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.

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。

斯特林型高频脉冲管制冷机的现状与样机研制

首先介绍了国际上高频脉冲管制冷机的研究现状及未来发展趋势 ,表明高效高频脉冲管制冷机的产品和样机在国际上已日趋成熟。然后简要介绍了作者近几年在德国研制的高频脉冲管制冷机样机的性能和特点。作者获得的性能和国际上最好性能的比较表明 。

斯特林型制冷机集成制冷的发展

随着对空间制冷的要求越来越高,具有多级制冷能力的制冷机比使用多个制冷机有更高的系统效率。这种制冷机通过减小冗余提高系统的可靠性,同时又满足了空间低温系统集成化的需求。针对单个线性压缩机驱动多个膨胀机的方式,总结分析其在多温区多冷量需求下的制冷效果和发展前景。

斯特林型脉冲管制冷机的最新进展

介绍了斯特林型脉冲管制冷机在理论分析和实用化方面的进展。与斯特林制冷机相比 ,由于低温端没有运动部件 ,脉冲管制冷机在寿命、可靠性和振动等方面有明显的优势 ,同时直流现象的发现和对它的抑制 ,以及双向进气、长颈管等调相机构的应用 ,使得斯特林型脉冲管制冷机的效率也可以达到或超过斯特林制冷机 ,从而使斯特林型脉冲管制冷机在空间。

20K温区单级斯特林型脉管制冷机研究

为进一步研究降低20 K温区单级斯特林型脉管制冷机关键部件中损失的方法,提高整机性能,采用计算软件Sage对制冷机进行模拟。通过实验结果与Sage计算的对比对模拟程序的有效性进行了考察,并从调相系统结构及水冷器结构方面寻找优化途径。结果表明,在单纯使用惯性管气库调相时,计算最低制冷温度比实验值低9 K左右;当采用双向进气与惯性管调相组合时,计算同实验结果基本一致。最后引入虚拟的振子阻尼调相机构对制冷机的最佳性能进行研究,计算表明在这种调相结构下,制冷机的无负荷制冷温度及30 K时的制冷量均可以得到比双向进气加惯性管组合调相更优的结果。

斯特林型脉冲管制冷机中压缩机与冷指耦合实验研究

从理论上分析了质量流和压力波对脉冲管制冷机中冷指和压缩机耦合的影响,针对1台6W/95K斯特林型脉冲管制冷机行了具体研究。实验分析表明:只有当线性压缩机能够提供脉冲管冷指所需的压力波动和质量流量时,整机才可能取得较好的性能;运行频率和整机的输入功率对压缩机效率的影响都小于2%。

斯特林型气体制冷机回热器的理论研究

从熵的角度探索回热器的内部机制,首次给出了焓流损失与熵增之间的定量关系。提出了一种能综合描述回热器中气流换热与流动特性的理论模型,简化和分析求解了回热器基本偏微分方程组,得到了比较符合实际的气流压力、质量流和温度分布。

20 K及以下多级斯特林型脉管制冷机研究进展

脉管制冷机的调相结构至关重要,其目的在于将质量流与压力波的同相位置调整至约回热器的中间位置,从而有效降低回热器损失提升制冷机效率。本文归纳了多种调相机构在多级脉管制冷机中的具体应用,总结了过去十五年间在20 K及以下温度区间的斯特林型脉管制冷机的研究动态和进展。此外,本文也提出了多级斯特林型脉管制冷机在未来应用领域的发展前景以及潜在的技术发展方向。

可达5K以下的三级斯特林型脉管制冷机性能研究

针对当前低温超导电子、军事及空间探测等对液氦温区紧凑、长寿命、高可靠性制冷技术的需求,设计并研制了一台三级斯特林型脉管制冷机。讨论了制冷机第三级的回热器、脉管、调相机构等相关参数的设计,着重分析了液氦温区回热器长度与温度分布的特殊关系。实验中以He-4为工质,第三级在充压0.91 MPa,频率29.9 Hz,输入电功率100 W的工况下获得了4.97 K的最低无负荷温度,有制冷量25 mW@6 K。该结果首次证明了采用He-4为工质、以三级结构的斯特林脉管制冷机实现液氦温区制冷的可行性。

单级斯特林型脉管制冷机的能量流分析

斯特林型脉管制冷机结构紧凑、可靠性和效率高,具有广阔的应用前景。为了开展脉管制冷机的工作机理研究,本文进行热力学模拟计算,研制了一台单级斯特林型脉管制冷机。当输入300 W电功时,获得了35.1 K的无负荷温度,在77.0 K提供9.0 W的制冷量,达到了设计目标。结合本文实例,开展了脉管制冷机内部能量流分析,定量给出了制冷饥各部分的损失,进而指出了减小损失的途径,为制冷机整机效率的提高奠定了基础。

多级斯特林型脉管制冷机中过渡蓄冷器试验优化

多级脉冲管制冷机中的过渡蓄冷器因结构简单,其对整机性能的影响通常被忽略。目前,国内有报道的大多数使用过渡蓄冷器结构的多级脉冲管制冷机均没有对过渡蓄冷器进行系统的研究和优化,但过渡蓄冷器作为多级脉冲管制冷机整机PV功消耗的重要部件之一,其效率的高低直接影响整机性能优劣。分别从过渡蓄冷器回热填料(丝网)填充方式、过渡蓄冷器直径以及长度三个方面对其进行优化研究。结果表明:优化过渡蓄冷器相关参数后,制冷机在20K的制冷量相较优化前提高了19.01%。

