液氦温区VM-PT制冷机的数值计算研究

本文对液氦温区Vuilleumier耦合脉冲管(VM-PT)制冷机进行了数值计算研究。为了减小来自室温的漏热,将气库置于一级冷头之上。采用SAGE软件建立了数值计算模型,以无负荷制冷温度为目标函数对制冷机运行参数进行了优化。为了进一步了解制冷机的工作原理,研究了脉冲管制冷机内焓流、声功、熵流、压力波、体积流率及温度的沿程分布,并对其相位关系和可用能损失进行了分析。计算结果表明,该制冷机可在平均压力0.9 MPa、压比1.61、运行频率0.8Hz时得到3.69 K的无负荷制冷温度,在4.2 K时可提供16.24 mW制冷量。     

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.     

新型复合室温磁制冷机实验性能研究

建立了一台新型旋转永磁体复合室温磁制冷机。通过实验,系统研究交变流动工质的系统工作频率和系统压力对磁制冷机性能的影响,并分析讨论实验结果。以氦气为换热流体工质,钆为磁性材料工质,在优化系统频率和系统压力条件下,磁制冷机获得了-7.7℃的最低无负荷制冷温度,以及10 K温差下50.5 W的最大制冷量。     

液氮温区高频热驱动脉冲管制冷机实验研究

优化设计并研制了一小冷量液氮温区高频热驱动脉冲管制冷机,系统轴向长度仅为1.2 m.针对之前系统热效率较低问题,在数值计算的指导下,对高频驻波热声发动机的板叠流道尺寸和热腔进行了优化,并对声压放大器进行了调整.采用4.0 MPa氦气为工质,在发动机端加入750 W加热量获得了68.3 K的最低制冷温度,这是目前国际上报道的高频热驱动脉冲管制冷机的最低制冷温度.加入500 W加热量时,制冷机获得了76.9 K的无负荷最低制冷温度,在80 K时有0.2 W的制冷量.     

CFETR 25kW 4.5K氦制冷机RAMI初步分析

对25kW/4.5K氦制冷机进行了可靠性、可用性、可维修性和可监测性(RAMI)分析，建立了其可靠性框图，计算并评估了系统的可靠性和可用性。同时，通过故障、影响和危害分析指出了氦制冷机的故障模式，并提出了缓解和维护措施。     

μ介子转化电子装置超导磁体低温系统(英文)

μ介子转化为电子的试验装置(MECO)将安装在美国布鲁克海文国家实验室的交变磁场梯度同步加速器中。一台4.5K千瓦制冷量的氦制冷设备将为MECO试验中的四个大型的超导螺线管磁体提供冷量,针对MECO中超导磁体的性能特点及要求,主要讨论了该低温系统中每个超导磁体的冷却方法以及相应氦制冷机的流程设计方案。     

10kW@20K氦制冷机故障树模型及可靠性分析

研制了一台10k W@20K氦制冷机。为评估该制冷机的可靠性,建立了10k W@20K氦制冷机的故障树模型。收集了国内相似制冷机用户的低温设备失效数据,利用寿命数据软件Weibull拟合了失效数据分布,利用可靠性分析软件Block Sim计算了故障树的顶事件发生概率。通过故障树底事件概率重要度分析,得出主要影响10k W@20K氦制冷机长期可靠性的关键设备是压缩机,透平等设备,并提出了提高氦制冷机可靠性的改进措施。     

熵产最小化理论在传热和热功转换优化中的应用探讨

针对传热和热功转换系统的优化设计,分析了熵产最小化理论的优化方向和适用条件.熵产直接度量系统可用能或做功能力的损失,因此熵产最小化理论的优化方向为将系统可用能或做功能力的损失降到最低,从而使系统保有最大的做功能力.然而,在工程应用中,设计目标各有不同.因此,并非所有设计目标均能与熵产最小化的设计方向一致,这就使得熵产最小化并不总是与优化目标相关联.针对传热速率、输出功率等可与熵产建立关联的优化目标,讨论了熵产最小化理论的适用条件.当这些条件不能得到满足时,最小熵产并不一定对应最优性能.对一维传热过程、换热器等传热系统和以输出功率、热功转换效率、热经济性能等为优化目标的热功转换过程进行了分析,结果验证了理论分析所得的结论.     

