宇航级气体轴承斯特林制冷机研发

通过Sage建立-80℃温区气体轴承斯特林制冷机热力学模型,成功开发了宇航级气体轴承斯特林制冷机并进行试验测试。环境温度23℃,供液温度30.5℃时(流量70 L/h),方波驱动输入功率为279.6 W,制冷量为68.5 W@-87℃;正弦波驱动输入功率179.5 W,制冷量为43.96 W@-87℃;正弦波驱动输入功率99.1 W,制冷量为22.5 W@-87℃。制冷机组件最大稳态噪声为45.4 dBA,满足舱内稳态噪声不超过50 dBA的要求。通过了宇航级力学和热环境适应性并开展了可靠性及寿命试验,采用线性外推法计算得出寿命在172800 h以上,满足空间站的可靠性及寿命(6.67年)的要求。2022年7月24日随问天实验舱成功发射进入空间站,实现了中国气体轴承制冷机首次在轨验证,填补空白。目前制冷机正常开机运行,已在轨累计运行2730 h,已经冷冻了包括植物样品、细胞样品及相变单元等15批样品,样品随神舟14号飞船下行。

气体轴承斯特林制冷机双级被动减振系统研究

气体轴承斯特林制冷机具有质量小、效率高、寿命长的特点,在空间低温冰箱、锗探测器冷却方面有广泛应用。为了减弱制冷机微振动对空间载荷工作的影响,设计了8个斜弹簧支撑下的气体轴承斯特林制冷机的双级被动减振结构,并基于该结构建立了三自由度非线性动力学模型,进行了数值仿真分析,测试结果验证了仿真方法的正确性。基于该模型讨论了不同减振器阻尼、不同弹簧刚度、不同重力加速度及不同外在激励作用对系统减振的影响,研究结果表明:振幅响应随着减振器阻尼(或斜弹簧刚度)增大而减小;重力影响主要体现在施加方向,对其他方向影响不大;制冷机电磁激励增大时,振动幅值也相应增大,且峰值有向高频方向移动的趋势。文中研究结果可为气体轴承制冷系统的设计与优化提供有效的参考。

中国电科16所成功研制首台气体轴承斯特林制冷机

日前,地处安徽省合肥市的中国电科16所成功研制出我国首台气体轴承斯特林制冷机工程化产品,填补了国内空白,且综合性能指标达到国际先进水平,环境适应性能达到国际领先水平。斯特林制冷机是以氧气为工质,在封闭系统中应用回热原理实现气体制冷循环,以获得低温和冷量的机械。气体轴承斯特林制冷机是相同制冷量下效率最高、重量最轻、寿命最长的低温制冷机。

自由活塞斯特林制冷机中静压气体轴承的探讨

现代长寿命特林制冷机几乎都采用间隙密封、直线电机驱动和柔性板弹簧支撑技术,特别是还采用静压气体轴承以弥补柔性板弹簧刚度不足的缺点,消除摩擦,提高其寿命。本文分析了长寿命自由活塞斯特林制冷机中静压气体轴承的结构和性能影响因素以及其对制冷机性能的影响,为以后的研究提供帮助。最后,提出了以后的研究方向和重点。

气体轴承斯特林制冷机研究进展

气体轴承斯特林制冷机是相同制冷量下体积最小、重量最轻、效率最高和可靠性最高的制冷机。为了满足高温超导器件等电子器件对斯特林制冷机需求,开展了10W@77K气体轴承斯特林制冷机的性能和环境适应性研究。在此基础上,设计制作了-100^-20℃温区、5W@77K和15W@77K气体轴承斯特林制冷机样机并进行了测试。10W@77K制冷机在输入功率为166.1W时达到10.55W@77K(热端温度30℃),制冷系数达到6.35%,通过了高低温贮存、高低温冲击、高低温工作以及机械振动、机械冲击等环境适应性实验。-100^-20℃温区制冷机在150W输入功率下获得38W@-80℃的制冷量,制冷系数为25.3%。15W@77K制冷机在输入功率为260W时获得了15.6W@77K的制冷量(热端温度35℃),制冷系数为6%。5W@77K制冷机在输入功率为90W时获得了5.1W@77K的制冷量(热端温度35℃),制冷系数为5.67%。该系列气体轴承斯特林制冷机的良好性能和环境适应性使得其可广泛应用于超导接收前端、斯特林低温冰箱和小型液氮系统等场合。

基于气体轴承斯特林制冷机的低温冰箱

基于斯特林制冷机的低温冰箱具有体积小、重量轻、便于携带运输的优点,同时可以实现+4^-80℃宽温区冷冻冷藏功能。为了提高降温速率,提升冰箱寿命,通过箱体绝热设计、制冷机冷量传输设计及箱内温度均匀性仿真分析等,设计并制作了一台基于2台气体轴承斯特林制冷机对置式布置的低温冰箱样机,搭建测试系统对其性能进行了初步测试。基于气体轴承斯特林制冷机的低温冰箱冷冻腔容积为27L,在不放置样品的情况下,冷冻腔能够在5h内降温至-80℃。

气体轴承技术在空间斯特林制冷机和发电机中的应用综述

气体轴承技术消除了摩擦,是保证制冷机和发电机长寿命的一种核心技术。从制冷机和气体轴承斯特林发电机两个方面,综述了国内外空间用气体轴承斯特林的发展与应用现状。其中,重点介绍了制冷机系列产品的在RHESSI卫星、"发现者号"航天飞机、国际空间站磁谱仪(AMS-02)和空间用冰箱上的应用情况,同时分析了气体轴承斯特林发电机的国内外研制与应用情况。最后指出我国在气体轴承斯特林技术的发展与应用趋势。

