可能用于超导系统冷却的脉管制冷技术

脉管制冷机没有低温下的运动部件,具有布置方式灵活,便于实现紧凑结构,制造成本低等突出优点,因此在低振动、低电磁噪声(EMI)等高标准场合具有很高的应用价值.在多项国家自然科学基金及与德国吉森大学、日本大阪市立大学等单位开展广泛国际合作的基础上,浙江大学制冷与低温研究所深入进行了脉管制冷机的研究与应用工作.在单级脉管制冷机方面,目前获得的最低制冷温度为14.7K,这是目前G-M型单级脉管制冷机的最低温度纪录.该制冷机在20K和80K分别具有10W和100W制冷量,可望在超导磁体冷却等方面获得应用.在多级脉管制冷机方面,目前最低制冷温度达2.17K,在4.2K获得的最大制冷量为960mW,制冷效率达1.50×10-4;最高制冷效率为1.58×10-4,优于同类国外产品达20%.该制冷机已在德国应用于超导Josephson效应1V及10V电压标准的冷却获得成功.此外,还开展了采用混合工质的脉管制冷机研究工作,力图在4K,20K及80K温区获得更高的制冷效率并已取得重要进展.     

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。     

液氦温区脉管制冷的实验研究

本文研制了一台可以用于低温超导磁体冷却的液氦温区分离型二级脉管制冷机.单独测试第一级最低达到了13.8K,是单级脉管制冷机最低制冷温度新纪录;在40K温度下具有55.9W制冷量,可望在高温超导磁体冷却方面获得广泛应用.使用单压缩机单旋转阀驱动二级脉管,二级最低温度达到了2.6K,在4.2K下有590mW制冷量,同时一级在36.7K有15W的制冷量,满足小型低温超导磁体冷却的要求.     

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。     

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.     

6W@60K脉管制冷机的优化及实验研究

设计制作了一台6W@60K同轴型脉管制冷机,用于冷却一碲镉汞红外探测器。通过脉管制冷机结构特点的分析及系统阻抗特性的研究,给出压缩机内部气体阻抗实虚部与PV功转换效率之间的变化规律,从而为设计出高效的脉管制冷机提供有益指导。完成了该脉管制冷机的设计、制作及性能测试工作。实验表明该制冷机在150 W电功输入下可获得低于40 K最低温度,195 W电功输入下60 K可获得6 W制冷量,比卡诺效率为12%。     

液氦温区脉管制冷的实验研究

本文研制了一台可以用于低温超导磁体冷却的液氦温区分离型二级脉管制冷机．单独测试第一级最低达到了13．8K，是单级脉管制冷机最低制冷温度新纪录；在40K温度下具有55．9W制冷量，可望在高温超导磁体冷却方面获得广泛应用．使用单压缩机单旋转阀驱动二级脉管，二级最低温度达到了2．6K，在4．2K下有590mW制冷量，同时一级在36．7K有15W的制冷量，满足小型低温超导磁体冷却的要求．     

并联双阀双向进气单级脉管制冷机研究

并联双阀双向进气模式是采用了两个并联排列、箭头指示方向相反的阀门来替代单一阀门的双向进气模式,可对脉管制冷中的直流进行有效控制,是使脉管制冷机单级情况下达到低于20 K温区的有效手段。本文介绍了一台自行研制的采用并联双阀双向进气模式的单级脉管制冷机,该制冷机在6 kw压缩机的驱动下可获得19．6 K的无负荷制冷温度, 在39．2 K时有20．1 W的制冷量,同时给出了并联双阀和频率等参数对脉管制冷机性能的影响。     

单级斯特林型脉管制冷机的能量流分析

斯特林型脉管制冷机结构紧凑、可靠性和效率高,具有广阔的应用前景.为了开展脉管制冷机的工作机理研究,本文进行热力学模拟计算,研制了一台单级斯特林型脉管制冷机.当输入300 W电功时,获得了35.1 K的无负荷温度,在77.0 K提供9.0 W的制冷量,达到了设计目标.结合本文实例,开展了脉管制冷机内部能量流分析,定量给出...     

100Hz级脉冲管制冷机整机特性研究

脉冲管制冷机在更高频率下操作有利于系统体积的减小,同时也提高了能量的密度。本文首先介绍了直线压缩机驱动直线型脉冲管制冷机的整机计算模型,对于惯性管进行了湍流修正后的阻抗相位分析,结果表明频率越高,湍流影响越小。在100Hz下,整机取得了12．4W的制冷量,冷头温度到达31．8K,整机相对卡诺效率18．4％,已经十分接近...     

高效脉冲管制冷机性能及冷头方向性影响研究

本文介绍了一套高频同轴脉冲制冷机在低功率输入条件下的性能特性,研究了减弱冷头方向性影响的方法.该制冷机采用中科院理化所自制的2 cc线性压缩机驱动,输入功率30 W,冷头垂直向下放置时,冷头的无负荷最低温度为58.9 K,在80 K可提供0.7 W的制冷量.     

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.     

热耦合型二级高频脉冲管制冷机实验研究

降低制冷温度至4 K温区是高频脉冲管制冷机的最新发展要求。本文介绍了一套热耦合型二级高频脉冲管制冷机的性能特性,它可以达到低于15 K以下的最低温度,是目前报道的高频二级脉冲管制冷机能获得的最低温度．通过对制冷机一级预冷、二级输入功率、二级冷量、室温条件等影响的分析,从实验角度揭示了该二级制冷系统的复杂影响,为进一步的深入分析和改进提供了基础。     

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。     

40～80 K温区高频脉冲管制冷机的实验研究

随着高频脉冲管制冷机性能的不断改善,特别是在红外和超导应用方面已进入实用化阶段,需要对蓄冷器和压缩机作进一步研究,探索高频脉冲管制冷机的工作机理,优化制冷机的整机设计.本文介绍了一台斯特林型高频单级脉冲管制冷机,经过优化设计,最低制冷温度达到了33 K,在40 K有420 mW的制冷量,当输入电功率为200 W时,在80K有4.5 W的制冷量.文中针对压缩机效率在40～80 K温区随工作频率变化的曲线关系,指出了制冷机和压缩机的耦合问题是研究脉冲管制冷机的重点与难点.并分析了制冷机内部各种阻力损失和热损失随压缩机运行频率变化的原因.     

高效同轴脉冲管制冷机性能的实验研究

同轴式脉冲管制冷机具有结构紧凑、与器件耦合简单的优点,在实际应用中得到了越来越广泛的采用.本文对一台经理论优化设计的高频同轴脉冲管制冷机进行了实验研究,采用自制的直线压缩机驱动,惯性管/气库作为调相机构,在输入电功150 W、冷端温度为77 K时得到了9.86 W的制冷量,相对卡诺效率达到18.4%,这是目前同轴脉冲管...     

改进冷端换热器的大功率脉冲管制冷机

依据热力学非对称理论对脉冲管制冷机冷端的热力学过程进行分析 ,对脉冲管制冷机制冷功率的提高提出了改进方案 ,搭建了单级低频大功率脉冲管制冷机的实验台 ,在实验中首次采用新型的填料烧结型换热器作为脉冲管的冷头 ,对这种换热器的效率在不同实验条件下进行了计算 ,并通过实验验证了这种新型换热器在脉冲管制冷机中应用的可行性。实验表明 :改进冷端换热器是提高脉冲管制冷机制冷效率的关键问题。在使用烧结换热器的单级脉冲管制冷机实验台上 ,采用输出功率 3k W的压缩机在 80 K时得到了 35W的制冷量 ,在效率上属国内领先水平。