Study on a 5.0 W/80 K single stage Stirling type pulse tube cryocooler

A single stage Stifling pulse tube cryocooler was designed based on REGEN 3.2 and fabricated for testing. The experimental results show that the cooler can provide a cooling capacity of 5.0 W at 79.1 K, and produce a no-load temperature of 57.0 K, operating with an average pressure of 2.50 MPa and a frequency of 60 Hz, performance results that are very close to the calculated values. The cryocooler can be cooled from room temperature to 80 K in 8.5 min. The fast cooldown time is a result of the small regenerator.

Cryocooler Operation of a Pulse-Driven AC Josephson Voltage Standard at PTB

The PTB Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS) enables the generation of arbitrary waveforms up to voltages of 70 mVRMS (199 mVPP) using two Josephson arrays in series containing 4000 Josephson junctions each. The SNS-like double-stacked junctions are based on NbxSi1-x as barrier material. While the JAWS system is typically operated using a Dewar with liquid helium, the operation in a closed-cycle pulse-tube cryocooler at temperatures around 4.2 K range was here investigated and successfully demonstrated. For this purpose a special designed cryoprobe was used to provide high quality pulses to the Josephson arrays.

直线压缩机及关键技术研究进展

介绍了小型低温制冷机用直线压缩机的结构和动力学理论,结合国内外近20年来的文献和报道,总结了国内外主要研究单位的直线压缩机研究进展。对影响直线压缩机的关键因素如磁路设计、支撑结构、间隙密封技术进行了总结,最后指出当前小型低温制冷机用直线压缩机的未来研究趋势。

液氦温区大冷量GM制冷机仿真及参数分布研究

为提高液氦温区GM制冷机制冷效率,加快产品迭代速度,采用Sage仿真软件对鹏力超低温生产的一台KDE420两级GM制冷机进行了整机建模,该制冷机由两台KDC6000V压缩机并联驱动,模拟结果显示该制冷机一、二级分别可获得71.6 W@50 K、2.6 W@4.2 K制冷量,与实验测试结果基本一致。同时对模型中整机(火用)损失情况、膨胀机内温度和(火用)流分布等进行了系统分析。分析表明:进入二级回热器的(火用)占一级膨胀腔(火用)的69.5%,二级回热器铅丸段温度梯度过高,通过优化二级回热填料可进一步提高制冷性能。

6 W@80 K空间同轴脉管制冷机设计与实验研究

针对某空间红外载荷需求,基于Sage平台搭建了同轴脉管制冷机整机模型,根据仿真结果对冷头结构参数进行了设计计算。在此基础上,利用实验方法探究了回热器填充方式、惯性管组合方式、充气压力、输入功率、冷头方向对制冷机性能的影响,并与仿真结果比较,两者吻合度较高。研制成功的脉管制冷机整机质量为3.5 kg,输入功率150 W时,无负荷制冷温度为39.74 K,可获得7.23 W@80 K的冷量,整机相对卡诺效率13.26%,在空间用同轴脉管制冷机中处于先进水平。

冷端测温位置对制冷机性能表现的影响

机械制冷机是提供红外载荷工作所需低温环境的主要设备,在运行过程中,制冷机冷腔温度会低于测温二极管处的温度,该温差与二极管测温位置及其造成的传热热阻有关。本文先从理论上分析了二极管测温位置及其造成的传热热阻差异对冷腔实际温度的影响,并进行了实验验证,再进一步通过理论推导与实验测试研究了制冷机冷腔的实际温度对制冷机性能表现的影响,指出了在使用模拟杜瓦进行制冷机性能测试的过程中,应注意以下几个问题:①测温二极管与制冷机冷腔存在固有温差。温差越大,制冷机冷腔的实际温度越低,制冷机与杜瓦的性能总体表现越差。②测温二极管与制冷机冷腔的温差大小受杜瓦组件热阻的影响。热阻越大,该温差越大,制冷机冷腔实际温度越低。③测温二极管焊接位置会影响杜瓦组件的热阻大小,从而影响制冷机冷腔的实际温度。测试杜瓦设计时应充分考虑二极管测温位置的设置,避免模拟失真影响对制冷机性能的评估。

