液氦温区双向进气型脉管制冷机的绝热模型

在考虑２０Ｋ以下温区氦流体热物性特点的基础上，本文建立了液氦温区脉管制冷机的经热模型，用以研究液氦温区双向进气型脉管制冷机的动态工作过程及其制冷机理，为开展液氦温区多级脉管制冷机的实验研究提供了理论依据。     

20K以下温区斯特林型脉管制冷机的最新研究进展与损失机理分析

系统介绍了20 K以下温区斯特林型脉管制冷机的最新研究进展,指出了多级斯特林型脉管制冷机的应用前景与发展趋势.深入分析了多级斯特林型脉管制冷机20 K以下温区的主要损失特性,以及其难以达到更低制冷温度和更高制冷效率的内在原因,着重说明进一步提高高频回热器效率、发展高效线性压缩机技术是实现突破的关键.     

有阀型小孔脉管制冷机的深入研究

为了克服第三代脉管制冷机存在的制冷温度不稳定的缺陷,本文从提高脉管制冷效率,进一步降低制冷温度的角度,对有阀型小孔脉管制冷机进行了研究。通过理论计算和实验改进,有阀型单级脉管制冷机取得了３４Ｋ的无负荷制冷温度,在８０Ｋ获得３０Ｗ以上的制冷功率,其制冷效率达到国外同类商品型有阀脉管制冷机的水平。     

DC流对液氦温区斯特林型脉管制冷机的影响

理论研究表明DC流(Direct Current flow)存在于大多数双向进气结构的脉管制冷机中。开展了10 K以下多级斯特林脉管的实验研究,考察了在液氦温区斯特林脉管内直流流动对制冷机性能影响的规律。在采用双向进气结构对DC流流向及流量适当控制时,制冷机性能得到明显提升,在8—7 K温区适当的DC流下冷端由7.42 K降低至7.16 K。     

中温区高频斯特林型脉管制冷机研究

脉管制冷机经过了近几十年的发展,不管是在冷量大小还是在运行的可靠性方面,其性能均得到了大幅的提升,目前主要研究是在80 K制冷温区,应用于中高温区的脉管制冷机还有待进研究。高频运行有助于实现脉管制冷机小型化和轻量化。采用随机丙纶纤维作为回热器的填充介质,设计了100 Hz线性压缩机驱动的直线型脉管制冷机,实验测试了不同条件下的制冷性能曲线。该脉管制冷机在150 W电功下可取得149 K的最低温度,在170 K的制冷温度下可获得9 W的制冷量。     

分离型二级脉管制冷机的实验研究第一部分20～40 K温区单级大功率脉管制冷机

为了满足液氦温区分离型二级脉管制冷机第二级预冷的需要,设计制作了1台20～40K温区单级大功率脉管制冷机.采用额定功率为6 kW的压缩机驱动该制冷机,最低制冷温度达13.8K,刷新了单级脉管制冷机最低制冷温度纪录.该制冷机在40 K可获得高达55.9 W的制冷量,基本可以满足15～40 K温区超导磁体等冷却的需要.着重分析了频率、充气压力和不同压缩机对系统制冷性能的影响,测试了长时间运行中系统性能的变化情况.     

基于传输管的三级级联脉管制冷机实验研究

为提高脉管制冷机制冷效率,通过引入一根特殊设计的传输管,将本应在前一级脉管制冷机脉管热端耗散声功回收,理论上多级级联脉管制冷机制冷效率可达卡诺效率。基于该理论,在已有两级级联脉管制冷机基础上串入第三级制冷机。实验结果显示,该三级级联脉管制冷机最高可获得253.6 W@233 K制冷量,较单级制冷机制冷效率增加39.9%,制冷效率进一步趋于卡诺效率。     

