气体轴承斯特林制冷机研究进展

气体轴承斯特林制冷机是相同制冷量下体积最小、重量最轻、效率最高和可靠性最高的制冷机。为了满足高温超导器件等电子器件对斯特林制冷机需求,开展了10W@77K气体轴承斯特林制冷机的性能和环境适应性研究。在此基础上,设计制作了-100~-20℃温区、5W@77K和15W@77K气体轴承斯特林制冷机样机并进行了测试。10W@77K制冷机在输入功率为166.1W时达到10.55W@77K(热端温度30℃),制冷系数达到6.35%,通过了高低温贮存、高低温冲击、高低温工作以及机械振动、机械冲击等环境适应性实验。-100~-20℃温区制冷机在150W输入功率下获得38W@-80℃的制冷量,制冷系数为25.3%。15W@77K制冷机在输入功率为260W时获得了15.6W@77K的制冷量(热端温度35℃),制冷系数为6%。5W@77K制冷机在输入功率为90W时获得了5.1W@77K的制冷量(热端温度35℃),制冷系数为5.67%。该系列气体轴承斯特林制冷机的良好性能和环境适应性使得其可广泛应用于超导接收前端、斯特林低温冰箱和小型液氮系统等场合。     

高温超导用自由活塞斯特林制冷机理论研究

制冷机是制约高温超导器件的瓶颈.文中针对自由活塞式斯特林制冷机进行了理论研究,建立了自由活塞斯特林制冷机的热声模型,对充气压力、活塞的位移振幅、热端换热器温度和密封间隙进行了模拟.模拟结果显示,以最大制冷量为目标最佳充气压力为1.9MPa,增加活塞位移振幅、降低回热器热端温度以及减小密封间隙可提高制冷机的性能.     

斯特林制冷机直线电机磁性材料模拟分析与应用

直线电机磁性材料的选择对斯特林制冷机的性能具有重要影响。应用电机电磁场理论和有限元分析方法,建立动磁式直线电机的电磁场模型,基于Ansoft Maxwell软件对几种常用磁性材料的电磁场进行有限元分析,得到了相应的电磁推力和磁感应强度分布。经过分析比较,选择铷铁硼、铁钴钒和硅钢作为电机磁性材料,研制的斯特林制冷机应用于5L深冷冰箱,获得了-150℃的低温环境,对应温度的制冷量为7W。     

脉管制冷机室温换热器强化辐射换热研究

脉管制冷机是目前最常用的高效小型低温制冷机之一。相对于主动散热，采用被动散热的室温换热器具有可靠性高与使用便捷等优点。辐射换热强化是提高室温换热器性能的一种方法。本文选取了一种小型脉管制冷机，研究在其主肋片换热器表面涂覆高发射率涂层对整机散热性能的影响。在自然对流条件下实验，对比涂覆高发射率涂层前后制冷机的运行温度。结果表明，喷涂高发射率涂层后，制冷机电机温度基本不变，冷指下方的辅助肋片换热器温度下降了约1～2℃，而主肋片换热器温度下降了约3～4℃。通过理论推算得，改变发射率前后主肋片换热器的辐射换热占比从8.6%提升至29.7%。结果证明强化辐射换热降低了制冷机室温换热器的工作温度，是一种改善小型制冷机散热的可行方法。     

小型脉管式斯特林低温冰箱研制

利用成熟的真空绝热板与发泡材料复合的绝热技术制作冰箱保温箱体,采用脉管式斯特林制冷机作为冷源,研制出有效容积25L,工作温度可达-86℃以下的低温冰箱。脉管式斯特林制冷机与低温冰箱金属内胆直接相连进行换热。考察了低温冰箱的工作特性,为斯特林制冷机在商用制冷低温冰箱上的应用提供了借鉴。     

基于气体轴承斯特林制冷机的低温冰箱

基于斯特林制冷机的低温冰箱具有体积小、重量轻、便于携带运输的优点,同时可以实现+4~-80℃宽温区冷冻冷藏功能。为了提高降温速率,提升冰箱寿命,通过箱体绝热设计、制冷机冷量传输设计及箱内温度均匀性仿真分析等,设计并制作了一台基于2台气体轴承斯特林制冷机对置式布置的低温冰箱样机,搭建测试系统对其性能进行了初步测试。基于气体轴承斯特林制冷机的低温冰箱冷冻腔容积为27L,在不放置样品的情况下,冷冻腔能够在5h内降温至-80℃。     