液氮温区单级大功率斯特林型脉管制冷机工作特性研究（英文）

目的:探索充气压和运行频率等工作特性对大功率脉管制冷机最低制冷温度、制冷量以及回热器温度不均匀性的影响,期望进一步提升制冷机工作性能。方法:1.通过理论计算模拟工作频率在40–70 Hz,充气压力在1.5–2.5 MPa下工作特性对制冷机性能的影响;2.实验研究充气压力为1.7–2.4 MPa,并在谐振频率附近工作时制冷机性能以及回热器温度不均匀性随充气压力、运行频率以及输入功率的变化。结论:1.制冷机运行在1.9–2.1 MPa充气压力下,因平衡了制冷温度和焓流损失,故能取得优异性能,且每一个充气压力对应一个最优的工作频率;2.通过优化充气压力和工作频率,脉管制冷机能够达到46.9 K的最低制冷温度,此时工作频率为56.5 Hz,充气压力为2.0 MPa。在8.9 k W输入功率下制冷机能够在72 K时提供304 W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。

气动型斯特林制冷机气动腔气体热力迟滞行为特性的理论分析

近年来,气体驱动斯特林制冷机在比重量、可靠性、振动和噪声等方面得到提高,在红外技术和超导电子学等领域具有诱人的应用前景,其研究工作一直是低温领域的一个热点。首先简要描述了气动型斯特林制冷机气动腔内气体热力迟滞行为特性,其次主要理论推导该部分气体热力迟滞行为特性造成的损失,并且给出了一个计算机仿真结果说明该项损失对制冷机性能的影响。本文对更为逼真地仿真微型气动斯特林制冷机的热动力特性行为提供了有力支撑。

旋转式微型斯特林制冷机电磁屏蔽工艺改进

基于电磁屏蔽理论及相关影响因素,针对某型旋转式微型斯特林制冷机在正常工作状态中产生的电磁干扰影响成像效果的问题,提出了缝隙改进和屏蔽体良好接地的解决办法,并通过试验验证可行性。然后结合实际情况,将该解决办法推广至其他型号制冷机,系统提出缝隙、过孔、线缆和连接器的相关改进措施,并进行电磁兼容测试,最后在工程实践中推广应用。

基于碟式太阳能发电的β型斯特林发动机热性能数值计算

文章基于热腔与冷腔的余隙容积以及发动机的死容积,利用施密特模型,分析了GPU-3型斯特林发动机热性能的影响因素。分析结果表明:发动机的相位角α、温度比τ、死容积比χ和行程容积比k对自身的热性能影响较大;随着α逐渐增大,发动机的输出功率N呈现出先增大后减小的变化趋势,当α=80°时,发动机的循环功Wi和N均达到最大值,分别为167.24 J,6.97 k W;随着τ逐渐增大,N的下降速率逐渐增大,因此,τ越小越好,理想状态下的τ为0.245;随着k,χ逐渐增大,发动机的无因次功Z呈现出先增大再减小而后又增大的变化趋势,当0.6<k<1.6,1<χ<1.6时,Z变化不大,说明此时的Wi较为稳定。

ST型脉管制冷机的数值模拟

利用有限差分的数值模拟方法,建立了斯特林型脉管制冷机的数理模型,并编制了数值模拟程序。模拟结果表明:该程序可以较好地描述脉管制冷机内部气流动态参数的瞬态变化情况,并揭示小孔阀、双向进气阀对制冷机性能的改善作用,为制冷机设计和改进提供依据。

双作用自由活塞型斯特林发电系统性能研究

自由活塞斯特林发动机作为一种高效的能源转换装置,在可再生能源利用等领域有重要的应用前景。本文针对一种双作用自由活塞型斯特林发电系统,从声电耦合原理出发,推导了双作用斯特林发动机与直线电机之间的阻抗匹配方程,建立了发电系统的整机数值模型,并获得了加热温度、平均压力、活塞连杆直径、机械阻尼和间隙密封宽度等参数对整机性能的影响规律。结果表明,由于双作用活塞两侧同时存在较大的温差和压差,因此相较于单作用结构的系统而言,活塞间隙大小对该系统性能影响更大,这是导致效率变化的关键因素之一。经过优化计算,设计了一台四单元双作用自由活塞斯特林发电机,在加热温度600?C、放热温度20?C和平均压力8 MPa的额定工况下,每个发电单元可输出1.41 k W的电功,热电效率为40.8%,为后续实验研究奠定相关的理论基础。

热声发动机驱动的脉管制冷机模拟及实验研究

基于回热器计算软件REGEN3.2,通过数值模拟分别研究了热声发动机的频率、输出压比、充气压力以及脉管制冷机的回热器长度对热声驱动的脉管制冷机制冷性能的影响,并预测了该台脉管制冷机的最低制冷温度为45 K.实验研究了不同工质、热声发动机输出压比、声功输出装置以及脉管制冷机回热器长度对脉管制冷机性能的影响.实验结果表明,热声驱动的脉管制冷机的优化方向为提高热声发动机的输出压比、降低频率以及适当提高充气压力,这与数值模拟结果吻合较好.实验采用氮气-氦气双工质并以亥姆霍兹共鸣器作为声功输出装置和声压放大器,行波型热声发动机驱动的单级斯特林型脉管制冷机获得了65 K的最低制冷温度.