液氦温区脉管制冷机的频率特性

着重研究了操作频率对液氦温区脉管制冷机性能的影响,在实验和分析的基础上,明确了制冷温度、制冷量、制冷效率与工作效率之间的关系,并与4K G－M制冷机的情况进行比较,得出了一些有益的结论。通过频率优化,脉管制冷性能得以较大提高。在初步试验中,分别在1．2Hz和1．1Hz获得了30W@70K,500mW@4.2K以及20W@65K,590mW@4.2K的制冷量。同时还给出了脉管制冷湿度稳定性的测试结果。试验结果表明,研制的脉管制冷机温度波动均小于同类商品型4K GM制冷机及脉管制冷机。     

高性能低温制冷机--脉管制冷机研究进展

回顾了自20世纪60年代中期至今脉管制冷机的发展历史，探讨了促使脉管制冷机从实验阶段发展成为当前最高效低温制冷的各种因素，阐述了不同形式脉管及热声制冷机的工作机理，简要介绍了近年来为减少不同组件的各种损失，从而提高其效率所作的一些改进。列举了脉管制冷机还存在的主要问题和部分应用例子。目前，脉管制冷机在80K温区的效率已经达到了卡诺效率的20％，并且获得了2K的最低制冷温度。     

混合工质在脉管制冷机中的可能应用

提出了采用合适的混合工质代替纯质氦以提高脉管制冷机在８０Ｋ温区制冷量的新构思。概述了国外在制冷循环，天然气液化及Ｊ－Ｔ节流制冷中应用混合制冷剂从而提高了系统热力学效率的研究成果，及国内对混合物低温制冷物质的研究进展情况，进一步论证了混合工质应用于脉管制冷机的可行性。     

20K以下温区单级脉管制冷机直流控制实验研究

开展了20K以下温区单级脉管制冷机的实验研究，考察了直流流动对制冷机性能的影响，估算了不同制冷温度下制冷机循环的需气量，在对直流进行控制的情况下，采用2kW(RW2)和4kW(CP4)压缩机分别获得了18．7K和14．7K的最低制冷温度，对应的在30K的制冷量分别为10W和29．5W。     

氦氢混合工质单级GM型脉管制冷特性实验研究

针对80K温区，在一台单级GM型脉管制冷机中进行了氦氢二元混合工质的实验研究。实验结果表明，采用一定组分的氦氢混合工质可以提高脉管制冷机的制冷性能。     

谐振子耦合型热声驱动脉管制冷机研究

热声驱动脉管制冷机通常采用直接或者长管耦合的方式,但是因为耦合后的发动机和制冷机难以达到最佳的工作状态,耦合长管的损失也比较大,因此整体效率较低。本文提出一种热声驱动脉管制冷机结构,利用谐振子耦合热声发动机和脉管制冷机,能够显著减小声功传递损失,提升整机效率。全文针对在900 K加热温度、80 K空气液化温区下的热声驱动脉管制冷机展开理论研究,首先分析了谐振子耦合机理,并对谐振子参数进行了优化设计;其次,研究了加热温度、制冷温度和机械阻尼对系统性能影响;最后,将谐振子耦合型与长管耦合型两种方式的热声驱动制冷机进行了对比分析。结果表明:在平均压力为3MPa,加热温度为900 K,制冷温度为80 K时,谐振子耦合的热声驱动制冷机可获得整机22.5%的效率,而长管耦合的热声驱动脉管制冷机获得11.6%的效率。     

4.2 K温区1瓦级脉管制冷机的实验研究

小型回热式低温制冷机中的冷端换热器在制冷量高效传输过程中起着至关重要的作用,而这一作用往往被忽视.研究发现,通过脉管冷端换热器的结构改进,液氦温区脉管制冷机在4.2 K温区的制冷量可以得到显著提高.实验结果表明,在压缩机输入功率分别为4.8 kW和6.0 kW的条件下,双向进气型二级脉管制冷机在4.2 K获得了760 mW和900 mW的制冷量,相应的制冷系数(COP)为1.58×10-4和1.50×10-4.该脉管制冷机在4.2 K获得的最大制冷量达960 mW.     

