双温区脉管制冷机的制冷量主动调控策略

针对空间探测中须在双温区提供不同制冷量的新需求,提出利用声功回收主动调相器对双温区制冷量进行主动调控的方法.研究分析高温区调相器活塞运动特性对双温区冷指阻抗的影响,得到调相器对双温区冷指声功率分配及回热器效率的影响特性,实现80 K和40 K双温区制冷量主动调控.数值计算结果显示,调相器相位差对高温区制冷量影响较大,调相器振幅和相位差对低温区制冷量均有明显的影响.实验结果表明,采用基于主动控制调相器活塞运动特性的调节策略,80 K温区制冷量可以在9.2~23.7 W内主动调节,40 K温区制冷量可以在3.2~4.5 W内主动调节.

有限填料热容下脉管制冷机内的热输运效应

为了优化脉管制冷机的泵热特性,探讨有限填料热容对回热器内部热输运过程的影响。基于回热器的2维模型,获得了有限填料体积热容下的热声输运过程的解析解。结果表明脉管制冷机内的热输运过程包括3个部分:声压热输运、壁温热输运、速度热输运。壁温热输运效应产生于壁面温度周期变化,它不同于基于壁面轴向温度梯度的导热过程,也区别于速度热输运过程。当温度从300 K降低到40 K时,壁温热能通量不断减小,不过壁温热能通量相对于截面热能通量的大小从5%增加到12%。

大冷量多级推移活塞型脉管制冷机

使用阶梯推移活塞加惯性管的复合调相方式结合二者的调相优势,改善非最佳匹配尺寸下推移活塞脉管制冷机性能。对阶梯推移活塞加惯性管的复合调相方式的双级脉管制冷机进行了实验研究。在第二级采用复合调相结构时,在充气压力2 MPa,运行频率51 Hz时,得到了86.4 K/22.9K的无负荷温度,在1 251 W输入功时,第二级在34.7 K得到5 W的冷量,为推移活塞双级脉管制冷机的性能优化提供了参考。

脉管制冷机的研究进展及其仿真优化

脉管制冷机具有高稳定性、持久运行和低振动等特性,符合高真空设备低温泵对冷源的要求,在低温真空泵领域的关注度越来越高。本文首先介绍了脉管制冷机的基本原理和分类,然后按照驱动方式总结了不同脉管制冷机的最新研制进展,最后重点分析了不同仿真方法在脉管制冷机研发和优化过程中的实际应用。

15W@80K全气体轴承室温活塞脉管制冷机研发

为了满足超大规格线列、面阵红外探测器及红外光学系统对大冷量、长寿命、低振动、紧凑化、高效率及轻型低温制冷机的需求,开展了15 W@80 K全气体轴承室温活塞脉管制冷机研发,采用Sage热力学软件进行了仿真分析,设计了首款基于全气体轴承支撑和室温活塞功回收技术的斯特林脉管制冷机,成功完成了工程样机研制并进行了性能测试。测试结果表明,散热流体温度20℃,制冷温度为80 K,制冷机在交流输入功率为320 W时,制冷量达到22 W,制冷效率达到6.875%;输入电功为397.9 W时,制冷量达到26.16 W,制冷效率为6.56%,冷量质量比(制冷量/质量)为3.1W/kg。散热流体温度20℃,制冷温度为60 K,制冷机在交流输入功率为360 W时,制冷量达到14 W,制冷效率为3.91%;制冷机在交流输入功率为400 W时,制冷量达到15.46 W,制冷效率为3.86%。验证了室温活塞调相技术的先进性,样机性能参数满足项目技术指标要求。

新型热声发动机驱动的脉管制冷机实验研究

为完全消除低温系统中的运动部件,简化低温系统结构并提高其可靠性,对自制新型热声发动机驱动的脉管制冷机系统进行了实验研究.对热声发动机的性能进行了实验分析,确定出系统充气压力和制冷机的接口位置,将一台单级小孔型脉管制冷机接到系统中.通过调节小孔阀,对脉管制冷机性能进行了优化.结果表明,以氦气为工质,在充气压力为2 MPa时,发动机单独运行时最大压比达1.19,驱动单级小孔型脉管制冷机获得了119 K的低温,这为热声制冷机系统应用于天然气液化奠定了良好基础.

多级脉管制冷机的最新研究进展

介绍了最近几年来多级脉管制冷机 ,特别是液氦温区脉管制冷机研究与应用的进展情况 ,讨论了目前限制多级脉管制冷机应用的主要问题 ,同时指出了多级脉管制冷机的主要发展方向。

20K以下温区单级脉管制冷机直流控制实验研究

开展了 2 0K以下温区单级脉管制冷机的实验研究 ,考察了直流流动对制冷机性能的影响 ,估算了不同制冷温度下制冷机循环的需气量 ,在对直流进行控制的情况下 ,采用 2kW (RW2 )和 4kW (CP4 )压缩机分别获得了 1 8 7K和1 4 7K的最低制冷温度 ,对应的在 30K的制冷量分别为 1 0W和 2 9 5W。

行波热声发动机驱动的脉管制冷机研究

通过改变热声发动机谐振直路长度,研究系统在不同工作频率下的性能。研究发现,在一定条件下降低频率可以显著改善脉管制冷机的性能。在工作压力为 2 7MPa,加热功率为 2 350W,工作频率为 45Hz时,双向进气型单级脉管制冷机获得了 80 9K的最低制冷温度,这是目前用热声制冷方法获得的最低制冷温度。