威布尔分布对整体旋转式斯特林制冷机的可靠性计算

介绍了威布尔分布的计算过程,对Thales整体旋转式斯特林制冷机的可靠性试验数据进行了分析,比较了威布尔分布可靠性计算的数值解析法与图估法的计算结果,总结了Thales整体旋转式斯特林制冷机的可靠性计算过程和加速因子的确定,为国内同类产品可靠性试验方案和寿命计算方法提供借鉴.     

整体旋转式斯特林制冷机平衡块设计

为了减小整体旋转式斯特林制冷机运行过程中曲柄连杆机构产生的不平衡惯性力,建立了制冷机三维模型。对制冷机机构进行分析;运用CAE软件对制冷机工作时的运动进行动力学仿真。计算出制冷机运行过程中产生的不平衡力,通过设计优化平衡块的质量减小曲柄连杆运动过程中产生的不平衡惯性力,并为制冷机设计优化方法。     

基于力的多边形的分置式斯特林制冷机的动力分析

动力分析是斯特林制冷机动力设计与调试实践中的关键一环。本文利用力的多边形描述了分置式斯特林制冷机中压缩活塞和排出器振子的运动方程,并将分析结果与实验结果进行对比,分析和讨论了分置式斯特林制冷机中重要的运行参数(如工作频率、固有频率、弹簧刚度、冷头温度、压缩腔和膨胀腔的PV功等)之间的相互影响。     

5W@77K气体轴承斯特林制冷机研究

气体轴承斯特林制冷机是相同制冷量中体积最小、重量最轻、效率最高及寿命最长的制冷机。对于小型化的5W@77K型气体轴承斯特林制冷机,以其独特的优势,在高温超导、低温制冷与深空探测等领域,赢得了广泛的需求。因此,基于redich线性电机形式,运用气体轴承支撑技术和高效回热器技术,国内首次研制成功了小型化气体轴承斯特林制冷机,为我国的低温制冷领域的发展提供坚实的基础。     

谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统性能实验研究

本文提出了一种谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林系统,其主要部件有自由活塞斯特林发动机子系统、谐振电机以及自由活塞斯特林制冷机/热泵子系统。全文针对谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统分别开展了制冷/热泵子系统、发动机子系统制冷和热功转换特性的实验研究。电驱动制冷子系统实验结果表明,当平均充气压力为3.3 MPa,工作频率为60.0 Hz,水冷温度19℃时,实验系统制冷效果较为显著,输入电功130 W时无负荷的制冷温度可以达到-23.7℃。发动机子系统热驱动声功输出特性实验结果表明,系统充气压力的变化对于系统热驱动起振特性有着十分明显的影响。另外,当平均充气压力为2.9 MPa,水冷温度22℃,外接电阻1500 Ω时,系统的加热功率越高,系统的热功转换性能越好。本文所开展的谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统的实验研究对未来要进行的整机系统热驱动制冷实验奠定重要基础。     

斯特林制冷机A/D位数扩展与仿真分析

为解决斯特林制冷机温控系统中A/D转换器采样精度较低对斯特林制冷机控温稳定性的影响,本文基于A/D转换原理,结合斯特林制冷机实际测温特点,提出一种提高A/D转换器采样精度的位数扩展方法,并基于simulink/matlab软件搭建斯特林制冷机温控系统仿真模型验证该扩展方法的有效性。结果表明：通过使用电阻逼近扩展法扩展A/D转换器的位数之后,线性斯特林制冷机冷头的温度波动范围变小,温度稳定性得到提高,说明了该A/D扩展方法理论思路的有效性。     