两级GM制冷机数值模拟与分析

采用Sage软件建立了两级GM制冷机整机数值模型,并通过实验结果进行了验证。基于数值模型和?分析方法,分析了不同制冷温度下压缩机、旋转阀与冷头的损失分布。结果表明,损失主要发生在压缩机和旋转阀上。冷头的损失随着制冷温度的降低而增加,在4.2 K时36%的损失发生在冷头上,其中61%的冷头损失是由于实际气体效应引起。压缩机、旋转阀和回热器的低效性以及实际气体效应主导了制冷机的损失,导致制冷机效率低下。

小型线性斯特林制冷机驱动控制方法研究

为了设计一种能使小型线性斯特林制冷机快速启动并获得高效功率输入的控制器,设计了基于STM32F407单片机的驱动控制器。根据控制器的输出电气参数对制冷机中的直线电机部分进行有限元仿真,仿真中未出现磁路饱和现象。基于传统的“低压启动,手动调节至高压运行”的制冷机启动方法,提出了“半压启动,线性升压,高压运行”的制冷机自动启动方法,在避免活塞撞缸的同时加快了制冷机制冷过程。通过脉宽调制技术将制冷机驱动波由正弦波转变为梯形波,以提高逆变电路的直流母线电压利用率。研究结果表明:梯形波驱动方式实现了制冷机输入功率约25 W的提升,制冷量也有相应提高。

空间制冷机被动隔振装置设计及仿真

遥感卫星的发展让空间制冷机的应用愈发广泛,制冷机在为探测器提供所需温度环境的同时也带来了微振动干扰,严重时会影响探测器性能,因此,需要对制冷机的微振动进行抑制.基于松弛型阻尼器和三点均布支撑的布局形式,设计了制冷机被动隔振装置,分析了装置的隔振性能,对比了动力学模型和有限元模型的传递特性.研究结果表明,所设计的被动隔振装置对制冷机主频、二倍频、三倍频隔振效率分别达到90%、95%、97%,本文对空间制冷机的被动隔振装置工程设计具有参考意义.

斯特林制冷机在冰箱系统中的应用及可行性研究

斯特林制冷机具有运动部件少,无需润滑油,制冷过程无相变,制冷温度范围大,制冷量方便可调和制冷效率高等优点,在商用/民用制冷系统中具有广阔的应用前景。为满足用户低温冰箱高端化需求,本文研制了一台蒸气压缩和斯特林机联合制冷的多温区冰箱,开展了斯特林制冷机性能测试、散热和导冷结构设计优化及斯特林冰箱的整机性能研究,分析了输入功率和环境温度对斯特林制冷机性能的影响。结果表明:随着斯特林制冷机冷端温度的增加,其输出制冷量和COP均不断增加;增大输入功率可以有效增加输出制冷量,但COP略有降低。在环境温度43℃下,斯特林制冷机在冷端温度为-60℃时可输出制冷量为28.97 W,COP为0.37。本文还提出了基于热管技术的斯特林制冷冰箱的冷热端传热结构,仿真结果表明本文提出的散热导冷结构均可满足系统设计要求。最后,开展了斯特林制冷冰箱实验性能测试,32℃环境温度下的空载测试实验表明,低温室降温耗时相比冷冻室缩短28%;在环境温度43℃下,冰箱稳定运行后低温室平均温度可达-64.5℃,斯特林制冷机和整机耗电量分别为2.33 kW·h/d和4.13 kW·h/d。

