Influence of input acoustic power on regenerator's performance

Performance of a pulse tube cooler significantly depends on the efficient operation of its regenerator. Influence of input acoustic power on regenerator's performance is simulated and analyzed with simple harmonic analysis method. Given regenera-tor's dimensions and pressure ratio,there is an optimal input acoustic power for achieving a highest coefficient of performance,due to a compromise between relative time-averaged total energy flux in regenerator and relative acoustic power at regenerator's cold end. Additionally,optimal dimensions of regenerator are also estimated and presented for different input acoustic powers. The computed optimal diameter obviously increases with increase of input acoustic power,while the optimal length decreases slightly,and as a result,a larger input acoustic power requires a smaller aspect ratio (length over diameter).

基于REGEN的100 mm长回热器脉管制冷机优化设计与实验研究

根据已有研究,回热器长度100 mm的脉管制冷机在温度低于60 K时的性能较好。将一台已有的65 mm长回热器单级同轴型脉管制冷机改造为100 mm长回热器单机同轴型脉管制冷机,分析回热器长度对脉管制冷机性能的影响。基于REGEN软件对脉管制冷机回热器进行优化设计,通过改变回热器填料、压比、冷端相位角和充气压力,研究其对回热器性能的影响。在实验中进一步探索研究输入功、频率等对制冷机的最低制冷温度和比卡诺效率的影响。实验结果表明,在充气压力2 MPa,运行频率51 Hz,输入功809 W,制冷量60 W时,冷头温度109 K,制冷机的相对卡诺效率达到12.9%。

三级同轴型脉冲管制冷机温度分布对回热器损失影响的数值研究

采用数值模拟方法研究三级同轴脉冲管制冷机,比较分析了同截面回热器和脉冲管的温度差异,并由此研究探讨了回热器各项损失与温度分布的相关性。结果表明,同一级回热器里不同形状的蓄冷材料之间的温度梯度会有较大的变化,导致轴向导热损失的明显增加。

10K单级脉管制冷机性能研究

20K温区大功率低温制冷机在超导体冷却、液氢无损贮存和低温泵等方面有着广阔的应用前景。为了探索单级脉管制冷机的极限制冷温度同时提高脉管制冷机在20K温区的制冷量,本文开展了计算模拟和实验研究。回热器模拟软件REGEN3.2的模拟结果显示,在不同的冷端质量流量下,单级脉管制冷机所能达到的最低制冷温度均为9.5K。在此基础上,本文设计了一台单级脉管制冷机,对回热器冷端10～80K温区的回热材料作了进一步优化。采用由不锈钢丝网、铅丸和稀土磁性蓄冷材料Er3Ni构成的复合式回热器,该单级脉管制冷机获得了10.9K的最低制冷温度,这是目前公开报道的单级脉管制冷机最低制冷温度。该制冷机在20.9K可获得20W的制冷量或在29.9K可获得40W的制冷量,输入功率为7.5kW。

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.

回热器填料布置方式对脉管制冷特性影响实验研究

考察了不同工作模式下 ,回热器填料布置方式对制冷机性能的影响和作用机理 ,结果表明 :在不同工作模式下 ,回热器填料布置方式对制冷性能的影响不尽相同。对于实验用单级 G-M型脉管制冷机 ,采用 2 k W压缩机 RW2驱动时 ,在小孔模式下 ,受调相能力的制约 ,回热器冷端采用铅丸代替不锈钢丝网 ,并不能进一步降低制冷温度 ,其制冷温度被限制在 3 0 K温区附近 ;而对于双向进气模式 ,最低制冷温度则从原来的 2 7K降低至 1 8.4K,相应的制冷量和 COP在所测温度范围内均明显增大 ,而且有效地避免了制冷温度不稳定现象的发生。

可用于THz探测器的百赫兹高频脉管制冷性能

THz探测技术的发展对低温制冷技术提出了更为紧凑高效的需求,为了进一步减小低温制冷机的体积,提高制冷机运行频率是一个重要的方法。近期的研究表明,如果配合制冷机频率的提高,增加相应的充气压力,缩小制冷机的体积等可以使制冷机工作在百赫兹、甚至千赫兹的水平上,为低温制冷机走向微型化提供了参考。本文给出了世界上首例采用线性压缩机驱动的、运行在百赫兹以上频率,并在80K有2W制冷量的高效脉管制冷机,其无负荷制冷温度为50K,并且该制冷机具有快速降温的特点,从环境温度冷却到80K的时间为7min,达到50K仅需要11min。

