小型透平逆布雷顿循环空气制冷机的研制

随着高效紧凑换热器和低温透平膨胀机特别是高速气体轴承透平膨胀机的发展 ,逆布雷顿循环空气制冷机在普冷和深冷领域拥有更广阔的应用前景。为了深入研究逆布雷顿循环空气制冷机系统及其主要部件低温透平膨胀机、换热器的运行性能 ,西安交通大学制冷与低温工程研究所研制了 30 Nm3/ hr小型透平逆布雷顿循环空气制冷机     

液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机实验研究

自由活塞斯特林制冷机是一种结构紧凑、效率高、运动部件少、可靠性高的回热式制冷机。随着高温超导发展的需求,液氮温区大冷量自由活塞制冷机成为重要发展趋势之一。本文搭建了一台液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机,初步实验获得60 K以下的无负荷制冷温度。在80 K获得了78 W的冷量,制冷机相对卡诺效率为18.8%。这是国内首台液氮温区大冷量(50 W)自由活塞斯特林制冷机。分析表明,通过对冷端换热器结构的改进,冷量及效率将进一步提升。     

实际逆布雷顿空气制冷循环的性能研究

对实际逆布雷顿循环空气制冷循环进行了热力学分析,对其循环性能进行了数值模拟研究。结果表明,影响实际循环性能的主要因素有膨胀比、转动部件等熵效率、工作温度等;实际循环中存在一最优膨胀比;制冷机用作空调冷源时,膨胀比在最优膨胀比附近;最优膨胀比的大小受压缩机效率、膨胀机效率、换热器端部温度等因素影响。     

60K单级高频同轴脉冲管制冷机性能研究

设计出60 K温区2 W冷量级别惯性管型单级高频同轴脉冲管制冷机并进行了系统试验,分析研究并获取了最优工作频率和最佳的蓄冷器与脉冲管长度匹配及布置。制冷机典型试验性能为在91 W压缩机输入电功和300 K散热温度的条件下,在60 K获取2 W净制冷量,在60 K的比卡诺效率达到8.8%。     

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.     

逆布雷顿空气制冷机透平膨胀特性研究

为了深入研究逆布雷顿空气制冷机的降温特性与制冷性能,论文首先采用CFX数值模拟方法,对透平膨胀机冷端通流部分的流动与热力学过程进行了数值模拟,进一步对整机的热力性能进行了分析;在此基础上探讨了制动功率对膨胀机降温特性影响;并改进了逆布雷顿空气制冷机综合实验台,采用风机回路闭式循环,进行了定制动压力和定特性比两种典型制动策略下制冷机降温性能的实验研究。结果表明:通过调节风机闭式循环制动压力来匹配膨胀机工况的变化方案可行,理论预测与实验结果吻合较好;透平膨胀机的绝热效率62%,在120 min内制冷机最低无负荷出口温度达到了-170℃;采用透平膨胀机的逆布雷顿空气制冷机具有优异的制冷性能。     

40W/20K单级G-M制冷机设计与研究

目前商用G-M制冷机在20K时的制冷量一般小于10W,然而工业界对20K时具有更大制冷量的制冷机需求正在不断增长。文中对影响单级G-M制冷机制冷量的因素进行分析,提出相应的解决措施;并针对高温超导应用技术和一些低温系统工程项目的需求,设计了40W/20K单级G-M制冷机样机。     

60K大冷量同轴型脉冲管制冷机的设计与优化

针对红外、超导应用的迫切需求,本文对工作温度为60 K的同轴型脉冲管制冷机进行优化设计。对调相机构的不同组合进行实验研究,获得了该脉冲管制冷机的最佳调相方式;对蓄冷器内丝网的填充方式进行研究,确定了60 K制冷机中蓄冷器丝网的填充方式。制冷机在输入功率250 W,热端温度310 K时,在60 K可以获得5.71 W的冷量,相对卡诺效率达到9.52%。     

4W/10K两级G-M制冷机性能的试验研究

详细介绍了两级G-M制冷机的试验系统和测试方法,测得两级G-M制冷机性能指标为:一级最低温度32.9K,二级最低温度7.2K,降温时间约60min,且二级制冷量达到4.8W/10K;试验进一步研究了不同蓄冷材料对制冷机性能的影响,结果表明,采用磁性蓄冷材料Ho Cu2填充的两级G-M制冷机二级最低温度可达到2.9K,并可获得1.5W/4.2K制冷量,即使用磁性蓄冷材料可提高制冷机性能。     

30 K单级高频同轴脉冲管制冷机

介绍了一套实用型单级高频同轴脉冲制冷机工作在深低温区的性能特性.输入功率为200 W时,冷头无负荷最低温度可达到29.35 K,输入功率为235 W时,冷头无负荷温度可稳定在28.55 K.这是目前国内无多路旁通的单级高频脉冲管制冷机获得的最低温度,国际上位于先进行列.200 W输入条件下,35.6 K可提供0.5 W制冷量,为30～40K温区相关的小冷量应用提供了一种简单有效的方法.     

