芯片级节流制冷器（MMR）的制造加工工艺研究进展及实验研究

芯片级节流制冷器(MMR)是一种采用独特的微加工工艺制成的微型节流制冷器,其结构微小,最小体积可达15 mm×2 mm×0.5 mm。MMR在制冷量需求较小的微型元件冷却领域有着广泛的应用。介绍了MMR制造工艺的发展历程,分析了MMR的不同材料的选择、刻蚀方法、制冷器片密封方法以及制冷器气路、电路连接方法的特点,对比了各个工艺方法的优势和不足,并初步进行了MMR的制造加工和性能实验,得到了能够在7 MPa下稳定工作的MMR样品,并实现了32.6 K的制冷温降。对MMR工艺技术的改进和未来发展提出了一些建议。     

微型节流制冷器氮气氩气超高压供气系统设计

节流制冷器的工作性能与节流工质有很大关系.设计了一套超高压的氮气和氩气供气系统,其目的是提供超过100 MPa超高压的氮气和氩气气源,并满足常规的高压气源需求,同时提供了功能先进的气体纯度在线检测、超高压力在线检测和计算机控制功能,并有单独的模块单元,可以对氮气和氩气进行适合比例的混合,或提供其它成分的节流制冷器的混合工质气体.设计有不同气瓶容积下节流制冷器的跑合实验单元,对节流制冷器的耗气性能进行测试.     

Su-xx光学雷达节流制冷器的优化设计

Su-xx光学雷达节流制冷器是用来冷却Su-27等机载雷达红外芯片的，它的性能优劣将直接关系到光学雷达搜索目标的效果。通过对国外同类型节流制冷器的研究分析，利用节流制冷原理建立了节流制冷器热交换器热负荷的数学模型，采用Delplli5．0编制的惩罚函数法等优化设计软件对其进行了计算分析，在给定的空间结构范围内得出了该热交换器的最优解，经过对比，实验验证了经优化设计后节流制冷器的性能明显提高，为今后节流制冷器的设计找到了一条切实可行的方法。     

基于正交试验的JT节流制冷器换热器热力性能研究

J-T节流制冷器在红外制导领域有着广泛的应用,针对以氩气为工质的Hampson型J-T节流制冷器,建立了稳态数理模型,并采用正交设计试验法研究了肋高、肋间距以及肋厚对J-T节流制冷器换热器热力性能的影响。通过极差分析的方法研究了各因素影响换热器换热量和效能的主次顺序,以及各因素水平变化对试验指标的影响,得到了使两项指标最优的各因素水平组合。与原尺寸对比,优化后换热器的换热量提升了7.31%,效能提升了5.77%,为J-T节流制冷器的优化提供了新的思路和方法。     

红外用微型节流制冷器耗气量实验研究

微型节流制冷器具有体积小、重量轻、可靠性高、启动速度快、冷端无运动部件等突出优势在红外导引头中广泛应用。不同类型节流制冷器的耗气量不一样,节流制冷器耗气量的大小决定了弹上气瓶的体积、重量、工作时间等。对微型制冷器的耗气量进行了实验研究,对比分析了4种节流制冷器在不同条件下的耗气量,为节流制冷器在不同场合下为工程应用提供了参考。     

不同节距肋片管节流制冷器启动时间的研究

节流制冷器的启动属于非稳态过程,目前的仿真计算仍然存在较大的误差。通过建立不同节距肋片管节流制冷器的实验模型,验证对节流制冷器启动时间的影响。实验结果表明,肋片管换热器翅片节距的变化,对节流制冷器的启动时间影响较大,该影响不是线性关系存在拐点。在设计模型时,肋片管的最佳节距为0.2 mm,该研究对J-T制冷器的设计有指导意义。     

一种红外探测用微型制冷器特性的实验研究

以实验为基础，研究一种快速制冷的微型制冷器的原理与特性（启动时间为３ｓ，工作温度为－３８℃）。由实验分析了节流孔径多孔介质、孔隙率等因素对制冷器特性的影响，以提出提高其性能的方向。     

微型节流制冷器MMR的分析与研究

提出了新型微型节流制冷器——MMR的设计方案,利用微型化准则对小尺寸下的换热器、节流毛细管进行了理论计算与分析,讨论了设计方案的可行性。提出了用闭合的螺旋细微槽道代替节流毛细管的方法,并介绍了激光焊接密封腔体的相关加工工艺。     

预冷波纹管自调式节流制冷器启动时间的实验研究

与斯特林制冷机相比,微型节流制冷器以体积小、质量轻、启动快、高可靠性、成本低、无运动部件等优点,在红外制导武器系统中得到广泛应用。为了优化制冷器的启动时间和耗气量,设计了一种带有预冷级波纹管自调式快速节流制冷器。通过实验对比,该制冷器的启动时间比单级自调式节流制冷器快,耗气量比预冷级非自调式制冷器小。制冷器在常温下的启动时间为12 s@90 K、15 s@80 K,同时耗气量也得到了优化。     

微型压缩机驱动的微型混合工质J-T制冷器实验研究

为研究微型混合工质节流制冷器的降温性能,搭建了微型压缩机驱动微型混合工质节流制冷器的制冷系统,并得到了初步实验研究结果。采用Aspen微型压缩机驱动微型J-T节流制冷器,应用混合制冷剂实现深度制冷。微型J-T节流制冷器采用微小通径的不锈钢毛细管制作,其通道特征尺寸为0.3mm。初步实验表明,微型J-T节流制冷器达到了180K温区。由于采用微型压缩机驱动,系统结构紧凑,可在便携生物储存设备、低温医疗以及电子器件冷却等领域应用。     

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.     