线性压缩机驱动的80K单级脉管制冷机设计与实验研究

结合美国标准与技术研究院(NIST)的回热器计算软件REGEN3.2,成功设计了1台单级斯特林型脉管制冷机。采用惯性管调相,在2.5 MPa充气压力和60 Hz频率下,获得无负荷制冷温度59 K。在压缩机输入电功率为250 W时,80 K获得了3.8 W的制冷量,与设计计算结果吻合得较好。

低于氮临界点温度工作的热声驱动脉管制冷机研究

采用热声发动机驱动的脉管制冷系统,消除了系统中的机械运动部件,具有结构简单、运行可靠和环境友好等优点。文中基于Regen 3.2软件,设计并制作了一台采用热声驱动的单级脉管制冷机。该制冷机采用双向进气结构,脉管和回热器为U型布置。初步实验研究中,以氮气为工质,该脉管制冷机获得了117.5K的最低制冷温度,低于氦的临界点温度126.19K;以氦气为工质,目前获得了83.5K的最低制冷温度。

低于13K的单级脉管制冷机性能研究

回热器是脉管制冷机的关键部件之一,其效率对脉管制冷机性能有很大影响。铅丸是常见的蓄冷材料,通常用于回热器的低温端。本文测试和分析了不同品质的国产铅丸和进口铅丸对单级G-M型脉管制冷机性能的影响。采用额定功率为6．0 kW的压缩机驱动,使用进口铅丸脉管制冷机最低制冷温度达12．9 K,这是当前单级脉管制冷机达到的最低制冷温度;40 K时的最大制冷量为57．4 W。使用国产铅丸最低制冷温度为13．6 K,40 K时的最大制冷量为55．9 W。本文对低温制冷机蓄冷材料选择具有一定的参考价值。

低于 4K 温度工作的二级脉管制冷机研制

介绍最近研制的一台双向进气带第二小孔阀型二级脉管制冷机实验情况。该机采用计算机时序控制，脉管热端均处于室温。文中给出了二级脉管制冷机的基本结构尺寸以及试验结果：一级脉管达到４５Ｋ；二级脉管无负荷最低制冷温度达到３．１Ｋ。能稳定、长期工作，讨论了影响制冷机性能的主要因素。

脉管制冷机回热器各参数关联性研究

在脉管制冷机回热器优化设计中,涉及诸多结构参数和运行参数,各参数之间具有一定的关联性。为了使回热器达到最佳性能,需要对每个参数循环迭代优化,整个流程将非常繁杂。基于回热器数值计算程序REGEN,对脉管制冷机回热器各参数之间的关联性进行了研究,并根据各参数之间关联性的强弱对设计流程进行了简化,以期对脉管制冷机回热器的工程实践提供指导。

大功率单级脉管制冷机回热器性能模拟与实验

为了提高单级脉管制冷机在20 K-40 K温区的制冷量,对自行设计制作的1台单级G-M型脉管制冷机采用REGEN3.3进行了计算模拟,获得了铅丸直径选择、不同温区回热器材料最佳组合等结果。在此基础上,对该台单级脉管制冷机进行了试验,实验结果表明该脉管制冷机在20.6K和29.9 K可分别获得20 W和40 W的制冷量,输入功率为7.5 kW。

脉管制冷机污染试验研究

通过强化加速试验,从运行时间、加热烘烤温度、自由气体污染和约束气体污染等方面研究了工质气体污染对脉管制冷机制冷性能的影响,试验结果表明,脉管制冷机在工作时,污染物在回热器内的重新分布以及污染回热材料是脉管制冷机产生污染效应的主要因素。结合传热及流阻等理论对试验结果进行了机理分析,其试验结论有助于脉管制冷机的空间工程化应用。

蓄冷器内部气体微团的热力过程分析

从脉冲管制冷机中的核心部件蓄冷器入手,考虑不同情况下气体微团的具体热力过程,循序渐进的分析等温和有温度梯度情况下蓄冷器内部不同相位关系的气体微团的压缩和膨胀过程,得出蓄冷器的泵热效应;并通过一定程度的近似假设,给出蓄冷器内部气体微团的理论制冷量的近似公式,得到影响脉冲管制冷机理论制冷量的关键因素。

80 K温区的小型行波低温热声制冷机

热声制冷机由于结构简单、无运动部件,具有广阔的应用前景。本文在已有的小型行波热声发动机的基础上,开展了热声制冷的工作。利用线性热声理论对制冷机进行数值模拟,并对制冷机的各热声元件优化。优化后,系统整体装配横向尺寸仅0.5 m,在充气压力3 MPa,发动机输入功率384 W的条件下,达到了80 K的无负载温度。由于本制冷机由行波型热声发动机驱动,并且是通过线性热声理论优化,因此称之为小型行波低温热声制冷机。