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.     

大型LNG储罐预冷模型及预冷参数计算

以16万方全容式常压LNG储罐为例,综合考虑储罐漏热及储罐材料比热容对储罐预冷过程的影响,建立预冷数学模型。计算结果表明:(1)冷却速率在-3K/h~-5K/h内,预冷介质用量与现场数据误差最大为5%,预冷时间的范围为39h~64h,得出最佳冷却速率-4.9K/h;(2)最佳冷却速率-4.9K/h下,罐内气体、9%Ni钢、铝吊顶、隔热层、漏热分别约占预冷介质用量的17%、29%、2%、46%和6%;(3)在允许温降范围内(-3K/h~-5K/h)提高冷却速率,可以减少储罐漏热消耗的预冷介质LNG用量。     

用于量子电阻测量超导磁体及低温系统的研制

介绍一种用于量子电阻测量的超导磁体及低温系统设计和研制.采用一台G-M制冷机为冷源,一部分冷量采用传导冷却的方式冷却超导磁体,另一部分冷量用于预冷氦气,然后通过毛细管节流降温达到超低温,最终实现8T强磁场和1.5K极低温的应用环境.     

12K预冷型高频脉冲管制冷机

研制了一款预冷型高频脉冲管制冷机,采用液氮来预冷脉冲管制冷机热端,对制冷机进行了设计计算,并对运行参数开展了实验研究。制冷机为同轴形式布置,采用置于液氮温区的长颈管及气库组合作为调相机构,回热器均采用不锈钢丝网作为蓄冷材料。在180W的输入电功下获得了675m W/20K的制冷量,在110W的输入电功下获得了12.2K的最低制冷温度,进一步对预冷的液氮采用抽气减压的方式降温到63K时,获得了11.9K的无负荷最低制冷温度。     

液氦温区回热器高频损失特性研究

回热器是回热式低温制冷机的核心部件,如何有效地减小回热器中的损失是提高脉管制冷机性能的关键。在不同的温区以及不同工况下,回热器中的主导损失是不一样的。随着温度的不断下降(尤其是20 K温区以下),实际气体损失所占的比例越来越大。本文基于回热器数值模拟程序REGEN3.3着重研究了液氨温区回热器在高频下的各种损失特性,并指出了减小各种损失的方向。基于一台带预冷的4 K斯特林型脉管制冷机,开展了液氨温区高频脉管制冷机回热特性的实验研究。     

一种新型的低温恒温器

本文描述了一种适用于1K到300K的低温物理实验装置。它既可以作为液氦恒温器使用,又可以作为氦连续流动恒温器使用。如果用液氮作冷源,则可以获得77K到300K的温度。     

低温热压缩机系统的数值模拟与实验研究

本文对低温热压缩机系统进行了数值模拟和实验研究,首先对低温热压缩机的运行参数进行了研究,结果表明提高运行频率、增大平均力、降低预冷温度均可增大系统的压比,但同时也会消耗更多的预冷量。之后对热压缩机所需的预冷量和各项热损失进行了分析,结果表明排出器运动产生的损失所占比例最大,是进一步优化的重点。最终本文所研究的低温热压缩机系统,在2 Hz运行频率下、平均压力1 MPa时,所需要的冷量约为54 W@77K,系统可产生1.95的压比。基于此热压缩机系统,进一步驱动单级多路旁通脉冲管制冷机,可成功获取3.8 K的最低温度。     

碲镉汞红外焦平面探测器封装用4J36合金深低温力学性能研究

为了提高碲镉汞红外焦平面探测器封装结构的可靠性,获得组件材料的深低温力学性能十分重要.4J36合金具有极低的膨胀系数且材料焊接性能较好,广泛应用于封装结构中的冷平台部分.本文在300 K～4.2 K温度区间内对4J36合金进行了热力学性能试验,获得了材料随温度变化的动态热力学参数;在300 K、77 K、4.2 K温度下对4J36试件进行了拉伸试验,获得了相应的工程应力应变曲线和力学性能参数;通过扫描电镜对断口形貌进行了微观结构分析,获得了4J36合金拉伸断口微观组织和性能的变化规律.试验结果表明4J36材料在300 K～4.2 K温度范围内平均线膨胀系数为2.08×10^-6/K,从300 K到77 K,4J36合金的比热容随温度降低而减小;在300K～4.2 K温度区间内,随温度降低,合金的抗拉强度和屈服强度显著提高,而弹性模量断后伸长率降低;由拉伸断口宏观和微观形貌看出在300 K、77 K和4.2 K下4J36合金拉伸试件的断裂模式均为韧性断裂.试验研究结果将对4J36合金在红外焦平面探测器组件的低温应用方面提供试验依据.     