空气与高温烧结水泥颗粒球间气固换热规律研究

本文对空气与高温烧结水泥颗粒的气固换热规律进行了非稳态实验研究和数值模拟。通过实验分析了空气速度、颗粒初始温度、颗粒大小对对流换热系数的影响,水泥颗粒直径为8.88 cm和5.94 cm,水泥颗粒初始温度约为500℃和700℃,空气速度范围1～4 m/s,得到了实验范围内空气绕流烧结水泥颗粒的对流换热经验关联式。结果表明:高温烧结水泥颗粒冷却过程中辐射换热热流密度与对流换热热流密度相当,不可忽略;实验所得准则数Nu_f与Re_d的指数关系为0.5。对直径为8.88 cm的水泥颗粒对应的试验工况进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果符合较好,误差在20%以内。     

-100℃温区微型斯特林制冷机的研究

为满足冷镜式露点仪对斯特林制冷机的需求,开展了-100℃温区斯特林制冷机的研究,采用Sage进行了整机热力学设计与优化,并建立曲柄连杆机构的动平衡模型,优化整机振动水平。样机含散热器总重为2.35 kg,输入电功率45 W时,最低制冷温度为-156℃,在室内环境23℃时获得1.8 W@-100℃的制冷量。18台样机用于可靠性和MTTF验证并顺利通过。     

线性压缩机与气动斯特林冷指效率匹配研究

为了解决制冷机实验中线性压缩机与冷指不匹配的问题,本文以热声学理论为基础,对线性压缩机与冷指的匹配规律探索研究。基于压缩活塞的运动控制微分方程、电机的电压平衡方程和整机的阻抗特性,研究压缩机电机效率和PV功转化效率的影响因素和提高方法。在匹配原理的指导下,对一台双磁钢动磁式线性压缩机驱动的气动分置式斯特林制冷机进行优化分析,优化后,制冷机获得6 W/80 K制冷性能所需的电功从163.5 W降低到86.8 W,压缩机的电机效率从68.6%提高到79.6%。     

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。     

20 K单级斯特林制冷机理论研究

为满足小型超导磁体等领域对20 K温区制冷机的需求,本文进行了20 K温区单级斯特林制冷机的理论研究,通过对20 K温区高频交变流动换热机理和材料的热容、热渗透深度的影响分析,明确了20 K温区对回热器的设计准则,通过建立整机的热力学模型进行计算,计算结果表明,在铅丝丝径为24μm时,斯特林制冷机可获得的制冷量为0.65 W@20 K、1.84 W@25 K、3.02 W@30 K、4.26 W@35 K、 5.48 W@40 K。满足设备对20 K温区单级斯特林制冷机的需求。     

含内热源可燃多孔介质热量传递及影响因素分析

本文模拟了自然对流及恒壁温边界条件下含内热源可燃填充床内最高温度随时间的变化;计算了侧面和端面取不同换热系数时填充床内的温度分布;分析了对流换热系数、堆积状态等对床内最高温度的影响。计算结果表明:各边界取不同换热系数时对最高温度的影响不大;在环境温度低于383．15 K,或壁面温度低于381．15 K的条件下,多孔床不会发生自燃。对流换热系数较大、堆积密度较小时多孔床也不易自燃。     

聚四氟乙烯基耐磨涂层在制冷机中的试验分析

通过在斯特林制冷机中的关键零部件活塞表面喷涂一定厚度的聚四氟乙烯基耐磨涂层,并对活塞喷涂件在斯特林制冷机中进行跑合试验,研究了耐磨涂层在斯特林制冷机中的应用情况,将经过跑合试验后的斯特林制冷机打开内部并观察各零部件的摩擦磨损情况,同时分析了耐磨涂层对斯特林制冷机的影响作用机理。结果表明:通过延长固化时间和升高固化温度可以有效解决涂层吸水性和收缩性的应用限制。     

空间用斯特林制冷机的过程控制

斯特林制冷机在空间探测中的应用越来越广泛,其驱动控制也至关重要.针对特定的斯特林制冷机,设计了以FPGA作为核心的控制系统,简单介绍了系统的硬件结构以及直线电机的正弦波驱动波形,详细讲解了制冷机的启动、降温、稳温等过程控制,重点论述了温度PlD算法实现的问题,通过跟踪制冷过程温度变化曲线,验证了控制模块的功能特性.