辐冷器在复合制冷系统的优化设计

针对某一选定的复合制冷系统辐冷器结构方案,通过对辐冷器制冷降温机理的进一步深入分析,采用非比例热原理和数值计算相结合的方法对其结构尺寸进行优化设计.通过优化,该辐冷器在满足复合制冷系统制冷要求的前提下,外形结构尺寸大幅度减小,实现了优化设计的目的.     

模态分析在辐射制冷器设计中的应用

辐射制冷器主要为红外探测器提供合适的低温工作条件,是星载红外遥感探测系统的重要组成部分,其可靠性的高低和制冷性能的好坏将直接影响红外成像质量和遥感卫星的成败.建立了W型辐射制冷器结构的有限元模型,应用MSC/Nastran软件完成了模态、静力、正弦振动响应计算,进行了结构强度和振动模态分析,预示和验证了辐射制冷器的结构性能,为其结构设计改进提供了可靠理论依据.     

微型直吹式空调研究

微型直吹式空调体积较小、便于携带,且可以达到环保、节能目的。既可用于户外也可用于室内进行小范围内的调温工作。通过对半导体制冷系统不同工作电压、环境温度及外部散热条件的研究,找出了影响半导体制冷性能的主要因素。确定了该微型直吹式空调在不同环境温度下的最佳工作电压为12V、最佳工作电流为4.5～4.8A,并认定存在最佳热端散热强度等。另外,通过实验得出了在不同环境温度下,工作在最佳工作参数条件时制冷器内部所能达到的最低温度。     

10W/80K高频同轴脉冲管制冷机的实验性能

介绍了一款大冷量高频单级同轴脉冲管制冷机的基本结构、数值模拟和实验性能。其线性压缩机采用Redlich动磁式直线电机驱动,压缩活塞对置布置,使用板弹簧支撑和间隙密封技术,80 K温区工作时的电机效率在83%以上。膨胀机的蓄冷器和脉冲管为同轴型布置,这种结构使冷头与器件之间的耦合非常方便。使用数值软件对制冷机整机和调相部件进行数值模拟,并对模拟结果进行实验验证。对制冷机的运行频率和制冷性能进行实验研究,制冷机在210.3 W输入电功时能获得10 W/80 K的制冷性能,比卡诺效率为12.66%,运行频率为62 Hz,整机重量小于5.5 kg。     

300 Hz脉冲管制冷机特性研究

从实验和数值计算两个方面研究了1台工作频率为300 Hz的单级脉冲管制冷机的制冷特性.实验方面,验证了平均压力、入口压比、惯性管长度以及均流化元件对其制冷性能的影响,该制冷机在平均压力为3.96 MPa、入口压比为1.21时获得了79.6 K的最低制冷温度;数值计算方面,基于线性热声理论的模拟结果与实验结果进行了比较,以验证程序的有效性.     

Performance of the one-stage Joule–Thomson cryocooler fed with a nitrogen–hydrocarbon mixture and built from mass-produced components made for the refrigeration industry

This paper describes the theoretical performance and working parameters of a Joule–Thomson (J-T) cryocooler that is supplied with a nitrogen–hydrocarbon mixture and works in a closed cycle. Nowadays, they are the subject of intensive research in different laboratories around the world, especially in Asia and the USA. The industrial application of this type of cooler is significantly limited by the high values of working pressure for pure nitrogen. Supplying the system with a mixture of nitrogen and hydrocarbons makes it possible to reduce the level of the working pressure down to that which is achieved by commercially available compressors produced for the refrigeration industry. A theoretical analysis of the performance of the cooler is presented, along with the experimental results for different mixtures. The described cooler is characterized by high reliability, simple construction in the low-temperature section, and relatively low manufacturing costs. The system produces about 10 W of cooling power at an approximate temperature of 90 K. The cooling power can be used to cool down high-temperature superconductor magnets, in nanotechnology, for cryomedical applications, and to liquefy small amounts of nitrogen, argon, oxygen, or methane.     

Performance analysis of multi-stage thermoelectric coolers

Multi-stage thermoelectric coolers offer larger temperature differences between heat source and heat sink than single-stage thermoelectric coolers. In this paper, a pyramid-type multi-stage cooler is analyzed, focusing on the importance of maximum attainable target heat flux and overall coefficient of performance, COP. Having considered the COP and the thermal resistance of a heat sink as key parameters in the design of a multi-stage thermoelectric cooler, analytical formulas for COP and heat sink thermal resistance versus working electrical current are derived. For a fixed cooling target heat flux, the ratio of the heat sink thermal resistance to the respective single-stage value and the attainable COP in a cascaded cooler are determined as a function of the number of stages. Numerical simulations clearly indicate that the thermal resistance of the hot side heat sink is the controlling factor in determining the overall performance of a multi-stage thermoelectric cooler.     

A strategy to optimize the charge amount of the mixed refrigerant for the Joule–Thomson cooler

The performance of the mixed refrigerant (MR) Joule–Thomson cooler is mainly dependent on the MR circulation composition for a given hardware. However, it is difficult to charge the MR to the desired circulation composition, due to the composition shift. In the present study, a novel strategy was proposed to solve this problem. In this strategy, the MR Joule–Thomson cooler is first charged with the initial charge amount, which is obtained by estimating the MR inventory in the cooler using the homogeneous model. Afterwards, the cooler is started and the MR circulation composition is adjusted to the corresponding optimal composition by adding the MR charge amount stepwise. Additionally, this strategy was verified by an experiment with a ternary mixture of methane, ethane and i-butane. The experimental results indicated that the MR circulation composition was able to be adjusted to the corresponding optimal circulation composition approximately within the relative deviation of ±5%.     

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.