脉冲管制冷机调相机构的研究 第二部分:惯性管有无气库的研究

基于线性热声理论,通过计算证明了在层流状态下,带气库的惯性管调相机构可以用不带气库的单纯惯性管结构取代,单纯的惯性管结构更加便于在实验中进行调节变化,并且在尺寸的选择上具有更大的灵活性。在一台脉冲管制冷机上分别采用单纯惯性管和带气库的惯性管作为调相机构获得了相同的温度。     

长颈管型脉冲管制冷机的频率特性

实验测量了小孔阀门、不同长度长颈管和变截面长颈管做调相机构的高频脉冲管制冷机的频率特性,通过冷端相位差和压力波幅值的变化分析了不同调相方式对制冷性能的影响规律,并在实际制冷机的降温实验中进行了验证.     

一种新结构U型脉冲管制冷机

在U型脉冲管制冷机结构基础上,研制了一台带有一个蓄冷器和两个相同脉管的新结构U型脉冲管制冷机,并进行了实验研究和分析。制冷机采用惯性管调相,在压缩机输入电功率80 W,运行频率52 Hz下,获得了120 K@6 W的制冷量。重点对两种惯性管调相方法进行研究和分析,得出了对新结构U型脉冲管制冷机调相有益的结论,并对惯性管调相过程中产生的直流现象进行了验证分析。     

脉冲管制冷机调相机构的研究 第三部分 惯性管调相能力的研究

惯性管作为脉冲管制冷机的主要调相机构,可以为制冷机获得合适的相位关系。但是有的制冷机仅仅使用惯性管作为调相机构,有的同时还采用双向进气作为调相机构,这引起了人们对二者使用的混乱认识。为了深入了解惯性管在脉冲管制冷机中的调相作用,对惯性管的调相能力进行了研究,发现惯性管并不能为所有的脉冲管制冷机实现所需的阻抗,因此双向进气模式在有的制冷机中仍然能够发挥积极的作用。     

单级高频脉冲管制冷机研究

采用单级高频脉冲管制冷机获得低于30 K的制冷温度是脉冲管应用的一个新方向.本文介绍了一套获得了26 K最低制冷温度的单级高频脉冲管制冷机,这是无多路旁通的单级高频脉冲管制冷机获得的最低温度.实验表明,即使对于惯性管作为主要调相结构的高频情况,双向进气方案在进一步调相和降低温度方面仍有很大作用.该工作为单级高频脉冲管制冷机在30～40 K温区的应用奠定了基础.该实验结果和模拟分析结果基本相符.通过和二级制冷机的比较说明了单级制冷机的优势,即较大的制冷量斜率.     

双向进气与惯性管功能的研究

基于线性热声理论,本文对斯特林型脉冲管制冷机的调相机构一双向进气和惯性管进行了系统的数值模拟,研究结果表明:在惯性管结构能够为脉冲管制冷机提供所需要的最佳阻抗时,双向进气模式不能提高脉冲管制冷机性能;但是因为惯性管调相能力有限,不能为小功率脉冲管制冷机提供所需要的最佳阻抗,此时双向进气仍然能够为提高脉冲管制冷机性能发挥积极的作用.另外,本文还总结了脉冲管制冷机调相机构实验中出现的现象,对其进行了理论解释,这也是对本文结论的有力佐证.     

惯性管在300 Hz脉冲管制冷机中的应用

300 Hz脉冲管制冷机与常用60 Hz以下的脉冲管制冷机有着不同的特性.本文采用惯性管作为调相器,对不同管径和长度的惯性管进行理论分析和实验研究,研究表明,惯性管的几何尺寸对300 Hz脉冲管制冷机的性能有很大的影响,惯性管处于最佳调相位置时,脉冲管热端和冷端的压力波与质量流之间的相位差分别在60°和30°左右.惯性管长度的变化对压缩机出口和脉冲管热端的压差也产生很大的影响.     

惯性管对热声驱动脉管制冷机性能的影响

为了考察惯性管对热声驱动脉管制冷性能的影响,利用驻波型热声驱动脉管制冷实验装置,开展了惯性管结构参数对系统性能影响的实验研究.实验中所采用的惯性管由直径分别为2 mm和4 mm的两段铜管串联而成,重点研究2 mm直径管段的长度对压比和制冷温度的影响.通过实验优化,当惯性管结构参数为内径2 mm的铜管长度2.5 m,内径4 mm的铜管3 m长时,在加热功率1.8 kW条件下,脉管制冷机的无负荷制冷温度达到63.0 K.     

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...     