10W@80K分置式气体轴承斯特林制冷机研究

为了同时满足冷量、重量、振动、寿命以及环境适应性的需求,开展了分置式气体轴承斯特林制冷机的研发。以气体轴承线性压缩机为驱动源,设计了一款大冷量分置式气体轴承斯特林制冷机。优选了制冷机的设计参数,系统研究了制冷机的运行频率、充气压力、降温时间与制冷量的变化规律,进行了相关实验研究,压缩机输入240Wac,制冷机输出性能指标达到10.2W@80K,验证了制冷机设计的合理性。

15W@77K气体轴承斯特林制冷机研究与开发

为满足高温超导器件对斯特林制冷机需求,开展了15W@77K气体轴承斯特林制冷机研究与开发.提出小孔节流和连续狭缝节流相结合的气体静压轴承,采用Sage整机热力学和麦克斯韦电机电磁学仿真分析,设计了整体直线式的15W@77K气体轴承斯特林制冷机,制作样机进行性能测试.测试结果表明：制冷机在环境温度23℃下获得15.85W@77K的制冷量,输入电功为258.6W,制冷系数为0.0613,质量仅为3.5kg（不含控制器和散热器）,冷量质量比（制冷量/质量）达到4.53W/kg,制冷机最低温度为35K.

5W@77K气体轴承斯特林制冷机研究

气体轴承斯特林制冷机是相同制冷量中体积最小、重量最轻、效率最高及寿命最长的制冷机。对于小型化的5W@77K型气体轴承斯特林制冷机,以其独特的优势,在高温超导、低温制冷与深空探测等领域,赢得了广泛的需求。因此,基于redich线性电机形式,运用气体轴承支撑技术和高效回热器技术,国内首次研制成功了小型化气体轴承斯特林制冷机,为我国的低温制冷领域的发展提供坚实的基础。

大冷量气体轴承斯特林制冷机与杜瓦耦合漏热分析

对大冷量气体轴承斯特林制冷机及其与杜瓦耦合方式进行了论述,对插拔式杜瓦耦合漏热损失进行了理论计算及试验分析,结果表明,插拔式杜瓦耦合损失为76.1%,制冷量仅有2 W@80 K。经分析可知,制冷机冷指与杜瓦内胆之间产生的环隙漏热是影响耦合性能的主要因素,通过对环隙采用真空密封方式和减小环隙引起的漏热损失,耦合损失降至16.5%,制冷量提升至7 W@80 K。该耦合方式简单可靠,易于操作,满足制冷机可拆卸更换和维修的工程化需求。

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。

空间自由活塞斯特林发电机气体轴承研究

自由活塞斯特林发电机具有可靠性高,使用寿命长,可适应多种形式的热源等优点,在深空探测和探月工程领域具有广泛的应用前景。气体轴承技术作为发电机的关键技术之一,可使活塞实现无接触的支撑,并做高频往复运动,从而提高发电机的可靠性。为了研究发电机在实际运行过程中气体轴承的特性,建立了气体轴承耦合间隙密封的三维计算模型,通过CFD数值模拟对流场进行了求解,分析了在交变流动下气体轴承承载力以及耗气量的变化规律,发现随着压缩腔的压力变化,气体轴承提供的承载力呈周期性变化趋势,承载力与供气压力及偏心率呈正相关关系。增大气体轴承节流孔孔径,可使承载力变大,但一个周期下的耗气量将增多。对于所研究的千瓦级发电机,动力活塞采用直径为0.1 mm的节流孔,在交变流动下,气体轴承最小可以产生1200 N/mm的径向支撑刚度,符合设计需求。

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。

单侧式斯特林制冷机柱簧减振器研究

为了解决单侧式斯特林制冷机在运行时振动较大的问题,在研究的被动减振器的基础上,提出一种结构的柱簧减振器,并对该柱簧减振器进行设计和试验研究。通过对设计出的柱簧减振器进行试验验证和优化,柱簧减振器减振效果较板簧减振器有明显的提升;同时,在制冷机输入功率240 W左右时,将制冷机冷指时域加速度由板簧减振器的2.2 g优化至0.85 g,制冷机冷指最大频域加速度优化至0.275 g,大幅降低了制冷机的振动,有效拓宽了制冷机的应用范围。

斯特林制冷机充气纯化试验装置的研制

斯特林制冷机内工作氦气的污染严重影响制冷机的性能和寿命。详述了研制的制冷机气体充气纯化试验装置的功能、技术特点及试验结果。

斯特林制冷机性能改进的实验研究

对斯特林制冷机用于制冷温区进行了探讨，提出一种复合型的低温制冷机型式─—脉管型斯特林制冷机，并从理论上分析了其制冷机理和性能，同时展开了实验研究，与单一的斯特林制冷机进行了性能对比，得出了有益的结果，脉管型斯特林制冷机用于２４５Ｋ以上温区较单一的斯特林制冷机具有优势。

氦气和氢气斯特林制冷机的不同回热特性

本文指出，氦气和氢气斯特林制冷机具有不同的非理想回热特性，两种工质对理论制冷量和制冷系数的影响有所不同，但两者都使理论制冷系数降低，达不到卡诺制冷系数δｃ。同时还指出，氢气斯特林制冷机受其非理想气体热物性的影响比氦气斯特林制冷机的大。

牛津型斯特林制冷机的动力特性分析

为了提高牛津型斯特林制冷机的制冷效率,提出了一种应用数值软件进行动力特性研究的方法。总结分析了压缩机、膨胀机的板弹簧刚度和活塞质量,充气压力,膨胀机位移相位角,膨胀机活塞行程以及制冷温度对制冷机动力特性的影响规律。优化了制冷机的动力系统,实验验证了该方法的可行性。研究结果表明,优化后制冷机的压缩机电机效率和整机效率均有所提高。

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。