空间微膨胀型热开关传热性能试验

为了解决空间相机在冷黑环境下由于姿态变化引起的散热问题,基于金属材料的热特性设计了一种机械制冷式热开关,构建实验平台模拟热开关的实际工作环境,研究在不同热负载条件下,热流密度对传热和散热效率的影响。通过调节加热器功率大小和冷源温度水平,得到热开关的传热以及热闭合特性。实验结果表明,随着加热功率的递增,开关整体热阻逐渐减小,当加热负载为30W,热开关热闭合热阻为0.302 2 K/W,当温度降低时,热开关断开热阻达到230.46 K/W,整体开关比为762.60。该热开关能够自动实现闭合、断开特性,且具有较大的开关比,性能稳定可靠。     

航天器用记忆合金热开关的设计与理论分析

介绍了一种航天器热控制用记忆合金热开关的设计与分析。该热开关以形状记忆合金弹簧作为感温和驱动元件,当温度超过记忆合金材料的奥氏体相变点时,驱动元件开始变形并推动热开关闭合;温度低于记忆合金材料的马氏体相变点时,偏置弹簧将克服记忆合金元件的弹力,推动热开关使之断开。热开关结构为圆柱体,长度32mm,直径23mm。对热开关的力学参数、传热性能进行了分析计算,表明该热开关的闭合热阻为2．69K／W,断开热阻大于352．64K／W,闭合时间小于30min。     

微膨胀型低温热开关研究

低温热开关是空间制冷中多机并联的关键技术之一,主要用于耦合备用制冷机以减少非运转机上的寄生热载.在比较了各种空间用低温热开关的性能的基础上,详细介绍了中国科学院理化技术研究所研制的被动型热开关的设计及实验情况.其工作原理是根据不同材料的热胀冷缩性能不同进行的,结构总长度在20～40 mm之间,仅由3部分组成.设计了长寿命实验的自动测试实验台,并进行1 500次的开关循环实验,证明此装置的可靠性.实验结果表明,该热开关闭合热阻小于1.1 K/W,断开热阻大于1 400 K/W.     

6 W@90 K星载斯特林制冷机的热环境适应性

针对某空间任务要求,分析了热试验温度取值.基于1台6 W@90 K星载斯特林制冷机,开展了常压热循环和热真空试验研究,得到了制冷机在不同温区下的制冷性能参数.从6个方面对比分析了两个试验中性能参数的变化,最后得出:环境温度对6 w制冷机性能影响较大,从50 ℃到-20℃温区,制冷温度为90 K时,冷量增大约1.4 W,功耗减小约17 W;在50至-20℃温区内,制冷机未发生结构热变形失效.该6 W型制冷机在合理设计辅助散热(卫星总体热控调节)之后,可满足空间应用时-20℃-40 ℃温区热环境适应性;压缩机和膨胀机通过良导热体连接散热,可平衡温差,便于控温.     

单台G-M制冷机为冷源力学性能测试系统研究

以单台G-M制冷机为冷源,研究设计了一套可满足8—300 K温区内任意温度点稳定可控的材料力学测试系统,满足对材料的拉伸、压缩、弯曲等力学性能的测试要求。该系统利用少量氦气作为导冷介质,为系统内的夹具、样品等降温,降低至最低温度8 K用时14小时。选取8—300 K内多个温度点对系统进行控温测试,验证该系统在8—300 K内具有可连续稳定控温能力。利用电子万能试验机对该系统的性能进行测试,以77 K为低温的典型温度点对5a06铝合金进行拉伸测试,并与平台测试结果进行对比分析,证明该低温力学测试系统的测试结果具有较高的可信度。     

2 kW/4 K氦制冷机制冷循环的优化计算

HT- 7U超导托卡马克的纵场磁体和极向场磁体均采用 3.8K超临界氦迫流冷却。其低温系统氦制冷机在 4K温区的基本设计容量为 10 5 0 W/3.5 K 2 0 0 W/4 .4K 13g/s· L He。给出了氦制冷机的基本流程 ,对其制冷循环进行了热力学分析 ,得到了影响制冷循环的关键独立参数。并以 2台串联透平膨胀机的排气温度为独立变量对氦制冷循环进行了优化 ,得到了氦制冷循环设计的最优参数值及它们对所需压缩机流量的影响     

乙烷温区低温环路热管设计与实验

为了研究低温环路热管在乙烷温区的启动及运行特征,通过自行设计的样机进行了实验.实验表明,在0.7W的驱动功率下,低温环路热管可顺利实现降温启动;运行时,可传递12W的冷量,并且在9W时,传热热阻最小,为1.14 K/W.     

