30 K脉管预冷CFD仿真研究

针对一台U型一级斯特林二级脉管混合制冷机,分析了一级冷量对二级脉管预冷对制冷机整机性能的影响。制冷机一级制冷温度为80 K,二级制冷温度为30 K,通过将一级冷指和脉管热桥连接,利用一级提供的冷量对脉管进行了预冷。通过计算流体力学(Computer Fluid Dynamics, CFD)仿真研究了脉管预冷对脉管内部温度场和速度场的影响。研究发现,对脉管进行预冷会改变脉管工作时的内部温度分布,对二级制冷能力有巨大影响。在不采用一级冷量对脉管中段进行预冷时,制冷机以二级0.7W@30 K和一级7W@80 K同时进行冷量输出,压缩机输入PV功为133 W;通过热桥将一级冷端换热器与二级脉管中段连接后,保持输入PV功为133 W,输出冷量变为二级1.2W@30K和一级6W@80K同时进行冷量输出。研究发现,U型一级斯特林二级脉管混合制冷机采用中段脉管预冷可大大提高二级的制冷能力。     

用于空间BIB探测器的0.3 W@4.2 K大冷量轻量化低温系统

大阵列BIB探测器由于其高量子效率和低暗电流而成为广泛的研究对象,特别是在空间应用方向。如2021年发射的詹姆斯韦伯太空望远镜,它已经进行了许多重要的天文观测。一个稳定、高效、轻量化的液氦温区低温系统对BIB探测器的运行至关重要。氦节流制冷机可取代传统的大容积液氦杜瓦,能满足空间液氦温区的制冷要求。为了同时提高4.2 K的制冷量并减轻重量,提出了一种0.3 W@4.2 K的大冷量轻量化的4.2 K低温制冷系统。并且在现有0.1 W@4.1 K制冷量的低温系统上进行实验,验证了该系统的设计方法。在不同的冷却温度区采用不同的冷却方法,以实现冷却的高效性和轻便性。开发了一个新的集成斯特林制冷机,在80 K时提供高效的一级预冷,制冷量为15 W,重量仅为4.5 kg;二级预冷采用主动活塞调相的15 K脉管制冷机,制冷量为0.9 W。此多级低温制冷系统通过耦合氦气JT循环,可以在4.2 K时提供0.3 W的制冷量,输入功低于1.8 kW。此系统将为正在快速发展的红外天文观测所需的空间BIB探测器提供保障。     

新型丙纶纤维填充式回热器单级脉管制冷机性能实验研究

回热器作为回热式低温制冷机的关键部件,其填充介质对整体性能影响很大。采用丙纶纤维作为回热器新型填充介质,对单级脉管制冷机进行了试验研究。对丙纶微尺度空间结构及物理性能进行了分析,基于充气压力分别为3.5 MPa/3.0 MPa/2.8 MPa/2.5 MPa/2.0 MPa/1.5 MPa的工况下,进行了降温性能、频率性能、制冷性能试验,获取了最低制冷温度,最佳工作频率及最大比卡诺效率。研究结果表明,充气压力对丙纶填充回热器的制冷机整体性能影响较大,工作频率的影响不是很明显。最终获得了最大比卡诺效率9.46%@170 K/10.06 W/77 W,最大制冷量为5.47 W@120 K/2.5 MPa、12.02 W@150 K/3.0 MPa、16.49 W@170 K/3.0 MPa,并获得了96.4 K的最低制冷温度。     

空间红外探测用30 K单级脉管制冷机高能效研究

建立了阻抗匹配模型,同时从冷指及压缩机两方面对制冷机性能进行优化.基于热声理论,构建了30 K温区脉管冷指的一维Delta EC理论模型,优化了惯性管型单级脉管制冷机冷指和压缩机耦合的工作参数.从机理上分析了回热器填料、双段惯性管长度及气库体积对冷指声学阻抗及压缩机声功转化效率的耦合关系.搭建实验测试平台,测试结果表明此单级脉管制冷机可以获得24.24 K的最低温度,输入功227 W时可以在30 K获得1 W冷量,可较好的满足空间红外探测器应用.     