热声驱动脉管制冷机的实验研究

采用热声压缩机驱动脉管制冷机 ,使彻底消除低温制冷机中的运动部件成为可能。作者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、小孔开度等主要因素对制冷机性能的影响。初步实验中 ,以氮作工质 ,获得了 - 38 7°C的无负荷制冷温度 ,最大温降达 5 4 7°C。此外 ,还指出了进一步的改进方向 ,具有一定参考价值。

场协同理论在脉管制冷机研究中的推广

本文采用理论分析和数值计算的方法,确认由过增元教授等提出的强化换热的场协同理论同样可以应用到能量转换过程。文中用场协同理论揭示了脉管制冷机发展过程中几次重大改进的实质,并以此理论指导改进脉管制冷机的结构参数,发现了脉管的最佳长径比。

120Hz单级脉管制冷机理论与实验

为了研究百赫兹以上的高频回热器的特性及其对脉管制冷机性能的影响,采用回热器数值计算程序RE-GEN3.2对高频回热器的尺寸参数和运行参数进行优化设计,并研制出一台运行频率为120 Hz的斯特林型脉管制冷机,其无负荷制冷温度为47.8 K,在78.6 K有8.0 W制冷量.初步证明配合使用更高的充气压力、采用小水力直径的回热填料以及缩短回热器长度,能够使得回热器在百赫兹以上的高频下仍然保持较高的效率.另外,实验显示该百赫兹高频脉管制冷机能够实现快速降温,脉管方向性问题也得到较好的抑制.

用于高频脉管制冷机的涡旋板弹簧的优化设计

利用有限元分析方法对几款板弹簧的应力分布特性进行了分析,分析表明适当的涡旋槽偏心布置和涡旋槽封闭方法可以使弹簧涡旋臂的应力分布更加均匀,避免应力集中,降低板弹簧在行程内的最大应力,从而提高板弹簧的寿命。

场协同原理在强化换热与脉管制冷机性能改进中的应用(上)

简要地介绍了场协同原理的基本思想 ,综述了文献中应用数值分析方法讨论场协同原理在强化单相对流换热分析中的应用情况 ,说明场协同原理可以将现有文献中关于强化单相对流换热的 3种说法统一起来 ,因而是强化单相对流换热的统一理论 .

脉管制冷机的整机数值模拟

建立了适用于基本型、小孔型和双向进气型等脉管制冷机整机模拟的一维和二维混合计算模型,采用Darcy-Brinkman-Forchheimer模型和局部非热平衡模型描述回热器内部的流动与换热,并给出了一维与二维计算区域连接界面的速度和温度等重要参数的传递法则.开发了基于1-2混合计算模型的脉管制冷机整机数值模拟程序,对3种脉管制冷机主要部件的流场和温度场特性进行了详细分析,直观地刻画了脉管制冷机内的工作过程以及复杂流动和换热现象,例如"速度转向"、"速度环效应"、"温度环效应"和DC流等.结果表明,双向进气阀的引入形成了脉管制冷机的闭合回路,带来了DC流现象,文中运行参数下的DC流占总流量的4.66%.

脉管制冷机结构、理论及实用化等方面的进展

文中对脉管制冷机的发展作了较为详细的回顾 ,分析了各种结构、各种理论的特点及其应用范围 ,指出不足和需要改进的地方。分析了脉管制冷机的发展前景和方向 ,分析指出实用化和微型化以及将脉管制冷机应用于普冷领域是脉管制冷机今后发展的主要方向。

带预冷的4K斯特林型脉管制冷机设计

本文提出了采用两级G-M型脉管制冷机预冷一台单级斯特林型脉管制冷机来研究液氦温区斯特林型脉管制冷机性能的实验方案.基于回热器数值模拟软件REGEN3.3,重点研究了液氮温区回热器长度、回热器填料、气体工质对回热器效率的影响.采用低温惯性管作为斯特林型脉管制冷机调相装置,在小声功系统中实现了理想相位关系的调节,有效提高小型斯特林型脉管制冷机的效率.

驻波型热声驱动的脉管制冷机研究进展

系统地回顾了浙江大学在驻波型热声驱动器及其驱动的脉管制冷方面近 10年来的研究进展 ,在简要描述相关实验系统结构的基础上 ,着重介绍了对热声驱动器的结构与运行参数的优化 ,以及在取得最优制冷性能方面的努力。报告了在自行研制的热声驱动脉管制冷机上取得 88 6K的最低制冷温度。

10K单级脉管制冷机性能研究

20K温区大功率低温制冷机在超导体冷却、液氢无损贮存和低温泵等方面有着广阔的应用前景。为了探索单级脉管制冷机的极限制冷温度同时提高脉管制冷机在20K温区的制冷量,本文开展了计算模拟和实验研究。回热器模拟软件REGEN3.2的模拟结果显示,在不同的冷端质量流量下,单级脉管制冷机所能达到的最低制冷温度均为9.5K。在此基础上,本文设计了一台单级脉管制冷机,对回热器冷端10～80K温区的回热材料作了进一步优化。采用由不锈钢丝网、铅丸和稀土磁性蓄冷材料Er3Ni构成的复合式回热器,该单级脉管制冷机获得了10.9K的最低制冷温度,这是目前公开报道的单级脉管制冷机最低制冷温度。该制冷机在20.9K可获得20W的制冷量或在29.9K可获得40W的制冷量,输入功率为7.5kW。

20K以下温区斯特林型脉管制冷机的最新研究进展与损失机理分析

系统介绍了20 K以下温区斯特林型脉管制冷机的最新研究进展,指出了多级斯特林型脉管制冷机的应用前景与发展趋势。深入分析了多级斯特林型脉管制冷机20 K以下温区的主要损失特性,以及其难以达到更低制冷温度和更高制冷效率的内在原因,着重说明进一步提高高频回热器效率、发展高效线性压缩机技术是实现突破的关键。