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。     

Tm3+掺杂玻璃激光致冷新方案的理论分析

提出了一种用于块状Tm3 掺杂玻璃ZBLANP(ZrF4-BaF2-LaF3-NaF-PbF2)激光致冷的新方案,即通过两组相互垂直的高反射率平面镜的多次反射,增加对抽运光的吸收,为了减少抽运光在样品表面入射时的反射损失,抽运光以布儒斯特角入射。重点就该方案的样品致冷温度和时间常量进行了详细的理论计算与分析,从理论上分析了入射激光功率为1 W时致冷功率和反射次数的关系,研究了不同入射激光功率下致冷温度和反射次数的关系。结果表明,入射激光功率分别为3 W、4 W5、W时,样品可以分别从室温(300 K)被冷却到275.7 K、267.4 K、259.1 K。特别是在入射激光功率为4.5 W时,样品从室温开始被冷却到263.2 K,即致冷后样品的温度下降了36.8K,比传统致冷方法提高了约53.3%,相应的致冷时间常量为22.7 min。     

ICF平面低温冷冻靶系统的初步设计及应用

 利用Gifford-McMahon（G-M）制冷机提供低温源,研制了平面低温冷冻靶系统。该系统最低温度可以达到10 K,制冷功率随温度降低而降低,制冷速率可控。其中,在18.6 K其制冷功率可以达到6.5 W;在14 K其制冷功率为3 W。利用该系统,初步开展了氩、氢的冷冻实验,并研究了温度对激光惯性约束聚变靶丸结构的影响。获得了氩、氢平面低温冷冻靶,并观察到了低温诱导聚变靶丸形变现象。     

六种生物药物分子的高分辨太赫兹光谱研究

利用太赫兹时域光谱技术,在77～295 K之间,分别测量了两种异黄酮(金雀异黄酮和鹰嘴豆芽素A)、两种瘦肉精(盐酸克伦特罗和沙丁胺醇)和两种人参皂苷(Rg2和Rg3)等三类药物生物分子随温度变化的低频振动光谱,发现结构和功能相似的同类样品在室温环境下的太赫兹光谱均存在明显的不同。当温度从295 K冷却到77 K,测量样品的特征峰增加,鹰嘴豆芽素A可以观察到13个高分辨的特征吸收峰;并伴随线宽变窄,可以为1.9×10-5 mol用量的人参皂苷20-(R)-Rg3提供较准确的吸收峰。得到的高分辨太赫兹指纹谱为快速、无损鉴定该类药物生物分子提供一种可靠的新方法。     

70K温区混合工质分凝分离循环节流制冷机实验研究

混合工质节流制冷机正在许多方面获得越来越广泛的应用。文中设计了一种新型的混合工质分凝分离循环 ,建立了实验系统 ,并在 70 K温区进行了实验。实验结果表明 ,节流制冷机可以达到 6 5 .3K的低温 ,并在 72 K温度提供 1W的制冷量 ,输入功率为 5 0 0 W。     