液氮温区高效脉冲管制冷机的特性研究

本文介绍了由线性压缩机驱动直线型脉冲管制冷机的最新研究结果。根据压缩机参数,依靠线性热声计算程序,优化出10 W级直线型脉冲管制冷机,并使得制冷机入口阻抗能够与压缩机匹配。实验结果表明,由于制冷机与压缩机之间耦合较好,压缩机在达到较好的声电效率的同时,制冷机也拥有较高的相对卡诺效率。其中最好的结果为在输入电功为127 W、制冷温度为77 K的情况下获得了9.4 W的制冷量,整机相对卡诺效率达到了19.8%。文中给出了不同压力、不同调相机构下的压缩机及制冷机特性并对结果进行了分析。     

130W/70K大冷量单级G-M制冷机的性能研究

为满足高温超导等工程应用项目的大冷量需求,对130W/70K大冷量单级G-M制冷机系统进行了结构设计、理论计算和制冷性能测试,测得其制冷性能为最低温度18.1K,制冷量131.2W/70K。由于回热器性能优劣对制冷机性能有所影响,通过回热器不同填料方式对制冷机性能进行测试,结果表明,相比于采用单一磷青铜网填料的制冷机,采用磷青铜网和铅球作为复合蓄冷材料可以提高制冷机的制冷性能。     

百赫兹气动斯特林制冷机实验研究

提高运行频率可以增大功率密度,从而在维持效率一定的情况下有效减小制冷机的体积和重量.本文针对一台工作在100 Hz以上频率的气动斯特林制冷机开展了实验研究.实验表明,在一台商用线性压缩机驱动下,该制冷机可获得77.1 K的最低无负荷制冷温度,当工作在105 Hz,充气压力2.50 MPa时,可在100.0 K提供0.52 W制冷量.     

热声制冷的实验研究

自行研制了热声驱动脉管制冷机实验台,着重研究了加热温度、平均工作压力、小孔开度、工质各类等因素对脉管制冷机性能的影响。初步实验表明,以氮、氦及氦和氩混合物（氦占94％）作工质,分别获得了234.5K、179K及165K的无负荷制冷温度,此外,本文还指出了进一步改进方向,具有一定参考价值。     

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%。     

脉管制冷法的重要改进——双向进气可逆脉管的理论分析与实验验证

一、前言 脉管制冷机具有结构简单、可靠性高等优点,作为高技术领域中光电传感器的冷源特别有吸引力。美国Gifford教授最早提出的基本型脉管制冷法,其单级制冷温度只达到124K。1983年,苏联Mikulin教授提出了小孔型脉管制冷法(参见图1实线部分),大大提高了制冷机的制冷能力。遗憾的是,小孔脉管制冷机中由于小孔和气库的加入,增加了一个不可逆损失源。文献[3]指出:对于一个效率为75％的压缩机来说,小孔脉管制冷机的比功率在80K时,约为100W/W,远大于同样情况下的斯特林制冷机,其比功率约为40W/W。所以提高脉管制冷机的效率是一个急待解决的问题。     

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.     

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。     

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。     

上海光源超导波荡器降温特性实验研究

为解决超导波荡器磁体采用G-M制冷机传导冷却温度不均匀的问题,采用以G-M制冷机为冷源、将氦为传热工质冷却超导波荡器。通过采用两台E415制冷机预冷氦气并积液冷却磁体的方式,将氦槽内压力调节至1.6 bar—1.9 bar的工况下,可在制冷机开启55 h后将磁体从室温冷却至4.5 K,在75 h后在氦槽内完成积液50%的目标,并在87 h后将磁体冷却至3.8 K下稳定,磁体与冷头的温差约0.3 K,验证了系统利用氦气冷凝积液作为传热工质并冷却超导波荡器磁体的功能。     

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。     

上海光源超导波荡器降温特性实验研究

为解决超导波荡器磁体采用G-M制冷机传导冷却温度不均匀的问题,采用以G-M制冷机为冷源、将氦为传热工质冷却超导波荡器。通过采用两台E415制冷机预冷氦气并积液冷却磁体的方式,将氦槽内压力调节至1.6 bar—1.9 bar的工况下,可在制冷机开启55 h后将磁体从室温冷却至4.5 K,在75 h后在氦槽内完成积液50%的目标,并在87 h后将磁体冷却至3.8 K下稳定,磁体与冷头的温差约0.3 K,验证了系统利用氦气冷凝积液作为传热工质并冷却超导波荡器磁体的功能。