机械制冷机冷却的透射式光学系统支撑结构

低温光学能够降低红外光学系统自身热噪声,有效提高探测灵敏度。支撑结构是实现光学系统在低温下正常工作的关键部件。设计的透射式低温光学系统工作温度为150 K,采用脉冲管制冷机这种新型机械式低温制冷机做冷源。因制冷机冷指直径较小,直接冷却光学透镜会在透镜内部产生较大温差,影响成像质量,为此设计了一种新型支撑结构,一方面设计了新型的轴向支撑和径向支撑用来减少透镜在低温下的形变,另一方面建立了透镜与脉冲管制冷机之间的传热模型,来指导支撑结构热设计,减小透镜内部温差。最后,对透镜支撑的低温性能进行了测试,实验结果表明,经过3 h,透镜温度由300 K降至150 K,支撑结构很好地保护了透镜并且在降温过程中透镜内部温差小于1 K。当温度从300 K降低到150 K时,光学表面的最大变形小于1（1=632.8 nm）。支撑结构从机械和热学性能上满足了低温光学系统的需要,为机械式制冷机冷却光学系统的光机结构设计提供了一种新选择。     

120 Hz线性压缩机与冷指匹配特性分析

针对一款频率为120 Hz的同轴型脉管冷指,设计了一台高频动磁式线性压缩机,并采用有限元分析方法进行了电机本体的设计。实验结果表明,制冷机在34 W输入功率下可实现80 K 时1 W的制冷性能。在此压缩机模型的基础上,与一台相同频率的斯特林冷指进行了匹配,通过对压缩机的动子板簧重新设计,在34 W输入功率下达到了80 K时 1 W的制冷量,证明此设计方法有效。     

杜瓦/快速起动节流制冷器集成体及杜瓦/斯特林循环制冷机集成体

红外探测器必须在大约80K低温下才能正常工作。因此,它一定要装在杜瓦中,而且要有节流制冷器或制冷机给其提供低温环境。随着红外技术的迅速发展,出现了杜瓦/快速起动节流制冷器集成体和杜瓦/斯特林循环制冷机集成体。杜瓦/快速起动节流制冷器集成体将杜瓦与快速起动节流制冷器制做为一体,消除了原与节流制冷器相配合的杜瓦芯柱,降低了能耗,诚小了体积,减轻了质量。这种集成体中的快速起动节流制冷器是以玻璃为材料的平面状快速起动节流制冷器,它采用两级制冷,第一级选用氮-碳氢化合物混合气体为工质,第二级选用纯氮气体为工质,在快速起动节流制冷器內装有微型喷射泵,这样,不仅提高了节流制冷器制冷效率,而且可使快速起动节流制冷器制冷温度达70K以下,有利地提高了红外探测器的工作性能。杜瓦/斯特林循环制冷机集成体将杜瓦与斯特林循环制冷机制做为一体,斯特林循环制冷机冷指与杜瓦芯柱合二为一,红外探测器直接安装于斯特林循环制冷机冷指之上,消除了芯柱热传导、斯特林循环制冷机与杜瓦之间连接的热偶合器及其产生的热阻,较大地降低了系统能耗,减少了斯特林循环制冷机体积,减轻了斯特林循环制冷机质量。     

40 K双波段长波探测器冷箱封装技术研究

冷光学技术是弱目标及多光谱红外探测的重要支撑技术。为了实现低温光学系统温度精确控制和防污染,一般多将低温光学与探测器集成在冷箱内。某高光谱相机需要1个320×64量子阱探测器和1个320×64 II类超晶格探测器共面拼接,集成双波段微型滤光片,形成长波双波段探测杜瓦组件,探测器工作所需的40 K低温环境由脉管制冷机提供。杜瓦采用无窗口设计,并通过柔性波纹管将杜瓦外壳与冷箱外壳集成,以实现气密性集成和光校调节。针对40 K温区双波段探测器封装的三维拼接、探测器及滤光片的低应力封装、制冷机与探测器的高效热传输等难点,对探测器的三维拼接、40 K温区高效热传输、探测器低应力集成的热层结构、低应力滤光片支撑、杜瓦与制冷机耦合等进行研究,创新性提出了三点Z向调节拼接方法、探测器Al₂O₃载体复合钼基板和钼冷平台的热层结构、双波段滤光片集成的钼支撑结构、带应力隔离的冷平台与制冷机过盈装配的耦合方法,最终实现了40 K温区下双波段探测器平面度优于±2.06μm(RMS)、探测器的低温应力小于22.06 MPa、双波段滤光片低温形变小于8.55μm、探测器与...     

直线型和同轴型脉管制冷机在90K的对比分析

直线型和同轴型脉管制冷机被广泛应用于空间领域,尤其是同轴型脉管制冷机.同轴型脉管制冷机结构紧凑且使用便利,而直线型脉管制冷机结构简单且制冷效率高.目前,对于两类脉管制冷机的理论比较研究相对较少,因此开展相应的比较研究很有意义.本文分析了两款不同结构的单级脉管制冷机(直线型和同轴型).通过建立一维数值模型分析两款制冷机相...     