干涉光谱结合偏最小二乘法反演热液CH4的研究

热液释放的高温甲烷气体经扩散作用先后进入海洋和大气,并对地球物理、化学和生物方面产生深刻影响。由于海洋溶解甲烷数据的缺乏,导致人们对深海热液释放甲烷的活动机制和环境效应还缺乏足够的认识。我们前期提出一种光学被动成像干涉系统OPIIS用于热液甲烷浓度、温度和压强的实时探测和长期观测。为了从OPIIS的干涉光谱中精确、稳定、快速的获取热液甲烷信息,采用将干涉光谱与偏最小二乘法相结合的方法处理OPIIS数据。首先分别建立三个甲烷浓度、温度和压强的单因变量预测模型,再利用干涉条纹与辐射光谱的关系,间接建立干涉光谱与甲烷浓度、温度和压强的PLS预测模型,提高了预测模型在实际应用中的抗干扰能力和稳定性。基于洛仑兹线型建立了不同于大气环境的深海气体辐射模型,并利用HITRAN2016分子光谱数据库的光谱参数,建立了深海甲烷在任意浓度、任意温度和任意压强下的辐射光谱数据库。挑选热液其他气体对甲烷探测干扰较小的甲烷泛频带1.64～1.66 μm内的六条谱线建立甲烷辐射光谱与浓度、温度和压强的偏最小二乘回归模型。另外,分析了训练集取样个数、取样间隔和主成分个数对提高预测模型综合性能的作用。利用不同训练集样本数,不同训练集取样间隔和不同的主成分数,分别建立96个浓度、温度和压强预测模型,并分别利用25组预测集样本对预测模型进行交叉验证。不同模型预测均方根误差和决定系数的对比表明,训练集取样个数、取样间隔和主成分个数等单一因素的改变并不能同时提高预测模型的预测精度、稳定性、适用范围和运算量等综合性能。经过平衡选取各项指标确定的最优回归模型的参数为：浓度、温度和压强的适用范围分别为5～375 mmol·L-1,580～678 K,10～34.5 MPa, 浓度、温度和压强的训练集取样个数分别为50组,25组,25组,采样间隔分别为5 mmol·L-1,2 K,0.5 MPa, 浓度、温度和压强预测模型的主成分数分别为2,2,5。浓度、温度和压强预测模型的预测均方根误差分别为3.082×10-6,0.977 0,5.052×10-3,决定系数分别为0.999 9,0.998 9,0.999 9。浓度、温度和压强的预测误差分别为±1.21×10-7,±3.63×10-3,±9.49×10-4,对应的预测精度分别为±45.4 nmol·L-1,±2.5 K,±3.3×10-2 MPa。结果表明,干涉光谱结合偏最小二乘法的反演算法可以精确、稳定、快速的获取热液甲烷气体的浓度、温度和压强信息。     

开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究

针对高热流密度激光介质高效散热与均匀冷却技术需求,设计并搭建了以去离子水为冷却工质的开式单喷嘴喷雾冷却实验平台,实验研究获得了不同热流密度（16～110 W/cm2）、不同冷却工质流量（200～300 mL/min）以及不同喷雾高度（15～25 mm）下单相喷雾冷却换热系数及其冷却均匀性效果。结果表明:该实验工况下,不同热流密度条件下喷雾高度及工质流量对于单相喷雾冷却换热效率及温度均匀性影响显著;喷雾高度15 mm、工质流量200 mL/min时获得最大对流换热系数为5.93 W/（cm2·K）;喷雾高度15 mm、工质流量250 mL/min时面积20 mm×20 mm的热源表面温度均匀性最佳可优于0.6 ℃。     

Crystal LiNbO<Subscript>3</Subscript>-Ho<Superscript>3+</Superscript>: Material for optical cooling

The possibilities of LiNbO₃-Ho³⁺ crystals for optical cooling based on the anti-Stokes luminescence in the wavelength range 2000-2200 nm are investigated. The efficiency and cooling temperature under the continuous wave (CW) excitation at the wavelengths 2035-2071 nm by ~100 W power are estimated. It is shown that under the CW excitation at 2035 nm wavelength the maximum cooling temperature is equal to 2.5 K, and at 2071 nm wavelength is equal to 10.9 K.     

High pressure synthesis at 10 GPa and 1400 K using a small cubic anvil apparatus with a multi-anvil 6-6 system

In the present study, high pressure synthesis up to 10 GPa was done using a small cubic anvil apparatus (W45×D52×H92 cm³, load capacity of 1.80 MN) with a multi-anvil 6-6 system. Its performance was demonstrated by synthesizing a ferromagnetic perovskite oxide, CaCu₃Fe₄O₁₂, at pressure–temperature conditions of 10 GPa and 1400 K. The synthesized CaCu₃Fe₄O₁₂ perovskite was ～1 mm in diameter and ～2 mm in height and its size was large enough for performing magnetic susceptibility measurements at 5–300 K using a superconducting quantum interference device magnetometer and phase identification by X-ray diffraction. The experimental system developed in the present study has many advantages when used in high pressure synthesis experiments, and the technical development of a small cubic anvil apparatus will greatly contribute to the advancement of high pressure synthesis of novel materials.