温度回路-小孔脉管制冷中的新现象

一台可工作在双向进气模式和小孔模式下的单级脉管制冷机,当双向进气方式采用并联双阀双向进气时,最低制冷温度为19.3K,50K以下的制冷量变化约为2W/K;当双向进气阀门关闭时,制冷机就工作在小孔模式下,最近的研究工作发现,当制冷机工作在小孔模式下时出现了一个新的现象-脉管冷端温度存在温度回路,该特点与脉管冷端的热负荷及小孔开度的调节方法有关,该现象的发现对于理解双向进气模式下温度不稳定问题提供了一个新的思路。     

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。     

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.     

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。     

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%。     

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。     

20K-40K温区大功率单级脉管制冷机研究

脉管制冷机没有低温下的运动部件,具有运行可靠、低振动、低磁噪声以及长寿命等显著优点,可望在空间技术、超导、低温电子等领域获得广泛应用.文中介绍自行研制的一台20K-40K温区大功率单级脉管制冷机.初步实验结果表明,该制冷机的最低制冷温度为15.4K,在20K、30K和40K的制冷量分别达到6.1W,21.3W和37.3W.该制冷机为进一步的超导应用奠定了良好基础.     

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%。     

79.7 K驻波型热声驱动脉管制冷机

根据声学原理,把一根大约四分之一波长长度的管子接到一台驻波型热声发动机和一个脉管制冷机之间,能把制冷机入口的压比和压力振幅放大,使脉管制冷机的最低制冷温度降到79.7 K。     

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.     

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。     

双向进气脉管制冷过程的实验研究

一、本文的目的 脉管制冷法发明于六十年代,称为基本脉管。七十年代末出现了改进型,称为小孔脉管,后来又经不断改进,制冷温度达到实用要求,从而把这种新颖的制冷方法推进到实甩化的研究阶段,引起高技术和军工部门的很大兴趣。1989年西安交大热工教研室脉管研究组进一步提出了双向进气脉管制冷方案,并获得专利。试验表明,双向进气小孔脉管比之当今国内外常规的单向进气小孔脉管可以达到更低的制冷温度,而且方法简便可行。然而,脉管制冷内部过程复杂,详尽的理论和试验工作尚很缺乏。本文的目的是由实验探索阀门开度、脉动频率、充气压力等对脉管内部压力波形的调相调幅作用。因为文献[1]已分析表明,脉管内部动态参数幅值和相位的变化对其制冷过程有着直接的影响。     

脉管制冷机整机的数值优化分析

在1-2混合模型的基础上,对小孔型和双向进气型脉管制冷机的性能及其内部流场的演化过程进行了数值分析.结果发现,膨胀过程中脉管内会出现气体分流现象,而压缩过程中脉管内会出现气体集合现象,分流界面和集合界面的速度均为零,统称为零界面;在一个周期内,零界面会从脉管一端向另一端移动,称其为零界面效应.零界面效应是制冷机性能提高的重要因素,一个周期内零界面存在的时间越长,制冷机性能越好.在模拟结果的基础上,对零界面效应存在的原因进行了机理性分析,发现小孔阀的引入是脉管中产生零界面的原因,而双向进气阀的引入可以进一步强化零界面效应.小孔型脉管制冷机中零界面存在的时间约为1/6周期,双向进气型脉管制冷机中零界面存在的时间约为1/2周期.     

低于氮临界点温度工作的热声驱动脉管制冷机研究

采用热声发动机驱动的脉管制冷系统,消除了系统中的机械运动部件,具有结构简单、运行可靠和环境友好等优点。文中基于Regen 3.2软件,设计并制作了一台采用热声驱动的单级脉管制冷机。该制冷机采用双向进气结构,脉管和回热器为U型布置。初步实验研究中,以氮气为工质,该脉管制冷机获得了117.5K的最低制冷温度,低于氦的临界点温度126.19K;以氦气为工质,目前获得了83.5K的最低制冷温度。     

小孔型脉管制冷机的二维数值研究

本文建立了小孔型脉管制冷机的物理和数学模型,开发了描述小孔型脉管制冷机内二维可压缩交变流动与传热耦合计算的模拟程序,并对制冷机内的流场和温度场特性及其他一些重要的热力参数进行了详细的分析.通过对小孔型脉管制冷机的数值分析,直观地刻画了脉管制冷机内的工作过程和复杂流动现象,如二次质量流动和速度环形效应等.另外还得到了最佳小孔阀半径,对所研究的小孔型脉管制冷机,最佳小孔阀半径约为0.3 mm,当小孔阀开度为此最佳值时,制冷机的制冷量最大.     

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。     

液氮温区热声驱动脉管制冷机的研究

热声发动机驱动的脉管制冷机是一种完全无运动部件的低温制冷机,具有非常好的应用前景,本文介绍了本实验室在这方面取得的最新进展。首先我们对驻波热声发动机进行了改进设计,提高了其驱动压比,用氦气作为工质最大压比达到了1.15。在此基础上我们用其驱动同轴双向进气小孔型脉管制冷机,通过调整热声发动机的振荡频率,使之与脉管达到匹配,最终达到了84.3K的最低制冷温度,这也是目前用驻波热声发动机驱动脉管所达到的最低制冷温度。同时,在此实验过程中,一些抑制跳频的方法也得到了实验验证。     

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...     

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.