红外系统应用的高频同轴脉冲管制冷机惯性管调相实验分析

直线压缩机SL400用于高频同轴脉冲管制冷机PT08的研制,优化的工作频率为40Hz,在气库与脉冲管间连接不同长度不同管径的惯性管作为调节脉冲管冷端处压力波与流速波合适相位的调节机构。不同排气量及额定输入功率的直线压缩机SL150驱动该制冷机,不同内径及长度的惯性管用于PT08脉冲管制冷机SL150压缩机的匹配调试,给出了不同的工作频率下制冷机的最低制冷温度及压缩机的效率数值,调节压缩机的工作频率,无双向进气,制冷机的最低制冷温度在59．1～65．1K的范围。随着惯性管的管径变粗,长度变短,压缩机驱动制冷机的最佳制冷性能(最低制冷温度)的工况条件往高的驱动频率方向变化。在实用化简易化商业化应用考虑的条件下,为SL150压缩机驱动PT08制冷机优化了较小直径较短长度的惯性管,该惯性管利于直接封装于气库的内部,使得气库可与同轴式脉冲管制冷机的冷指集成为一整体。     

直线型脉管制冷机的回热器压降研究

设计了直线型脉管制冷机的低温回热 器,搭建了该回热器的低温在机交变流动压降实验平台,开 展了压降和冷端压比变化规律实验研究,比较了输入功、频 率、制冷温度和充气压力对回热器压降的影响。结果表明,脉 管制冷机的运行频率越小,制冷温度越低,回热器的压降越大;充 气压力为3.0 MPa时的回热器压降大于3.2 MPa时;回 热器的冷端压比越大,比卡诺效率越高;通过增加回热器的冷端压 比可提高脉管制冷机的效率。     

超导单光子探测器用1~2 K制冷机热力学优化

对工作在1~2 K的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)用多级脉冲管预冷焦耳－汤普逊(JT)的复合制冷机制冷性能进行了系统的热力学优化研究。阐述了该复合制冷机的结构设计和工作机理;基于热力循环分析提出了焓流模型,同时建立了适用于3 K以下温区的实际流体质量流量模型,并将二者结合,分析复合制冷机的性能;探讨了理想情况下净制冷量随末级预冷温度和上游压力的变化特性,应用所提出的模型通过离散参数拟合方法对二者进行优化。发现对于He-4和He-3工质,多级脉冲管末级最优预冷温度分别为11 K和8 K;以He-4为工质,该复合制冷机能在2.2 K的温度下提供85 mW以上的制冷量;以He-3为工质,能在1.0 K提供18.5 mW的制冷量,该性能能够满足SNSPD的实际应用需求。     

一种透射式低温光学系统的设计与验证

由于能够减小系统自身的热噪声和提高系统信噪比,低温光学是实现高灵敏度红外探测的必要手段。提出了一种将脉冲管制冷机用作冷源的透射式低温光学系统。这种新型低温光学系统可用于体积和重量受限而又需要进行高灵敏度红外探测的场合。从光学设计、光机结构设计和内部热噪声分析等方面说明了透射式低温光学系统的设计过程。搭建了用于对脉冲管制冷机冷却光学系统的可行性进行验证的试验系统,并从系统内部热噪声的角度对低温光学的有效性进行了验证。实验结果表明,经过3 h,透镜温度由300 K降至设计温度150 K,继续降温则可达到最低温度105 K。测试过程中,透镜保持完好,验证了将脉冲管制冷机用作冷源的可行性。用黑体和320×256元碲镉汞探测器对光学系统自身的热噪声进行了测试。结果表明,当光学系统的温度从300 K降至215 K时,其自身热辐射减少了75%。这与理论分析结果一致,验证了低温光学降噪的有效性。     

微型斯特林制冷机的进展

随着高温超导和空间技术的发展对微型低温制冷机的制冷量、效率和可靠性提出了更高的要求。新出现的技术如柔性支撑和脉管将对未来的制冷机产生巨大的影响。介绍了最近几十年里各种微型制冷机的发展状况，特别是重点介绍了微型斯特林制冷机的发展，给出了世界各大制冷机生产厂家的生产水平。同时本文介绍了目前国内的微型斯特林制冷机发展状况。     

基于随机森林回归分析的脉管制冷机性能预测模型

为了探索星载脉管制冷机相关参数对制冷性能的影响和提高制冷性能的一致性,建立了基于机器学习的随机森林回归(Random Forest Regression, RFR)模型,然后对制冷性能与各个自变量进行了回归预测。制冷性能预测的平均相对误差为5.62%,平均确定性系数为0.805。按照特征重要度从高到低排序,前两位分别为丝网填充率和磁感应强度,与实际的实验结果相符（丝网填充率和磁感应强度的实际输入功的变化值分别为6.11 Wac和3.52 Wac,远大于其他4个自变量）。研究结果表明,RFR具有较高的精确度和鲁棒性,为提高星载脉管制冷机性能的一致性提供了新的思路。