基于4 K制冷机的低温泵抽气单元性能分析

中性束注入实验单元系统调试和小尺寸样机验证测试需要真空环境支持,针对实验气体负载性质与真空要求,探索研制外置式制冷机低温泵。设计了一种基于单台4 K制冷机的低温泵并开展抽气单元性能分析,采用ANSYS热分析方法研究抽气单元热学性能,得到了不同气体热负载下的温度分布,结果表明,抽气面温度处于5 K左右,能够有效抽除H_(2)、He等难凝性气体。采用MOLFLOW对连接抽速测试系统的低温泵进行了气体粒子运动模拟,验证了抽气单元设计的合理性,并模拟得到气体捕获系数为0.409;探究了气体负载对抽气性能的影响,结果表明,受温升影响,泵的抽速波动较小,抽气性能良好。研究方法与结果为实验用制冷机低温泵的研制提供了有益参考。

空间脉冲管制冷机自适应主动减振控制技术

采用自适应主动减振控制器驱动制冷机压缩机,通过自适应窄带滤波控制算法使脉冲管制冷机50 Hz微振动力由0.21 N减为0.05 N,100 Hz微振动力由0.26 N减为0.04 N,150 Hz微振动力由0.9 N减为0.04 N,200 Hz微振动力由0.97 N减为0.02 N,250 Hz微振动力由0.69 N减为0.0 6 N。测试结果表明自适应主动减振控制对压缩机轴向前五阶具有明显的减振效果。

脉管制冷机的研究进展及其仿真优化

脉管制冷机具有高稳定性、持久运行和低振动等特性,符合高真空设备低温泵对冷源的要求,在低温真空泵领域的关注度越来越高。本文首先介绍了脉管制冷机的基本原理和分类,然后按照驱动方式总结了不同脉管制冷机的最新研制进展,最后重点分析了不同仿真方法在脉管制冷机研发和优化过程中的实际应用。

整体式斯特林制冷机的密封泄漏分析

整体式斯特林制冷机的主要失效原因有蓄冷器污染、运动摩擦副磨损、轴承失效、驱动控制电路失效以及气体工质密封泄漏。而气体工质密封泄漏问题是影响制冷机可靠性的最主要因素。影响制冷机密封性能的主要因素为密封表面加工质量、密封材料和密封结构。选取两款典型制冷机的密封结构作为研究对象,对制冷机的密封结构建立有限元模型。仿真结果表明,与轴对称结构相比,中心对称密封结构的应力分布更加均匀,有利于制冷机密封性能的改善。该结果也为后续制冷机生产工艺过程中提高可靠性以及新研发制冷机设计思路提供了参考借鉴。

基于改进AVOA的小型自由活塞斯特林制冷机控制算法研究

针对小型自由活塞斯特林制冷机在温度控制系统中建模复杂以及易受环境温度和热负载变化的影响等问题,提出一种基于改进非洲秃鹫优化算法的模糊PID控制算法。通过在一台10 W@77 K自由活塞斯特林制冷机的温度控制系统中加入滞环偏置继电器辨识制冷机的数学模型,以此构建闭环控制系统,着重针对基于改进非洲秃鹫算法的模糊PID控制算法进行仿真实验。针对非洲秃鹫优化算法存在的容易陷入局部最优、收敛速度慢等问题,提出了一种融合多策略的改进非洲秃鹫优化算法,其中引入Tent混沌映射以提高初始个体多样性,并对次优秃鹫选择策略进行改进,加强算法脱离局部困境的能力,最后利用精英反向学习进一步增强算法全局搜索能力。仿真实验结果表明,该算法与PID算法、模糊PID算法和非洲秃鹫算法优化的模糊PID算法相比,调节时间分别降低79.69%、56.22%、50.26%,超调量分别减少87.70%、59.81%、60.38%;在加入方波扰动、白噪声、脉冲扰动和正弦波扰动下,控制系统的超调量的变化率分别为2.61%、2.35%、2.44%和2.49%。因此,基于改进非洲秃鹫算法的模糊PID控制算法与常规控制算法相比,具有响应速度快、超调小、抗干扰性强和稳定性好等优点。

