Temperature Fluctuation of a Closed-Cycle Helium Joule-Thomson Cryocooler with Two-Stage Precooling

For quantum communications,single-photon detection,millimeter wave detection and other space projects,all of them need to work at liquid helium temperatures to achieve excellent performance.The closed-cycle helium Joule-Thomson cryocooler(JTC)is currently one of the mainstream solutions to realize the liquid helium temperature.While realizing the liquid helium temperature,the detector has strict requirements on the temperature fluctuation of the JTC,because the thermal noise caused by the JTC temperature fluctuation will have a critical impact on the detection performance.The typical closed-cycle helium JTC is precooling by a two-stage precooler.When the operating parameters of the JTC compressor remain unchanged,the change of the precooler is the main factor that affects the temperature fluctuation of the JTC.To explore the influence mechanism of JTC temperature fluctuations,experimental and theoretical studies are carried out.Based on the real gas equation of state,the influence of various parameters on the evaporator temperature fluctuations is explained.Research results show that the increase in temperature of each stage will cause the temperature of the JTC to increase.Especially,the change of the secondary precooling temperature(T_(pre2))has the most obvious influence on JTC temperature.Furthermore,the influence of the JT compressor’s buffer tank volume Vb on temperature fluctuation is studied.By increasing the Vb,the JTC temperature fluctuation caused by the temperature change of the precooler can be effectively reduced.

逆布雷顿循环微型低温制冷机

在目前广泛采用的低温制冷循环中， 以透平机械为主的逆布雷顿循环制冷机有望能够满足卫星、宇宙飞船等航天器上低冷量、高性能、高效率的特殊要求，成为空间制冷的一种选择。总结了近几年空间用逆布雷顿循环制冷机的研究成果，表明由 Ｄ Ｃ Ａ Ｃ转换器、微型离心式压缩机、微型透平膨胀机及高效紧凑式换热器组成的微型逆布雷顿循环制冷机是一种有前途的微型低温制冷机。

超高频同轴型脉冲管制冷机研究

超高频脉冲管制冷机体积小、重量轻,在空间应用中备受关注,近几年来成为该领域的一个前沿发展方向。由于直线型脉冲管制冷机结构简单、方便调试,在模拟计算的基础上加工直线型试验样机,根据直线型试验样机的优化结果设计加工同等尺度的同轴型原理样机,其冷指外径仅有9 mm,长度40 mm,质量为250 g。同轴型样机经过压缩机的匹配和双向进气结构的优化,采用谐振频率为50 Hz高频压缩机工作在90 Hz驱动,80 W电功率输入下可获得46.4 K无负荷最低温度,在80 K可获得2.1 W制冷量。由于冷指尺寸小、运行频率高,冷头降温速度快,2 min即可从室温降至工作温区80 K,且冷头温度不受重力影响。

空间机械制冷机的工程化研究现状

空间制冷技术是制约空间红外遥感技术发展的关键技术之一。随着红外遥感元件所需冷量的大幅提高,空间机械制冷机逐渐成为空间制冷的主力军。首先简单介绍国内外空间机械制冷机的工程化进展状况;并结合美国JPL实验室近十年关于机械制冷机的研究报告,概述在空间机械制冷机研制过程中需要重视和考虑的技术问题,有助于加快我国空间机械制冷技术的应用进程。

液氮温区小型斯特林制冷机回热器特性的理论研究

定量获取小型斯特林制冷机回热器的不可逆性对整机优化设计与性能改进具有重要意义 ,一直是当前小型制冷机研究的难点。文中建立了小型斯特林制冷机回热器的理论模型 ,通过对控制方程进行无量纲化处理及合理简化 ,推导出非常容易求解的零阶一维控制方程 。

红外用微型节流制冷器耗气量实验研究

微型节流制冷器具有体积小、重量轻、可靠性高、启动速度快、冷端无运动部件等突出优势在红外导引头中广泛应用。不同类型节流制冷器的耗气量不一样,节流制冷器耗气量的大小决定了弹上气瓶的体积、重量、工作时间等。对微型制冷器的耗气量进行了实验研究,对比分析了4种节流制冷器在不同条件下的耗气量,为节流制冷器在不同场合下为工程应用提供了参考。

