用惯性管加气库作为调相机构,同时为了提高制冷性能,添加了双向进气调节。实验结果显示,系统的无负荷温度为13.4 K,在20 K可以提供1.1 W的制冷量,此时系统输入声功为390 W,输入电功575。同时对回热器填料以及系统运行参数频率和平均压力进行了实验研究。     

声功回收级联型脉管制冷机实验研究

在原有单级脉管制冷机的基础上,设计并研制了一台声功回收级联型脉管制冷机.实验结果表明,在输入电功为500 W时,无负荷制冷温度为主级123.3 K,辅级131.0 K,主级制冷量为143.7 W@233.0 K,辅级制冷量为62.9W@233.0 K,其总和206.6 W@233.0 K,高于相同输入功时单级脉管制冷机的理论模拟值189.6 W@233 K,验证了声功回收方案的可行性,不仅是对回热式低温制冷法在普冷温区实践的一次有益探索,而且为更低温度大制冷量脉管制冷机声功的回收奠定了基础.     

单级大功率斯特林型脉管制冷机模拟与实验研究

为了研究大功率斯特林型脉管制冷机中存在的流动的不均匀性、回热器和脉管内的温度不均匀性、制冷机与压缩机的阻抗匹配等问题,本文基于模拟软件Sage设计制造了一台单级大功率斯特林型脉管制冷机并对其进行了初步试验研究。在60 Hz工作频率,充气压力为1.9 MPa时,800 W输入功率下达到最低无负荷制冷温度56.9 K;充气压力为2.0MPa,输入功率为4 kW时制冷量为41.2 W@77 K,与理论模拟结果存在较大差距。实验发现回热器存在严重的温度不均匀性,中部最大温差高达120 K。     

冷头结构对100Hz脉管制冷机性能影响研究

提高脉管制冷机的制冷性能是其研究的一个重要目标,除了回热器和调相机构,换热器也是其中重要的部件,特别是冷端换热器,对其制冷性能有着很大的影响。基于100 Hz直线型脉管制冷机,本文对冷端换热器的长度和气体间隙进行了模拟和实验研究。在本研究中发现,当冷端换热器长度在其气体波动幅值附近时,系统性能最佳;在保持换热面积相同时,适当增大气体间隙,有利于提高制冷性能。     

交变流动下丝网回热器中压降特性的数值分析

本文建立了低温制冷机回热器的多孔介质模型,推导出丝网型多孔介质中渗透率和惯性项系数的表达式,该式考虑了回热器的结构尺寸、交变流动及频率、大温差等的影响.在此基础上,通过数值方法研究了交变流动中不同工作频率下的回热器的压降特性,结果表明,回热器两端压降幅值与系统工作频率基本成线性关系;回热器中大温差引起的气体物性变化在交变流动阻力计算中不容忽视,考虑温差影响时计算的压降幅值与实验符合较好,而忽略温差影响时最大偏差达20%以上.     

脉管制冷机中复杂DC流的影响机理

为了进一步研究系统非对称性对DC流现象和脉管制冷机中直流分量对制冷性能的影响,采用数值模拟方法,引入了描述系统阻力元件的非对称性的几何参数—不对称率,详细研究了系统不对称性对脉管制冷机DC流、制冷性能的影响规律,并且在分析和比较不同流向和幅值大小的条件下,详细研究了DC流的流向和幅值对脉管制冷机的关键部件脉管和回热器的壁面温度分布特性的影响规律。数值验证了将壁面温度分布作为描述脉管制冷机中DC流的流动方向和大小的判定准则的正确性,且回热器和脉管的壁面温度分布的非线性越强烈,预示着系统内DC流的流向和幅值越大,对制冷性能的影响越剧烈,并间接指出系统热力不对称性是造成DC流的主要原因,为进一步发现和抑制直流现象提供了可靠的理论依据。