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。     

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。     

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.     

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...     

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.     

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。     

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．     

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%。     

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。     

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.     

室温温区热声制冷机研究

热声制冷机作为一种新型制冷技术,具有效率高、可靠性好、环境友好等特点。目前,室温温区热声制冷机存在回热器声功利用量少、出口声功大、回收损失大等问题。本文基于SAGE软件,对室温温区热声制冷机的工作机理进行了研究。通过对两级及以上热声制冷机的制冷系数、制冷量以及进出口阻抗相角进行分析,探寻同时提高声功利用率和制冷量的方法。在分别以制冷系数和制冷量为优化计算目标的前提下,得到了室温温区多级热声制冷机的制冷量、制冷系数及声功利用率随级数变化的变化规律。计算结果显示,多级热声制冷机对出口声功的利用率存在最大值。可根据实际需求综合考虑制冷系数及制冷量,以得到较优的制冷工况。     

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。     

大冷量脉管制冷机回热器温度不均匀性的实验研究

本文对一台设计目标为液氮温区千瓦级冷量的脉管制冷机展开了实验研究。在回热器中填充纯不锈钢丝网时,观测到了巨大的温度不均匀现象,当入口压比为1.25时回热器中部最大温差高达163.3 K,并且回热器中的温度场难以发展稳定。在向回热器中填充了一定数量的紫铜丝网后,回热器内的温度不均匀现象得到了有效的抑制,制冷机的制冷量也有了明显的提升。最后通过对充气压力和工作频率的优化,在入口声功9.08 kW、制冷温度77 K时获得了647 W的制冷量。     

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。     

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。     

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.     

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。     

4K温区高频回热器级联温度研究

4K温区斯特林型脉管制冷机各级回热器的级联温度不仅决定最末级回热器的效率和性能,同时影响前几级回热器为最末级回热器提供的预冷量。本文基于一台采用两级G-M型脉管制冷机预冷的单级斯特林型脉管制冷机,开展了4 K温区斯特林型脉管制冷机回热器各级温位布置方式对4 K斯特林型脉管制冷机制冷性能以及第一级和第二级预冷量影响的理论及实验研究,为液氦温区完全斯特林型脉管制冷机的设计提供了重要的参考依据.     

二级气耦合斯特林型脉冲管制冷机研究

研制了一台二级气耦合型高频脉冲管制冷机,两级均为同轴结构,使用单个线性压缩机进行驱动。考察了二级低温双向进气对制冷性能的影响,结果表明,二级低温双向有助于获得更低的制冷温度,但并不利于更高制冷量的获得。目前,在输入电功450 W时,不使用低温双向进气时,最低温度10.3 K,在20 K的制冷量为600 mW;使用低温双向进气后,无负荷最低温度9.4 K,在20 K的制冷量为400 mW。此外,还对二级长颈管、充气压力、频率和热端温度的影响进行了考察分析。