压缩机背腔作为脉冲管制冷机气库的研究

脉冲管制冷机是一种重要的小型低温制冷机,通常高频脉冲管制冷机采用惯性管加气库的调相方式,然而较大的气库降低了系统的紧凑性。对于直线压缩机,其背腔也具有较大的体积,为提高系统的紧凑性,本文进行了使用压缩机背腔作为气库用于调相脉冲管制冷机的研究工作。研究结果表明采用这种方案的制冷机是可行的,当背腔体积足够大时,通过调整惯性...     

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。     

长颈管在微型脉冲管制冷机中的应用分析

长径管作为调相器应用于微型脉冲管制冷机系统时存在阻抗不匹配现象,即调相效果好时,往往脉冲管热端阻抗大小,从而使脉冲管中的压力波幅值小,蓄冷器中损失增大,制冷性能降低;用不同管径和长度的长径管作为调相器时,最低制冷温度产生在阻抗匹配区域或热端阻抗最大的区域;对于本实验中的微型脉冲管制冷机,以长颈管作为调相器时最低制冷温度为107.3 K,低于以单纯的小孔阀作为调相器时所获得的最低制冷温度,但还达不到双向进气的水平。     

2.2 W @ 80 K高效小型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,与器件耦合简单等优点,在低温超导以及航空航天领域得到了广泛的运用。通过提高制冷机的工作频率,可减小制冷机的体积与重量。本文介绍了一套高效小型同轴脉冲管制冷机,该制冷机整机重量为1.6 kg,冷指直径14 mm,长度45 mm。采用实验室研制的小型化直线压缩机驱动(1.2 kg),惯性管气库为调相机构,在输入电功45 W,冷端温度80 K,热端温度为300 K时,冷指可获得2.2 W的制冷量,相对卡诺效率13.4%。     

惯性管并联结构对脉管制冷机性能影响的数值研究

随着脉管制冷机制冷量的不断增大,对脉管热端散热也提出了更高的要求,为此,提出了一种利用并联惯性管替代次水冷器进行冷却的结构,并利用Delta EC软件对采用此种结构的脉管制冷机进行了数值模拟。针对两种不同尺寸的脉管制冷机,以相对卡诺循环效率作为参考进行计算,结果表明在大尺寸的脉管制冷机中,惯性管并联结构和一根惯性管结构可以使制冷机获得相同的制冷效果,为大功率脉管制冷机次热端散热提供了新的思路。     

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。     

带预冷的4K斯特林型脉管制冷机设计

本文提出了采用两级G-M型脉管制冷机预冷一台单级斯特林型脉管制冷机来研究液氦温区斯特林型脉管制冷机性能的实验方案.基于回热器数值模拟软件REGEN3.3,重点研究了液氦温区回热器长度、回热器填料、气体工质对回热器效率的影响.采用低温惯性管作为斯特林型脉管制冷机调相装置,在小声功系统中实现了理想相位关系的调节,有效提高小型斯特林型脉管制冷机的效率.     

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。     

超高频脉冲管制冷机研究

本文分析了超高频下脉冲管制冷机的两个特点,并在理论分析和计算的基础上,利用强波热声发动机作为驱动源,形成300 Hz的超高频条件,研制了一套两级的脉冲管制冷机,着重考察了调相结构(小孔气库和惯性管)对制冷机的影响.经初步优化,二级冷头温度在1000 W时达到了66.54 K,1200 W时达到了64.64 K.     

直流对室温排出器调相两级脉管制冷机的影响

脉管制冷机是小型低温制冷机中的研究热点, 调相机构对其制冷性能有重要影响. 室温排出器型调相机构既可以回收声功, 又能够增强调相能力, 逐渐受到了重视, 然而由于排出器活塞间隙的存在, 系统中形成了闭合气流环路, 带来Gedeon 声直流的影响. 本文基于阶梯室温排出器调相的液氢温区两级脉管制冷机, 考察直流量对于系统性能的影响. 模拟结果表明: 一定量的正向直流可提升20 K 制冷量高达80%以上; 然而排出器活塞间隙引入了负向直流, 增加活塞长度、减小活塞间隙, 可以一定程度抑制直流.     

0.2 W@20.6K单级高频脉冲管制冷机研究

本文介绍一台单级高频脉冲管制冷机的实验结果,研究了充气压力、运行频率、热端温度及冷头朝向等参数对制冷机性能的影响。该制冷机采用多路旁通方案、同轴结构,联合采用双向进气和惯性管气库进行调相。长颈管穿过压缩机内部后密封在气库里,气库、压缩机与脉冲管耦合成一体,结构紧凑。在充气压力1.7 MPa,输入电功260 W时,能够在20.6 K获得0.2 W,在24.1 K获得0.5 W的制冷量;在268 W输入电功,38 Hz运行频率条件F,无负荷最低温度18.6K是单级高频脉冲管制冷机在国际上首次获得的最低温度。