微型斯特林制冷机发展综述

从电子技术和光电子技术发展背景出发,论述了微型斯特林制冷机的发展前景及其关键子系统(控制系统、驱动系统和回热器等)的发展情况;同时论述了高频微型斯特林制冷机发展的技术关键是回热器的孔径率很高或者是孔径很小(10～50μm),同时膜的振幅在10～100μm级,以减小高频下黏性损失有所增大的负效应。

微型斯特林制冷机用柔性板弹簧性能分析

基于有限元方法,分别对压缩机和膨胀机用柔性板弹簧进行理论分析,明确了最优网格单元数量和加载边界条件对设计准确度的影响。实验测试的板弹簧刚度与理论分析结果平均误差小于0.5%,而自振频率与理论分析结果平均误差小于2%。同时,分析了制冷机常用的3种不同型线类型的板弹簧,偏心型圆渐开线板弹簧不仅具有较大的径轴向刚度比且可靠性更高,圆渐开线型更利于线性压缩机在较高的频率下工作。综合考虑下,选用偏心型板弹簧作为微型制冷机用板弹簧。

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。

脉管制冷机光纤结构回热器特性的模拟与分析

提出采用基于多孔光纤技术的以熔融石英为材料的回热器构想,其流道水力半径可以达到比高目数不锈钢丝网更小的尺度,然后就635目不锈钢丝网(rh=8μm)和熔融石英多孔平行管(rh=8μm、5μm、1μm)等4个算例进行模拟计算和优化分析。结果显示,在相同的高频工作环境下,采用熔融石英多孔管回热器脉管制冷系统的COP高于采用635目不锈钢丝网系统的COP,并在一定范围内随着石英多孔管水力半径的减小而增高。

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。

微型节流制冷器用翅片管换热器的数值模拟研究

微型节流制冷器因其快速冷却、结构简单紧凑而被广泛的应用在红外探测器、超导量子干涉器件、热像仪等器件的冷却。微型节流制冷器性能的好坏则取决于翅片管换热器内的流动特性与传热特性。通过数值模拟对翅片管换热器的热力学性能进行研究,数值模拟结果很好的揭示了翅片管换热器内的热力学特性。在此基础上,对微型节流制冷器进行了优化分析,结果表明了质量流量和换热器长度对换热器效率及制冷器理论制冷量的影响。

小型自调式J-T制冷机波纹管刚度特性分析

自调式节流制冷器具有结构简单、响应速度快、稳定工作时间长等突出优势,在红外制导领域具有广泛的应用。镍基封闭充压波纹管作为自调式J-T节流制冷机的自调节机构的主要组成部分,其刚度特性对于实现稳定可靠自调过程非常重要。首先建立了自调式有限元模型,求解了波纹管刚度,进而将刚度的有限元求解结果与现有算法进行了对比分析。在此基础上,深入分析了环境温度、波纹管壁厚、波拱高度、倒角、波距等参数变化对波纹管刚度的影响,深入剖析了不同参数影响下,波纹管刚度变化规律。结果显示,有限元计算的刚度值与现有算法比起来更加准确。温度和波拱高度与刚度负相关,壁厚与刚度正相关,波纹倒角变化的影响可忽略。波距对刚度的影响并不稳定,波距在一定范围内变化时,刚度呈现先下降后上升的趋势。

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。

小型线性斯特林制冷机研究

本文介绍一款小型线性斯特林制冷机总体方案及参数设计,制冷机质量≤400g(目标值),匹配Φ8mm冷指,优化工作温区为110K,可拓展至80K温区工作,23℃工作环境能实现制冷量0. 7W@80K(25Wac)、0. 8W@110K(15Wac)。该制冷机通过与探测器进行联试,表明制冷性能及动力学特性可基本满足用户需求,并从制冷性能、质量、可靠性等三方面对制冷机提出了改进措施。