利用稳态法测量聚合物薄膜纵向热导系数

在一维稳态热传导模型的基础上,设计了一套用于测量聚合物薄膜纵向热导系数的实验装置,并利用Comsol软件对该测量装置进行数值模拟并优化设计。同时利用本文设计的实验装置,测量得到了不同温度下聚酰亚胺(PI)膜、聚四氟乙烯(PTFE)膜以及混合纤维素酯(MCE)膜的热导系数。在35℃~60℃的温度范围内热导系数测量值分别维持在0.21 W/(m.K),0.26 W/(m.K),0.13 W/(m.K)左右,标准不确定度在9.5%以下。测量结果与参考值相符,验证了实验装置的测试精度。     

直接冷却中氮化铝与无氧铜低温真空接触热导的实验研究

以5W／20K小型G-M制冷机为冷源，对低温下氮化铝（AlN）与无氧铜（OFHC）界面的接触热导进行了实验研究和分析。在45～140K内，氮化铝／无氧铜界面接触热导随温度的升高而增大，同时亦随接触压力的增加而增大。实验中同时得到了氮化铝在低温下的热导率，随温度的升高，氮化铝热导率值逐渐增大。就氮化铝低温热导率及氮化铝／无氧铜接触界面热阻随温度变化规律进行了微结构机理分析。     

低温风洞电动推杆热防护结构设计及传热分析

为解决低温风洞中电动推杆的热防护问题,设计了使其能够在低温风洞高温工况(323 K)和低温工况(110 K)下正常工作的热防护结构。采用数值模拟方法校核了热防护结构强度及刚度,分析了电机发热功率,冷却气体流量和加热片加热功率等因素对推杆元件温度的影响。结果表明:低温风洞内压力达到极值0.35 MPa时,由厚度5 mm,材料S30408不锈钢制成的圆筒形热防护结构最大变形量为0.397 mm,最大应力为160.62 MPa;冷却气体流量大于等于0.005 kg/s时,高温和低温工况下电机最高温度均不大于418 K的允许工作温度;当加热功率达到500 W时,缸杆端部各考察截面温度均高于263 K;在高温工况和加热功率为500 W的低温工况下,冷却气体流量为0.005 5kg/s时,缸体、缸杆均能维持在263—313 K的工作温度,且高温工况最大温升与温差分别为3.62、2.81 K,低温工况最大温降与温差分别为4.94、6.82 K,满足温度稳定性与均匀性要求。     

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。     

低温下Cu-Cu固体间界面热阻的激光光热法研究

以GM制冷机(20K/5W)作为冷源,用激光光热方法对低温下Cu-Cu固体接触界面热阻进行了测量。实验数据表明,在一定的压力(3.0 kPa)和温度范围(20~120 K)内,Cu-Cu接触界面热阻从2.445×10-2m2.K/W减小至3.022×10-3m2.K/W,同时,在一定的温度(80 K)和压力范围(3.0 kPa~0.32 MPa)内,界面热阻从5.547×10-3m2.K/W减小至2.876×10-4m2.K/W。从微尺度的角度对该变化规律进行了机理分析。     

低温阀热锚位置优化及漏热分析

气动低温调节阀是大型氦低温系统中最重要的执行机构,工作在极低温状态下(液氢/液氦温区:20—4 K),低温漏热量是其最重要的技术参数之一。通过在低温阀外管焊接77 K热锚,可以有效降外管的漏热量损失。通过引入热力完善度,优化热锚在外管的相对位置,结果显示:热锚安装的最佳相对位置为0.40,此时外管在4 K温区相对漏热量损失减少了82.5%。     

制冷机可插拔式固氮低温容器的热性能研究

为提高超导电动磁悬浮列车悬浮架设计的灵活性,针对磁悬浮应用,以制冷机可插拔式跑道型固氮低温容器为研究对象,采用解析计算、有限元仿真与实验测试相结合的方法对其热性能展开研究。首先,通过对结构和导冷介质的优化,减小了低温容器的漏热并提高了降温速率;其次,实验对比了制冷机拔离与未拔离时低温容器工作温区的保温时长,证明了制冷机拔离能有效延长容器的保温时间;最后,利用通电铜线圈模拟闭环运行磁体,研究了制冷机拔离后磁体运行热损耗对固氮温升的影响,结果表明当内部热损耗为5 W时容器保温时长超过6 h,满足运行时间的设计要求。     