金属材料低温深冷拉伸试验装置的研制

以氦气作为冷媒,利用G-M制冷机作为冷源,可实现室温至-269℃(4.2K)全范围内的低温环境。将其与常规材料拉伸试验机相结合,建立了金属材料深冷低温拉伸测试系统。解决好深冷环境下试验系统的密封与漏热问题,是实现低温拉伸测试的关键技术环节。在-196℃(77K)以上温度区间,采用液氮辅助预冷的方法,可显著提高系统的降温速率,相比于常规直接以液氮或液氦为冷源的制冷方式,利用制冷机制冷进行低温拉伸测试的方法,不仅适用温度范围广,且可极大地降低试验成本,兼具实用性与经济性。     

脉管制冷机层叠丝网填充回热器导热特性数值分析及优化

回热器为回热式低温制冷装置的关键部件,其性能直接影响到整机性能。对层叠丝网回热器的轴向导热损失进行了理论分析和数学建模,采用单一及不同目数金属丝网混填了单级脉管回热器,基于80K,50Hz的工况下,理论分析了不同目数层叠丝网混合填充时,配比组合参数对回热器轴向导热损失的影响。结果显示:层叠丝网所引起的轴向导热损失为回热器轴向导热损失的主要形式。研究表明,恰当的混填形式可以提高回热器性能。在此基础上提出了层叠丝网回热器填充配比优化方法。     

带冲击射流的柱肋结构通道热沉的数值模拟研究

针对微通道冷却和冲击射流冷却方式的不足,设计了一种新的带冲击射流的柱肋结构的通道热沉,通过数值模拟的方式研究其流动特性和换热性能,模拟工况为加热热流密度为400W/cm~2,进口总压从3.5～12.5 kPa,出口静压为500 Pa,工质为水,热沉的材料为铜,进口温度为300 K。模拟计算结果表明,该结构具有较高的换热效果和良好的表面温度均匀性,在进口总压为3.5 kPa时,表面的最高温度不超过380 K,加热面最高温度和最低温度的差值约为12 K;而当进口总压为12.5 kPa时,最高温度和温差值分别为368 K和约5 K。在进口总压为3.5～12.5 kPa,所研究结构的热沉的流量为3.03～6.32 g/s。     

150K温区混合工质采用带预冷的林德制冷机的实验研究

提出了利用带预冷的林德制冷系统获得了150K温区的制冷方案。建立了实验装置,进行了不同配比的三元混合工质(R23/R14/Ar)的制冷循环的性能实验。实验结果表明:三元混合工质(R23/R14/Ar)的最佳配比为0.46:0.39:0.15,在无热负荷时,制冷温度为150K时,降温时间为85m in。     

基于多基板拼接的空间深低温超长冷平台热特性研究

为了解决空间红外相机的高分辨率、高成品率及可维修性等问题,提出了先将6个线列探测器子模块拼接在一个"Z"字型的子基板上,再将多个(N≥5)这样的"Z"字型子基板通过精密拼接的方法以形成空间超长线列红外焦平面探测器。基于由多个子基板拼接形成的超长冷平台与单点冷源耦合以实现热交换的特点,针对超长冷平台温度均匀性小于1 K及其与单点冷源间温度梯度小于5 K的要求,建立了冷量传输通道的热网络模型,分析了影响冷量传输效率的主要因素,提出了优化各部件及不同部件螺接的接触热阻的方法,设计了两个"树状"柔性冷链实现了冷量向多基板冷平台高效传输。通过对加载不同总焦耳热时超长冷平台的温度均匀性及其与单点冷源间的温度梯度等热特性进行仿真和实验验证,结果表明超长冷平台温度均匀性误差小于0.05 K,温度梯度误差小于0.55 K,验证了由多个子基板拼接而成的超长冷平台与单点冷源间冷量传输模型合理可行,对于后续多基板精密拼接的工程应用提供重要参考。     

