空间脉冲管制冷机自适应主动减振控制技术

采用自适应主动减振控制器驱动制冷机压缩机,通过自适应窄带滤波控制算法使脉冲管制冷机50 Hz微振动力由0.21 N减为0.05 N,100 Hz微振动力由0.26 N减为0.04 N,150 Hz微振动力由0.9 N减为0.04 N,200 Hz微振动力由0.97 N减为0.02 N,250 Hz微振动力由0.69 N减为0.0 6 N。测试结果表明自适应主动减振控制对压缩机轴向前五阶具有明显的减振效果。

1.6kg小型同轴脉冲管制冷机实验研究

小型脉冲管制冷机在空间以及军事领域有广泛的应用前景,通过提高制冷机的工作频率可减小制冷机的体积与质量。研制了1台重1.6 kg的脉冲管制冷机并进行了实验优化。采用实验室研制的小型直线压缩机驱动,惯性管气库、双向进气作为调相机构,在输入电功45 W,冷端温度80 K时可获得2.12 W的制冷量,相对卡诺效率13.0%。由于运行频率高,冷指尺寸小,冷指降温时间短,2 min降温到80 K,并且冷头温度受重力影响较小。

超高频脉冲管双冷指与压缩机的耦合匹配及优化

对一台压缩机分别驱动单个冷指和双冷指脉冲管制冷机进行了实验研究。实验发现双冷指脉冲管制冷机制冷性能和效率都不如单冷指脉冲管制冷机,导致性能下降的原因是由于双冷指制冷机的总阻抗与压缩机不匹配。从阻抗的角度研究双冷指制冷机与压缩机的耦合匹配特性,根据压缩机理论PV功转化效率,对与双冷指耦合的线性压缩机进行了参数优化。优化后的双冷指脉冲管制冷机可获得和单冷指脉冲管制冷机几乎一致的理论PV功转化效率。

超高频小型化脉冲管制冷机耦合匹配的理论模型与实验验证

为了解决脉冲管制冷机中冷指与线性压缩机的匹配问题,基于线性压缩机的电学、力学方程和冷指入口阻抗方程,推导出压缩机的铜耗效率和PV功转化效率的理论计算公式,并进行了冷指与压缩机的耦合实验,验证了理论的正确性。根据PV功转化效率的理论公式找到了压缩机的优化方法及其与冷指阻抗的关系。

100—140 Hz脉冲管制冷机耦合特性的实验研究

为研究惯性管长度变化对压缩机输出效率和压缩机与冷指之间的耦合特性的影响,对100—140 Hz的2 kg级的高频脉冲管制冷机的整机效率进行了理论分析,通过实验研究了不同惯性管长度对压缩机活塞位移、相位、压力波的影响,并得出了压缩机输出PV功。实验结果表明不同惯性管长度组合,对应不同频率压缩机的效率最高;制冷机整机效率最优与压缩机效率最优的运行参数不尽相同;通过调节惯性管的长度,使压缩机谐振频率与冷指相匹配时制冷机的整机效率最高。

冷指尺寸对超高频微型脉冲管制冷机性能的影响分析

冷指是脉冲管制冷机的重要部件,其尺寸大小决定压缩机乃至制冷机整机的尺寸,其内部的功热转换效率和损失等会对制冷机的性能产生显著的影响。为满足脉冲管制冷机微型化的需求,必须提高制冷机频率、减小冷指尺寸,而冷指尺寸的缩小又会影响制冷机的性能。为了掌握冷指尺寸对制冷机性能的影响规律,利用SAGE软件对运行频率为130 Hz,直径为8~9 mm的微型同轴脉冲管冷指进行理论建模与数值计算,得到了超高频脉冲管制冷机性能随冷指尺寸的变化规律。在计算工况范围内,蓄冷器直径9 mm、长度40 mm、脉冲管直径4.3 mm的超高频微型脉冲管制冷机性能最优,且能够在20 W输入电功率条件下,提供0.64 W@80 K的制冷量。

空间微小脉冲管制冷机研制

随着空间机械制冷技术的迅速发展,空间脉冲管制冷机在80K温区整机效率已经优于1 W/18 W(制冷量/输入电功)。针对中国航天未来微小卫星的发展,中国科学院理化技术研究所开展了空间微小脉冲管制冷机的研究,并获得突破性的进展。理化技术研究所研制的宇航级微型脉冲管制冷机,80K温区制冷量与重量比已经大于1.5 W/1kg,制冷效率达到1 W/22.5 W(制冷量/输入电功),在轨设计寿命超过30 000h,可以与中波红外320×256以下面阵探测器直接耦合。系统介绍了中国科学院理化技术研究所微型脉冲管制冷机的研发过程,并给出了最新的研发结果。该制冷机除了可以实现给中波红外探测器制冷以外,还可以作为辅助热控手段,对220K以下温区的载荷热控、载荷在轨气体多余污染物吸附等应用提供帮助。

2.2 W @ 80 K高效小型脉冲管制冷机性能的实验研究

同轴式脉冲管制冷机具有结构紧凑,与器件耦合简单等优点,在低温超导以及航空航天领域得到了广泛的运用。通过提高制冷机的工作频率,可减小制冷机的体积与重量。本文介绍了一套高效小型同轴脉冲管制冷机,该制冷机整机重量为1.6 kg,冷指直径14 mm,长度45 mm。采用实验室研制的小型化直线压缩机驱动(1.2 kg),惯性管气库为调相机构,在输入电功45 W,冷端温度80 K,热端温度为300 K时,冷指可获得2.2 W的制冷量,相对卡诺效率13.4%。