4～5 K铟片填充下无氧铜材料接触热阻实验研究

在陆续开展的深空探测任务中,高精度光学探测设备需要长期稳定的深低温工作环境。传热界面由于传热介质的热阻而存在一定的传热温差,为确保设备的工作环境,避免探测效率下降、精度下降和噪声干扰增加等严重后果,对无氧铜和不锈钢两种深低温温区常用的固体导热材料的界面接触热阻进行了实验测试。在真空、4～5.2 K、压力为3 077 N、铟片为填充物的条件下,测量了粗糙度为Ra=3.2的不锈钢-无氧铜接触热阻。结果表明：无氧铜界面间接触热阻在10-5～10-4 m2·K/W量级,且随温度的升高和粗糙度的减小而减小;无氧铜和不锈钢间的接触热阻在10-2 m2·K/W量级。     

6kA高温超导电流引线研制

6 k A电流引线的运行电流为6 k A,最大电流为8 k A,其换热器段采用液氮冷却设计,运行温区为77 K—室温,高温超导段为传导冷却,运行温区为5—77 K。介绍6 k A电流引线的结构设计、性能分析,以及相关低温实验。实验结果表明,6 k A电流引线的零电流下液氮需求低于0.46 g/s,5 K冷端漏热小于2.5 W,过流能力8 k A。     

新型多腔孔陶瓷复合保温材料的制备及性能研究

通过原料及配方的创新,以硅酸铝纤维、玻化微珠等为原料制备了一种新型多腔孔陶瓷复合保温材料。研究了材料的导热性能和显微结构。结果表明:材料导热系数低,热面温度200℃时导热系数仅为0.050 W/(m·K),热面温度600℃时导热系数为0.084 W/(m·K);材料内部结构疏松,存在多级配的孔隙结构,孔隙尺寸在微米级以下。利用马弗炉进行保温性能测试,保温材料内表面温度600℃,厚度仅为139mm时,稳态时外表面温度即可低于46℃,散热损失仅为158 W/m~2,远远低于标准规定的最大散热损失266 W/m~2。将材料制成1cm厚度的块材时,材料能产生较大弯曲而不损坏,有利于对电厂高温管道进行包覆。     

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。     

CO_2冷风机性能测试实验研究

本文搭建了测试CO_2冷风机性能的实验台,在直接膨胀供液系统和泵供液系统下,通过改变传热温差、库温、循环倍率、迎面风速等参数来研究CO_2冷风机的性能。结果表明:在直接膨胀供液系统中,随着蒸发温度的降低,传热系数和制冷量均呈减小的趋势,蒸发温度从-22℃降低到-47℃时,传热系数从20.2 W/(m2·K)降低到16.6 W/(m2·K),制冷量从7.5 k W降低到6 k W;在泵供液系统中,随着循环倍率的增加,传热系数呈现先增大,达到最大值后缓慢减小的趋势,当循环倍率为3时,传热系数达到最大值,以库温为-20℃时为例,当循环倍率从1增大到3,传热系数增大约13.2%,循环倍率继续增大时,传热系数开始下降,增大到5时,换热系数下降至2%左右。当迎面风速从2.2 m/s变化至2.5 m/s时,传热系数仅增加了2.12%;但迎面风速从2.5m/s变化至3.2 m/s时,增幅为11.4%;当迎面风速从3.2 m/s变化至3.5 m/s时,传热系数增长幅度又变缓,仅增加了0.88%。     

斯特林型高频脉冲管制冷机的实验研究

介绍了一台单级U型高频脉冲管制冷机的实验装置和实验结果.制冷机冷端无负荷最低温度达到了38.31 K,此结果为目前国内单级斯特林型高频脉冲管制冷机所达到的最低温度.当输入电功率200 W时,在50 K有0.6 W制冷量;当输入电功率为250 W时,在80 K有4.25 W的制冷量.这为40 K以下深低温,大冷量的斯特林型脉冲管制冷机的研制做出了有益的探索.通过分析压缩机运行频率对制冷机的最低温度和制冷量的影响,得出了在液氮温区针对特定的制冷温度,压缩机存在的一个最佳工作频率.在此工作频率下,压缩机和脉冲管耦合后,制冷机能够获得较高的效率.