高频脉冲管制冷机流动特性实验分析

系统的测量了不同运行条件下,高频脉冲管制冷机蓄冷器冷端压力波幅值、速度波幅值以及它们之间相位差的变化规律。结合焓流理论,解释了小孔开度、充气压力、压比和运行频率,在高频条件下对制冷性能的影响规律。所得结果定性解释了制冷机中相应的实验现象,对于高频脉冲管制冷机的机理理解和实验研究有重要指导意义。

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 。

高频脉冲管制冷机重力特性数值模拟及实验验证

本文采用数值模拟和实验研究的方法对高频脉冲管制冷机的重力特性进行了对比研究.研究表明,冷指方向与重力方向的夹角变化会对脉冲管制冷机的性能产生较大的影响,在135°时脉冲管内部会形成环流,在较低的输入功率下甚至不能达到其要求的温区。提高脉冲管制冷机的输入功率(脉冲管内动压幅值)、减小脉冲管的特征长度以及减小惯性管的长度在一定程度上可以抑制重力的消极影响.

热耦合型二级高频脉冲管制冷机实验研究

降低制冷温度至4 K温区是高频脉冲管制冷机的最新发展要求。本文介绍了一套热耦合型二级高频脉冲管制冷机的性能特性,它可以达到低于15 K以下的最低温度,是目前报道的高频二级脉冲管制冷机能获得的最低温度．通过对制冷机一级预冷、二级输入功率、二级冷量、室温条件等影响的分析,从实验角度揭示了该二级制冷系统的复杂影响,为进一步的深入分析和改进提供了基础。

单级高频脉冲管制冷机研究

采用单级高频脉冲管制冷机获得低于30 K的制冷温度是脉冲管应用的一个新方向。本文介绍了一套获得了26 K最低制冷温度的单级高频脉冲管制冷机,这是无多路旁通的单级高频脉冲管制冷机获得的最低温度。实验表明,即使对于惯性管作为主要调相结构的高频情况,双向进气方案在进一步调相和降低温度方面仍有很大作用。该工作为单级高频脉冲管制冷机在30-40 K温区的应用奠定了基础。该实验结果和模拟分析结果基本相符。通过和二级制冷机的比较说明了单级制冷机的优势,即较大的制冷量斜率。

高频脉冲管制冷机的数值模拟及其实验优化

随着高频脉冲管制冷机技术的发展,为了进一步提高制冷机的性能,需要对制冷机内部机理进行进一步的深入分析．运用数值模拟方法对脉冲管制冷机进行仿真模拟,能够有效直观地研究脉冲管制冷机的内部工作机理．本文采用CFD软件(FLUENT(?)),建立了回热器的多孔介质模型对不同工况的高频脉冲管制冷机进行全三维模拟计算,得到了高频脉冲管制冷机内部的流动分布,并通过计算得到了频率和平均压力对制冷机的内部参数和性能的影响．将计算结果与实际制冷机的优化结合起来,为实验的优化提供一定的依据．优化并得到了一种高效率的高频脉冲管制冷机,其80 K的COP达到4％以上．

单级高频脉冲管制冷机耦合特性研究

线性压缩机、回热器、脉冲管以及惯性管的耦合特性对高频脉冲管制冷机的整机性能有很大的影响。本文对高频脉冲管制冷机的各部件及整机的耦合特性进行了理论分析和实验研究。研究表明,当脉冲管制冷机运行频率越接近压缩机的谐振频率时,脉冲管制冷机的效率会越高,压缩机效率受冷头温度影响就较小;而改变惯性管的尺寸是改善脉冲管制冷机耦合特性的最有效的手段。

高频脉冲管制冷机回热器相位特性优化方法研究

基于REGEN3.3软件对10 W@80 K单级高频脉冲管制冷机回热器进行了仿真计算,分析了回热器冷端相位特性对于制冷量、效率的影响及冷、热端相位特性之间的关系。研究表明:当冷端质量流幅值及压比变化时,效率最优时所对应的冷端相位角变化较小;冷端质量流幅值越大,效率最优时所对应的冷端压力波幅值也越大。回热器热端质量流幅值随着冷端质量流落后于压力波角度的减小而增加,随着冷端压比的增加而增加;热端压力波幅值随着冷端压比的增加而大幅增加;热端相位角随着冷端质量流幅值的增加而减小,随着冷端压比的增加而增加。基于研究结果总结了高频脉冲管制冷机回热器相位特性的优化方法。

16.1K的高频两级脉冲管制冷机的实验研究

单级高频脉冲管制冷机直接降低到20 K以下温区存在很大困难,采用多级方案是高频脉冲管制冷机获得更低温度的主要方法。本文介绍了一套高频气耦合型两级脉冲管制冷机的性能特性,该脉冲管制冷机可以达到16．1 K的最低温度,是目前有报道高频气耦合型两级脉冲管制冷机的最低温度。文中给出了双向进气、频率和输入功率对最低温度的影响．