Molecular Dynamics Simulation of Temperature-dependent Flexibility of Thermophilic Xylose Isomerase

构建了嗜热栖热菌木糖异构酶与底物木糖的复合物模型,并运用NAMD2.5软件对其在300 和360 K下进行了10 ns的分子动力学模拟. 对该酶的回旋半径、亚基间相互作用及残基柔性进行了计算与统计分析,确定了该酶在360 K时柔性残基及区域. 研究发现与300 K相比,360 K时木糖异构酶中B-因子增幅较大的残基主要可分为两组：一组位于催化结构域,是由残基55～80组成的helex-loop-helix区域,另一组位于其亚基界面上. 研究表明高温下该酶催化结构域回旋半径增加,可能加速了活性中心的运动从而有利于D-木糖的异构化反应.在360 K时亚基界面上减少了8个氢键和5个离子对,这可能也是高温下其整体结构刚性下降并且活性升高的主要原因,该结果也对文献报道的该酶E372G突变体冷适应的实验现象进行了解释. 研究结果揭示了嗜热栖热菌木糖异构酶温度和结构柔性之间的关系.     

HIAF项目超导二极磁铁样机测试低温阀箱的设计

强流重离子加速器装置(HIAF)二极磁铁样机要在流量、温度均可调节的低温环境中进行试验,研制满足试验要求的阀箱是保证低温真空试验环境的关键。设计的阀箱系统在满足二极磁铁样机降温的同时还具备实现磁体温度在4.3K—8K的范围内调节、对高温电流引线进行冷却的功能。液氦管路系统自身带有一定压力,阀箱内部配有一台液氦换热器用于满足试验温度要求。通过理论计算得出,该阀箱液氦过冷换热器需盘管20m,80K—4K总漏热为6.105W,满足设计要求;通过有限元分析得出,阀箱外壳最大变形在上法兰中心处,约为0.533mm,外壳应力也满足强度要求,冷屏温度主要分布于77.3K—77.8K之间,整体温度均匀性良好。     

冷冻靶制备用低温氦气循环系统

常温高压渗透充气、低温冷却的冷冻靶球,需要20K以下的低温循环氦气,用于冷却高压渗透室和低温恒温腔。本套系统采用GM制冷机为冷源,采用专用氦压缩机为循环泵,设计高效率的回热式换热器,实现末端的20K以下低温氦气,通过低温氦气冷却终端部件,实现了20K的低温恒温环境和渗透室的冷却。     

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。     

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。     

EAST氦制冷机冷箱降温过程动态模拟

基于Aspen HYSYS,对EAST氦制冷机冷箱的板翅换热器、透平膨胀机、液氮预冷换热器等部件进行自定义开发,并结合实验数据完成了部件的仿真建模。在部件建模的基础上,建立了制冷机冷箱80K以下流程的降温过程动态仿真模型。实验数据表明,冷箱仿真模型能够反映实际制冷机的降温趋势,可以用来对冷箱降温过程进行仿真。探讨了透平启动时间对降温速率的影响,完成了300K~4.5K的降温过程的动态模拟。     

预冷终压对蔬菜真空预冷失水率的影响

为研究真空预冷过程中预冷终压对蔬菜的影响,总结不同类型蔬菜的最佳预冷终压,取菠菜、娃娃菜、茄子为三类蔬菜代表,将其在不同预冷终压下进行预冷效果比对,并对各类蔬菜进行最佳预冷终压验证,确定最佳补水率及补水方式。结果表明,最佳预冷终压为:叶菜类800 Pa,含蜡质层类700 Pa,根茎及茄果类600 Pa。最佳补水率为:对应终压下的失水率,但不应超过自身重量的4%。对比直接预冷、直接补水、包覆膜补水,包覆膜补水效果最好。通过实验总结各类蔬菜不同预冷终压下的失水率并寻找最佳保护措施,可以有效降低真空预冷中蔬菜的质量损耗以及制冷系统能耗。