液氢温区材料拉伸测试装置研制及仿真分析

为了满足当前液氢工程领域对材料力学性能测试的需求,以两台G-M制冷机为冷源、氦气为载冷介质,设计和研制了一台低温材料拉伸测试装置。该装置可实现14~300 K温区内各类固体材料的拉伸试验。采用液氮预冷的方式,样品降温至14 K用时仅7 h。对试验腔内试件的温度分布进行仿真模拟,结果表明试件的温度梯度主要存在于纵向,而横向没有明显的温差。对316 L不锈钢试样进行多工况拉伸性能测试,可重复性高于97.8%。所得304和316 L不锈钢材料的屈服强度和抗拉强度测试数据与文献数据相比最大相对偏差仅为6.3%,该深冷温区拉伸测试装置具有较高的可靠性和准确性。

Thermal Performance of a 4 K High-Frequency Pulse Tube Cryocooler with Different Working Fluids

The high-frequency pulse tube cryocooler(HPTC)represents a promising miniature cryocooling technology due to its compact structure and the absence of low-temperature moving components.However,limited to the non-ideal gas effect of4He,the HPTC is hard to obtain high cooling performance in the liquid helium temperature range.3He as the working fluid can effectively improve the cooling performance of the HPTC,but the high cost hinders its wide application.In consideration of both cooling performance and cost-effectiveness,this paper explores the feasibility of utilizing^(3)He-^(4)He mixtures as the working fluid for HPTCs.Firstly,the experimental results of a developed HPTC based4He are reported.With a total power consumption of 575 W,the lowest temperature of 3.26 K was observed.And the measured cooling power at 4.2 K was 20.8 mW.Then the theoretical utmost efficiency of the cryocooler was calculated in terms of the thermophysical properties of the working fluids,using ^(3)He-^(4)He mixtures with different compositions as the working fluids.The whole machine modeling of the HPTC was further carried out,and the influence of the working fluids with different components on the structural parameters such as double-inlet and inertance tube,and operating parameters such as pressure and frequency were analyzed.The calculated results show that the cooling power is expected to be increased to36 mW and 53 mW if the equimolar ^(3)He-^(4)He mixture and pure ^(3)He are used,respectively.

宇航级磁阻尼吸振器试验研究

为了解决空间站低温存储装置用斯特林制冷机振动难题,设计并开发了一款宇航级磁阻尼吸振器及其保护装置,对吸振器的频率适应性、不同样品质量减振性能及宇航级环境适应性开展了试验研究。试验结果表明:磁阻尼吸振器的吸振频率宽度为0.6 Hz,轴向基频加速度维持在50 mg以内;吸振器在驱动频率0.4 Hz范围内轴向基频加速度维持在30 mg以内;样品质量0—10 kg范围内吸振器对样品质量不敏感,制冷机基频、二阶及时域随样品质量逐渐增加变化较小;制冷机及吸振器通过了宇航级力学环境适应性。力学试验前后,主振方向基频、二阶和时域加速度无明显变化,表明在力学试验前后的吸振器减振性能无变化。

回热器丝网参数对斯特林制冷机性能的影响

回热器为斯特林制冷机的关键部件,其参数直接影响制冷机的工作效率,不锈钢丝网为回热器填料。分析了回热器丝网参数对斯特林制冷机性能的影响。利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真得出回热器内流场分布、压力分布规律。利用流量测试系统得出空隙率与流量之间的关系。空隙率越大,回热器内部流量越大,降温时间有所增加。通过试验研究了不同空隙率、丝网数量对性能的影响。结果表明,当丝网数量相同、回热器空隙率为0.61~0.78时,空隙率增大,制冷机降温时间随之增加;当回热器丝网数量为600~800时,制冷机降温时间随着回热器丝网填充数量的增加而降低。

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。