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。     

直线压缩机喷射补气特性分析

本文针对直线压缩机的喷射补气特性开展研究,基于直线压缩机电磁学模型、动力学模型和小孔进气模型,建立了喷射补气式直线压缩机及压缩腔仿真模型并进行了实验验证,研究了补气压力和参数调节对压缩机运行参数的影响。结果表明：喷射补气使吸气阀滞后开启和提前关闭,低压吸气量减小,排气量增大。在吸气压力为62.5 kPa、排气压力为765 kPa条件下,补气压力为200 kPa时,吸气量降低61%,排气量提升50%;补气压力为400 kPa时,低压无吸气,排气量相比于200 kPa补气时提升60%。给定供电参数条件下,喷射补气使自由活塞行程、偏移量与余隙容积增大,固有频率有一定的提高;定余隙容积运行时,随着补气压力的提升,气体力等效刚度和等效阻尼均增大。固定频率下,行程增大时吸气量随之增大,而补气流量达一定值后基本保持不变;频率调节时,压缩机在固有频率附近吸、补气量存在最大值,驱动频率较高时补气对吸气量的降低影响减弱。     

层流化元件对脉冲管制冷机性能影响的实验研究

分析了射流对制冷机性能的影响机理,并设计了一种锥形挡片,将其作为同轴型脉冲管热端的层流元件。并通过实验研究了该层流元件与传统丝网式层流元件等对制冷机性能的影响规律。结果表明,合适的层流元件能够有效抑制射流,提高制冷机的效率。其中采用铜挡片与铜丝网组合的方式,层流化效果最好,制冷机性能最佳。该脉冲管制冷机在250 W输入电功下,最高可以获得11.2 W@80 K的制冷量。     

超高频小型化脉冲管制冷机耦合匹配的理论模型与实验验证

为了解决脉冲管制冷机中冷指与线性压缩机的匹配问题,基于线性压缩机的电学、力学方程和冷指入口阻抗方程,推导出压缩机的铜耗效率和PV功转化效率的理论计算公式,并进行了冷指与压缩机的耦合实验,验证了理论的正确性。根据PV功转化效率的理论公式找到了压缩机的优化方法及其与冷指阻抗的关系。     

冷原子腔体的设计与实验研究

为满足冷原子的各类量子实验,设计了用脉冲管制冷机冷却的冷原子腔体。采用ANSYS软件建立了冷原子腔体低温组件模型并进行热模拟,得到其整体的漏热主要是通过低温组件和真空罩内壁的辐射换热,并分析了接触热阻对于样品腔均温性的影响。同时开展了超真空低温条件下的测量实验,分析并改进铂电阻温度计不同安装方式对于测温的影响,实现了低温条件下温度计的绝缘、粘接和测量,同时验证了模型的准确性,最终得到均温性小于10 mK,真空度达到10~(-8)Pa的冷原子腔体系统。     

一种辐轮式低温支撑的热学与力学性能实验

介绍了一种特殊的辐轮式低温支撑,针对这种不同材质和辐条数量及其截面形状的辐轮式结构,分别从热学性能和力学性能两方面进行了实验研究,测量了聚醚醚酮（PEEK）和玻璃钢（GRP）两种材料的热导率以及由这两种材料组成的多种结构形式的支撑轮的热阻,对试样进行力学拉伸破坏实验,并对实验结果进行了分析与比较,给出了误差分析。实验结果表明,温度在200 K以下时PEEK材料热导率小于GRP材料,200 K以上时两者相当;支撑轮的热阻随着辐条数量和截面积的增加而减小,且实验测得的热阻是固体传热和辐射换热的综合结果;支撑轮的力学性能随着辐条数量和截面积的增加而提高,GRP材料的支撑轮径向承受载荷能力较强、轴向偏弱,而PEEK材料的支撑轮各方向上承载能力较为均匀,这主要是因为GRP材料是各向异性的。综合热性能和力学性能实验结果,PEEK材料6辐带肋结构的支撑轮是最佳选择。     

自由活塞斯特林发动机间隙密封泄漏特性分析

间隙密封技术是自由活塞斯特林发动机的一项关键技术,间隙密封避免了摩擦损耗,不需要润滑,对自由活塞斯特林发动机整机性能的提高起到了重要的作用。本文建立了自由活塞斯特林发动机间隙密封双边运动的一维层流模型,结合施密特等温分析法,对一台输出功率为100 W的自由活塞斯特林发动机计算了工作腔与缓冲腔之间的泄漏率曲线和单个循环工作腔向缓冲腔泄漏的泄漏量,并比较了不同间隙宽度情况下泄漏损失所占的比重,得到了最大允许的密封间隙宽度。同时,建立带有进出口的二维模型,运用Fluent进行了数值模拟,并与一维层流模型计算结果进行对比,得出二者泄漏率基本一致的结果,但由于间隙流动处进出口体积骤变的存在,二维模型数值模拟结果泄漏率略低于一维层流模型,更接近实际情况。     

R290直线压缩机变工况制冷性能

根据电子冷却等应用需求,开发了小型制冷装置用R290直线压缩机样机,并开展了变工况性能试验研究。结果表明,在蒸发温度为8.0、2.7和-3.4℃三种工况下,直线压缩机在上死点位置的制冷量分别为1633.4、1417.4和943.4 W,COP分别为6.67、4.24和2.63,对应的循环效率分别为67.5%、70.9%和69.3%。蒸发温度2.7℃的设计工况循环效率最高,该工况下,当制冷量在35%～100%调节时,多变指数系数变化范围为0.968～0.983。在压缩机变容量调节过程中,气体等效刚度、固有频率与等效阻尼呈非线性变化,在上死点附近均存在极值点。     

无油线性压缩机变容量制冷性能实验研究

无油线性压缩机具有结构简单紧凑、效率高和寿命长等优点,在航空航天热控领域具有巨大的发展潜力。针对实验室研制的无油线性压缩机进行变容量制冷性能研究,分析行程和余隙容积变化对压缩机的制冷性能受的影响。实验结果表明,在冷凝温度为48℃,蒸发温度为10℃,热沉温度维持15℃,行程从6.5 mm增加到8.9 mm时,压缩机的制冷量会随行程的增大而增大。在行程为8.9 mm时,最大制冷量为180 W;系统的COP和压缩效率会随着行程的增大先增大后减小,在行程为7.9 mm时,具有最高COP和压缩效率,分别为1.78%和30.6%。在冷凝温度为55℃,蒸发温度为10℃,热沉温度稳定在15℃,系统的余隙长度从0.1 mm增加到1.1 mm时,随着余隙长度的增加,压缩机的制冷量、COP和压缩效率会逐渐降低。电机效率会随着余隙容积的增加先升高后降低,在余隙长度为0.9 mm时,电机效率为78.4%。