低于11 K的单级脉管制冷机性能研究

研究了回热器长度以及80 K以下温区不同回热材料布置形式对单级G-M型脉管制冷机性能的影响.试验研究表明,适当增加回热器长度,制冷机性能可显著提高.在此基础上对低温区回热材料进行优化,采用Er3Ni、铅丸和不锈钢丝网3层复合回热材料获得了最佳的制冷性能.采用额定输入功率为7.5 kW的压缩机驱动,脉管制冷机最低制冷温度达10.9 K,这是目前单级脉管制冷机达到的最低制冷温度.该制冷机在21 K可获得20 W制冷量.     

驻波型热声压缩机驱动脉管的最新结果

热声驱动脉管制冷机中由于完全无运动部件,具有运行稳定、寿命长等优点,经过对先前已经达到138K的热声驱动脉管制冷机进行系统的改进,在国内首次使该类型的制冷机进入低温温区,以氦气为工质获得了119.7K的制冷温度,这一温度已经能够液化一个大气压表压下的天然气（主要成分：甲烷）,显示出该制冷方式广阔的应用前景,此外,研究了混合工质对热声驱动脉管制冷系统性能的影响情况,并获得了117.6K的最低制冷温度。     

脉管制冷机冷端换热器的改进

为了进一步提高脉管制冷机在液氮温区（７７Ｋ）的制冷量,本文对脉管冷端换热器进行了改进,同时还对脉管冷端气流的平均温度进行了测量。实验结果表明,常规脉管制冷机冷端换热器中的换热面积是不足的,脉管制冷机冷端换热器的传热损失较大,在设计计算中不应忽视。采用高目数的换热器填料有利于降低脉管冷端壁面与冷端气体之间的温差,从而提高冷端换热器效率,进而提高液氮温区脉管制冷机效率。     

脉管型斯特林制冷机的能量方程推导及性能分析

通过对脉管型斯特林制冷机的分析和讨论，提出了此类制冷机的物理模型，对能量方程进行了推导，并编制了程序。计算结果显示，脉管斯特林制冷机在较高的制冷温区比单纯的斯特林制冷机有更大的制冷系数和更高的制冷量。     

单级G-M型脉管制冷机回热器性能

为了能进一步提高单级G-M型脉管制冷机的性能,着重对80 K到300 K温区回热器的效率进行了理论和试验研究.通过对不锈钢和磷青铜丝网材料热渗透深度和热导率的分析,指出在这一温区采用不锈钢丝网的制冷性能优于磷青铜丝网.基于REGEN3.2进行的数值模拟,进一步指出适当增大不锈钢丝网目数有利于提高制冷性能,并由此指导实验取得了理想的结果.单级G-M型脉管制冷机经优化后,取得了11.1 K的最低制冷温度,是当前国内外报道的最好结果;同时该制冷机在20 K和30 K分别可获得17.8 W和40.7 W的制冷量.     

20 K低温制冷机回热器结构设计

20 K温区高效制冷是目前空间探测任务制冷的关键需求之一,斯特林/脉管复合制冷机是实现20 K温区高效制冷的重要技术手段。回热器作为复合制冷机的核心部件,其性能对制冷机的整机性能有决定性的影响。合理的设计方法和流程可以保证回热器的性能。20 K温区时回热器工质氦气和填料的物性与较高温区,如80 K温区,相比有很大区别,因此,不能简单套用较高温区回热器的设计方法,须对工作在20 K温区的回热器进行专门的结构设计。本文应用回热器模拟软件Regen3.2,设计了一个冷端温度为20 K的回热器,并对平均压力、相位角、冷端压比、填料种类等参数进行了优化,经过优化设计的回热器的COP超过0.035,20 K下制冷量为0.5 W。本研究为后续20 K温区高效斯特林/脉管复合制冷机的开发打下了基础,也为之后同类型回热器的设计提供了参考。