一种高频热驱动脉冲管制冷机不稳定现象的研究

报道了一种高频驻波热声发动机驱动脉冲管制冷机的热声不稳定现象。通过实验对此种热声不稳定现象的产生原因进行了探讨,发现增加加热功率或缩短声压放大器可以抑制此种不稳定现象;理论方面主要通过快速傅立叶变换对不稳定的压力波形进行分析,对其产生原因进行了初步分析。

12K预冷型高频脉冲管制冷机

研制了一款预冷型高频脉冲管制冷机,采用液氮来预冷脉冲管制冷机热端,对制冷机进行了设计计算,并对运行参数开展了实验研究。制冷机为同轴形式布置,采用置于液氮温区的长颈管及气库组合作为调相机构,回热器均采用不锈钢丝网作为蓄冷材料。在180W的输入电功下获得了675m W/20K的制冷量,在110W的输入电功下获得了12.2K的最低制冷温度,进一步对预冷的液氮采用抽气减压的方式降温到63K时,获得了11.9K的无负荷最低制冷温度。

长颈管型脉冲管制冷机的频率特性

实验测量了小孔阀门、不同长度长颈管和变截面长颈管做调相机构的高频脉冲管制冷机的频率特性,通过冷端相位差和压力波幅值的变化分析了不同调相方式对制冷性能的影响规律,并在实际制冷机的降温实验中进行了验证。

300Hz脉冲管制冷机特性研究

从实验和数值计算两个方面研究了1台工作频率为300 Hz的单级脉冲管制冷机的制冷特性。实验方面,验证了平均压力、入口压比、惯性管长度以及均流化元件对其制冷性能的影响,该制冷机在平均压力为3.96 MPa、入口压比为1.21时获得了79.6 K的最低制冷温度;数值计算方面,基于线性热声理论的模拟结果与实验结果进行了比较,以验证程序的有效性。

超高频微型脉冲管制冷机回热器优化设计

为了指导超高频回热器设计过程中运行参数的选取,基于准确度较高的回热器设计软件REGEN3.3开展了超高频1W@80K脉冲管制冷机回热器优化设计工作,总结了运行参数对于超高频回热器结构尺寸的影响。研究表明:冷端压比越高,回热器最优长度越短,直径越小;频率对回热器最优直径影响较小,进一步提高频率,回热器长度可适当变短;充气压力对回热器最优长度和直径影响均较小。最后总结出了超高频回热器运行参数选取方法,在保证回热器高效前提下进一步减小回热器尺寸,并将显著减少设计计算量。

高效脉冲管制冷机性能及冷头方向性影响研究

本文介绍了一套高频同轴脉冲制冷机在低功率输入条件下的性能特性,研究了减弱冷头方向性影响的方法．该制冷机采用中科院理化所自制的2cc线性压缩机驱动,输入功率30W,冷头垂直向下放置时,冷头的无负荷最低温度为58．9 K,在80 K可提供0．7 W的制冷量。

35 K/0.6 W多路旁通单级脉冲管制冷机

针对35 K温区应用这一制冷要求,围绕多路旁通方案高频同轴脉冲管制冷机这一拥有我国自主知识产权的技术开展了系统的实验研究。实验表明多路旁通流通面积和惯性管长度都有最佳值,是关键影响因素;引入双向进气后,制冷剂温度降低10 K左右,是35 K应用不可缺少的因素。实验表明多路旁通优于传统单级和二级的形式。在原理样机阶段,实现了200 W输入功率下最低温度23.1 K,0.6 W/35 K的性能。在此基础上,完成了另一套全焊接结构的实用样机的研制,测试得到了200 W输入功率下0.5 W/34 K的性能。这一工作的顺利开展代表了高频多路旁通方案实用化的突破,为我国35 K高频微型低温制冷机的研制奠定了基础。

院士寄语

周远低 温工程、制冷技术专家。 长期从事低温工程技术研究，在建立液氦和液氢温区条件及其应用中作出了重要贡献，并在新型制冷技术研究中取得了创造性的成绩。上世纪60年代在国内首先采用直拉进排气阀式长活塞型膨胀机替代液氢研制成氦液化器，为我国低温物理实验和超导技术的发展打下基础。1986年在国内首先开展脉冲管制冷机的研究工作，1988年首先提出了二级脉冲管制冷，1990年用实验验证和揭示了双向进气脉冲管的优异性能，1992年提出创新的多路旁通流程，1998年率先将同轴结构、多路旁通和非对称喷嘴结合用在微型高频脉冲管制冷机上，获得国内外同行的高度肯定。