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.     

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.     

热桥传热特性对热耦合二级Stirling型脉管制冷机性能的影响

级间热桥的传热特性对于热耦合型多级脉管制冷机的制冷温度和制冷效率均具有重要影响。采用铜丝编织带和铜箔连接的3种热桥进行对比实验，研究了热桥的传热特性对热耦合二级Stirling型脉管制冷机性能的影响。采用改进后的热桥，以氦气作为工质，在总输入电功率为400W，以及优化的工作频率和充气压力条件下，热耦合二级Stirling型脉管制冷机实现了12．96K的无负荷制冷温度，并可同时在23．1K和100．8K分别提供0．4W和6W的制冷量。     

行波热声发动机驱动的脉管制冷机研究

通过改变热声发动机谐振直路长度,研究系统在不同工作频率下的性能.研究发现,在一定条件下降低频率可以显著改善脉管制冷机的性能.在工作压力为2.7 MPa,加热功率为2 350W,工作频率为45 Hz时,双向进气型单级脉管制冷机获得了80.9 K的最低制冷温度,这是目前用热声制冷方法获得的最低制冷温度.     

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.     

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%。     

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。     

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。     

液化天然气温区大功率脉管制冷机模拟及实验研究

大功率脉管制冷机有望满足小型液化天然气装置的各种需求,介绍了一台大功率脉管制冷机的优化及实验结果。模拟结果表明,采用0.03 mm丝径的300目丝网能提高脉管制冷机的制冷效率,在进行了两种回热器丝网规格的对比实验之后,验证了模拟结果,通过对制冷机冷端均流器进行改进,大大提高了脉管制冷机的性能。实验结果表明,在输入功为5 501 W时,于119.7 K下获得了500 W的制冷量,其比卡诺效率为13.7%。     

液氢温区大功率脉管制冷机模拟及实验研究

考虑到现有的热耦合双级脉管制冷机在第二级上存在效率低、冷量小等问题,对一种大功率脉管制冷机的第二级(视为整机)进行了单独的模拟和实验研究。模拟结果表明在回热器直径为55 mm的冷头设计下惯性管调相能力足够,减短惯性管长度或增大惯性管直径可有效改善回热器相位,并可通过调节工作频率使回热器相位达到理想状态。实验结果表明当惯性管长度为3 m,直径为10 mm,运行频率为58 Hz,工作电压为240 V时,获得47.8 K无负荷制冷温度,在输入功为777 W时,于129.3 K得到60 W制冷量,比卡诺效率为10.27%。因此,第二级具有较好的制冷性能。     

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。     

电阻阵列冷却用脉管制冷机研制

为解决以电阻阵列器件为基础的动态红外景像产生器中的冷却问题,设计并研制了一台采用线性压缩机驱动的在223 K工作的脉管制冷机。实验结果表明:在500 W的电输入功下,制冷机的最低无负荷制冷温度为99.7 K,在232.8 K获得了181.3 W的制冷量,与理论预测制冷量189.4 W吻合良好,相对卡诺效率达到10.4%,工作对脉管制冷机在普冷温区的应用是一次有益的探索。     

单直线压缩机驱动双脉管冷指的实验研究

为了在不同位置获得不同的制冷性能,设计了一台线性对置压缩机驱动两台同轴型脉管冷指的实验方案并搭建了试验台.通过实验研究两台脉管制冷机耦合的制冷性能.实验结果显示:两台设计相同的脉管冷指性能不同,经过耦合后制冷性能差异更大,可同时达到1.79 W@60 K和1.384 W@60 K制冷量.     

分离型二级脉管制冷机的实验研究--Ⅱ:液氦温区二级脉管制冷机

研制1台新型液氦温区分离型二级脉管制冷机,该制冷机由2台独立的脉管制冷机组成,一级回热器冷端和二级回热器中部通过热桥相连,从根本上弥补了传统直接耦合型多级脉管制冷机级间干扰的不足.采用双压缩机双旋转阀驱动该二级脉管制冷机,第二级最低温度达到了2.5 K,在4.2 K下有508 mW制冷量,同时一级在37.5 K有15 W制冷量.第二级充气压力由1.7 MPa增大到1.85 MPa,制冷机在4.2 K下的制冷量可以达到590 mW.为了能简化结构、扩大应用,提出采用单压缩机单旋转阀驱动该分离型脉管制冷机,达到了相同的制冷性能.     

丙纶填充式回热器单级脉管制冷机性能研究

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、3.0、2.8、2.5、2.0、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。     

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。     

20K温区GM型单级脉管制冷机初步实验

介绍了自行研制的一台GM型单级脉管制冷机,其回热器蓄冷材料采用247目磷青铜丝网和不锈钢丝网,双向进气方式采用两个方向相反的精密针阀并行布置.在输入功率仅为2kW的条件下,该制冷机获得了22.4 K的最低制冷温度,80 K温度时的制冷量为5.65 W.在长达24 h的连续运行中,该机的无负荷制冷温度波动小于0.3K.     

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。     

热耦合二级Stirling型脉管制冷机的性能研究

建立热耦合二级Stirling型脉管制冷机实验装置.通过实验,系统研究了交变流动工质的工作频率和平均工作压力对热耦合二级Stirling型脉管制冷机性能的影响,详细报道并分析讨论了实验结果.以氦气作为工质,在优化工作频率和平均工作压力条件下,热耦合二级Stirling型脉管制冷机获得了13.52 K的无负荷制冷温度.     

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。