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.     

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.     

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。     

双温区高效脉管制冷机性能研究

采用单压缩机驱动的双温区脉管制冷机可以同时在不同制冷温度提供制冷需求。基于阻抗匹配特性,采用一台活塞直径为26 mm的动磁式线性压缩机,分别驱动高温区脉管冷指(HCF,110～170 K)和低温区脉管冷指(LCF,60～80 K)工作在不同制冷温区。一台冷指的制冷负载发生变化会对两台冷指的入口压力波动、压缩机位移以及另一台的制冷性能产生影响,典型的制冷性能为5.7 W@80 K10.9 W@110 K和3.3 W@60 K20 W@170 K,满足空间、能源以及医疗等应用。     

氦氢混合工质G-M单级脉管制冷机性能研究

对G-M型单级脉管制冷机采用氦氢混合工质在30 K温区进行实验研究,从制冷量、COP、压降特性、压缩机耗功、制冷温度的稳定性等方面进行了讨论和分析,同时给出了在最优状态下加载热负荷的温度变化情况.实验结果表明,采用适当配比的氦氢混合工质有助于提高脉管制冷性能.     

具有独立气路的液氦温区G-M型二级脉管制冷机性能研究

研究了一台具有独立气体回路的液氦温区G-M型二级脉管制冷机的制冷性能.目前的实验装置由两套独立的单级双向进气型脉管系统构成,第一级冷头对第二级进气的预冷通过安装在第二级回热器中部的换热器与一级冷头之间的热联接来实现.研究表明,该制冷机采用4He为工质,分别以Leybold CP4000和RW2氦压缩机来驱动第一级和第二级,可以获得2.18 K的最低无负荷制冷温度,4.2 K提供的最大制冷量为595 mW.     

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。     

大功率单级脉管制冷机回热器性能模拟与实验

为了提高单级脉管制冷机在20 K-40 K温区的制冷量,对自行设计制作的1台单级G-M型脉管制冷机采用REGEN3.3进行了计算模拟,获得了铅丸直径选择、不同温区回热器材料最佳组合等结果。在此基础上,对该台单级脉管制冷机进行了试验,实验结果表明该脉管制冷机在20.6K和29.9 K可分别获得20 W和40 W的制冷量,输入功率为7.5 kW。     

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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

脉管制冷机的分类

近１０年中，相移器的不断改进促进了脉管制冷技术的发展。相移器可以是第二进气口、热端膨胀活塞、四阀机构、主动气库、声阻管、内调相装置，或是第二小孔。为了满足多科应用要求，以其工作频率进行分类是选择脉管制冷机的一个好方法。论述了脉管制冷机的工作频率范围及其各种相移器的性能。１　前　言近１０年来，脉管制冷机（ＰＴＣ）研究取得了巨大进展，目前已经能够提供与其它低温制冷机，如斯特林制冷机、Ｇ—Ｍ制冷机等相当的制冷温度范围。单级脉管制冷机获得的最低制冷温度已接近２０Ｋ，而多级脉管制冷机的温度已低至２Ｋ。Ｒａ…     

1.27 K3He二级脉管制冷机性能研究

在一台具有独立气体回路的液氦温区G-M型二级脉管制冷机上,采用3He为第二级制冷工质,获得了1.27 K的最低无负荷制冷温度.研究表明,以3He为第二级工质,该系统在2 K,3 K和4.2 K,分别可以提供42 mW,205.5 mW和518.3 mW的制冷量,第一级和第二级压缩机相应的输入功率分别为4.3 kW(Leybold CP4000氦压缩机)和1.3 kW(Leybold RW2氦压缩机).与两级均采用4He工质的情况相比,在相同的条件下(相同的压缩机耗功:4.3 kW 1.3 kW),第二级采用3He为工质,使得该二级脉管制冷机在4.2 K的制冷量提高了40.5%.     

液氦温区脉管制冷机的优化实验

研制了一台用作德国国家标准局 (PTB)约瑟夫森效应 (JosephsonEf fect) 1V电压标准冷却系统的二级脉管制冷机。其设计要求在 4 2K提供 1 0 0mW左右制冷量 ,并同时冷却 70K左右的冷屏。采用额定功率为 1 8kW的氦压缩机驱动脉管制冷机 ,在不同制冷量负荷条件下分别对其进行了优化。初步实验结果表明 ,在输入功率 1 8kW的情况下 ,该制冷机最低制冷温度达 2 8K ,4 2K制冷量最大达 1 90mW ,制冷系数达 1 0 6× 1 0 4,火用效率最高达 1 1 3% ,可以充分满足冷却电压标准芯片的需要。此外 ,还与用 6kW压缩机驱动同一制冷机的实验结果进行了比较。     

单级G-M型小孔脉管制冷机Sage建模

G-M型脉管制冷机作为一项成熟的低温制冷技术,尚缺少公开的整机模拟分析方法。Sage软件包含压缩机、高低压切换阀和脉管制冷机冷头相关部件等模型。使用Sage软件建立了单级G-M型小孔脉管制冷机整机模型。将现有单级G-M型小孔脉管制冷机的实验设计参数作为输入参数,将Sage模型的计算结果与该制冷机实验结果进行对比,初步验证了模型的准确性,并重点计算分析高低压切换阀的孔径、时序对制冷机性能的影响。     

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。     

20K温区单级斯特林型脉管制冷机研究

为进一步研究降低20 K温区单级斯特林型脉管制冷机关键部件中损失的方法,提高整机性能,采用计算软件Sage对制冷机进行模拟。通过实验结果与Sage计算的对比对模拟程序的有效性进行了考察,并从调相系统结构及水冷器结构方面寻找优化途径。结果表明,在单纯使用惯性管气库调相时,计算最低制冷温度比实验值低9 K左右;当采用双向进气与惯性管调相组合时,计算同实验结果基本一致。最后引入虚拟的振子阻尼调相机构对制冷机的最佳性能进行研究,计算表明在这种调相结构下,制冷机的无负荷制冷温度及30 K时的制冷量均可以得到比双向进气加惯性管组合调相更优的结果。     

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.