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.

脉管制冷机液氦温区高频特性

从主动制冷的角度,探索冷端无运动部件的低温制冷机-脉管制冷机高频下达到液氦温区的条件,在前期理论设计的基础上,研制了一台预冷型的单级高频脉管制冷机,采用低温惯性管和低温气库为调相方式,开展了频率、平均充气压力、预冷温度以及输入功率等对制冷机性能影响的实验研究。实验结果表明:当采用氦-4为工质,预冷温度为4.54 K,工作压力为0.775 MPa,工作频率为40 Hz时,该制冷机最低无负荷制冷温度达4.23 K。

35K两级高频脉管制冷研究:Ⅱ.实验验证

针对空间35 K温区探测器的冷却需要,结合回热器数值计算软件REGEN3.2的计算分析,自行研制了一台第二级脉管采用低温惯性管和低温气库的热耦合型两级高频脉管制冷机.实验研究了充气压力、工作频率、输入功率等对第二级脉管制冷机性能的影响.实验得到35 K下最佳充气压力为1.26 MPa,最佳工作频率为40 Hz,从而验证了理论计算结果.实验结果表明,在充气压力为1.26 MPa,工作频率为45 Hz,输入功率为135 W的条件下,获得了27.4 K的最低无负荷制冷温度;在充气压力为1.36 MPa,工作频率为40 Hz,输入功率为205 W的条件下,制冷机在35 K获得了0.45 W的制冷量.

采用Gd_2O_2S回热填料的带预冷4K斯特林型高频脉管制冷机性能研究（英文）

研究目的:研究新型磁性回热填料Gd2O2S对液氦温区高频脉管制冷机多级回热器损失特性的影响。创新要点:确定了不同回热填料以及运行参数(频率、平均压力)下液氦温区多级脉管制冷机的制冷温度和各级预冷量,进一步明确了4 K高频回热损失机理。研究方法:采用理论研究与实验验证相结合的方法,基于一台两级G-M型低频脉管制冷机预冷的单极斯特林型高频脉管制冷机,研究多级回热器在高频以及4 K温区下的损失特性。选取新型回热填料Gd2O2S替代部分回热填料HoCu2,比较回热器采用两种填料时在不同运行频率及平均压力下的冷端制冷温度(图10)、各级预冷量和预冷温度(图11–12)。重要结论:采用孔隙率较小的新型磁性回热填料Gd2O2S可显著改善第一级回热器内压力波与质量流的相位关系,从而减小该级回热损失。减小平均压力可以降低制冷机无负荷制冷温度并减小第二级预冷量,但制冷工质氦的体积比热容会急剧增大,从而使低温级回热器的换热对频率非常敏感。此外,频率对高温级回热器的回热特性影响不明显。该方法可以为三级斯特林型4 K多级脉管制冷机提供设计依据。