液氦温区G-M型制冷机

以氦气为工质,采用回热循环方式工作的小型气体制冷机具有热效率高、结构简单、运行可靠及工作寿命长的优良性能,已经广泛用于低温电子学、冷凝真空、低温物理及材料低温性能测试等领域。 　　这种 G— M型制冷机可用于小型超导磁体冷却,还可用于超导电子学器件的冷却,大型磁体系统中蒸发的液氦的再冷凝,超高真空冷凝泵,以及作为实验室的低温冷源等。 　　近年来,中科院低温中心研制的制冷机达到了 2. 6K, 4. 2K时的制冷量为 0. 6W,工作稳定,降温速度快。液氦温区G-M型制冷机@超心     

G-M制冷机冷却的超导磁体研制及性能试验

针对超导磁体液氦易挥发、需要不断补充的问题,为研制的超导磁体加装了G-M制冷机.为了使磁体漏热量与制冷机的两级制冷量相匹配,对系统液氦和液氮温区的传导漏热、辐射漏热和对流漏热3种热载荷进行了计算,对制冷机单独进行了制冷量和最低温度的测试,结果表明磁体漏热量与制冷机制冷量相匹配.制冷机与磁体杜瓦装配后用制冷机冷却磁体,5 d时间将磁体温度冷却到4.2K.向磁体输入液氦并励磁,3 d时间内超导液面计数值下降不明显,表明磁体可实现自供液氦和零蒸发,装置在无补液情况下可长期运行.     

制冷机传导冷却的超导磁体冷却系统研究进展

回顾并总结了低温制冷机传导冷却的超导磁体系统的发展历程和最新研究进展.与传统的液氦浸泡冷却方式不同,低温制冷机传导冷却系统主要依靠低温下固体之间的热传导对超导磁体线圈进行冷却.基于小型低温制冷机的研究进展,集中讨论超导磁体中的制冷机传导冷却系统;结合传导冷却的超导磁体应用,讨论传导冷却中低温制冷机性能、低温恒温器传热以及加速冷却等技术要点,对低温制冷机传导冷却磁体系统的发展进行了展望.     

35K两级高频脉管制冷研究：Ⅱ.实验验证

针对空间35K温区探测器的冷却需要,结合回热器数值计算软件REGEN3.2的计算分析,自行研制了一台第二级脉管采用低温惯性管和低温气库的热耦合型两级高频脉管制冷机.实验研究了充气压力、工作频率、输入功率等对第二级脉管制冷机性能的影响.实验得到35K下最佳充气压力为1.26MPa,最佳工作频率为40Hz,从而验证了理论计算结果.实验结果表明,在充气压力为1.26MPa,工作频率为45Hz,输入功率为135W的条件下,获得了27.4K的最低无负荷制冷温度;在充气压力为1.36MPa,工作频率为40Hz,输入功率为205W的条件下,制冷机在35K获得了0.45W的制冷量.     

液氦温区分离型脉管制冷机性能影响因素

研制了一台高效率液氦温区分离型二级脉管制冷机，采用单压缩机和单旋转阀驱动该二级脉管制冷机.在实际输入功率为6.7 kW时，第二级最低温度达到了2.5 K，在4.2 K有590 mW制冷量；同时第一级在36.7 K有15 W制冷量.制冷机在4.2和40 K 2个温度上都能提供大制冷量，可以用于替代G-M制冷机冷却超导磁体、低温泵和电子器件等.通过实验，研究并分析了不同压缩机和旋转阀时序对分离型二级脉管制冷机性能的影响.     

35K两级高频脉管制冷研究:Ⅰ.理论分析

针对空间35K温区探测器的冷却需要,基于回热器数值计算软件REGEN3.2,成功设计了一台两级高频脉管制冷机.该制冷机采用热耦合的级间布置和惯性管调相方式,其中第二级脉管热端的惯性管和气库置于第一级脉管的冷头下,即冷惯性管,较好地解决了第二级脉管内小声功流条件下相位调节的难题.给出了第二级脉管制冷机的详细设计方法,讨论了第二级回热器填料、长度、充气压力对脉管制冷机性能的影响.计算表明,在80～35K,40Hz下,采用500目不锈钢丝网作为回热器时的制冷性能优于铅丸回热材料,充气压力在1.25MPa下可以获得较好的制冷性能.     

反馈式量子点光电制冷机的优化性能分析

利用麦克斯韦妖装置构建了一种反馈式量子点光电制冷机。在弱耦合以及序贯隧穿近似下,基于主方程的方法推导出稳态下制冷机的制冷率、制冷系数等重要参数的表达式。使用品质因子作为优化目标函数,获得了最大品质因子下制冷率和制冷系数。重点对反馈式量子点光电制冷机优化性能进行研究,特别强调正负反馈的概念,发现在任意的反馈下最大品质因子优化下的光电制冷机制冷系数始终大于CA制冷系数。负反馈抑制低温热源的热流进入制冷机,却可以提高制冷机的制冷系数,但制冷率逐渐减少。在正反馈情形下,当反馈系数达到某一个值时,获得了较高的制冷系数和最大的制冷率,找到了最大品质因子下制冷机最优工作状态。 更多还原     

工质非理想性对非金属低温制冷机性能的影响

当制冷机的制冷温度低于20K时,工质氦的非理想性逐趋明显。本文初步探讨了氦工质的非理想性对非金属制冷机的制冷量和制冷温度的影响,分析了冷(?)由于进气和排气过程压力不平(?)引起的失焓现象,给出了计算公式和计算结果,并且对低温下回热器性能恶化和失焓效应对制冷性能的综合影响进行了扼要讨论。     

三热源吸收式制冷机的传热面积优化

建立了一种可以充分利用低温热源驱动而获得制冷量的三热源制冷机模型,考虑传热及工质内部的摩擦、涡流和其它不可逆性对三热源制冷机循环性能的影响,以总传热面积为优化函数,导出其最小传热面积与三热源熵变化率的关系并得到了热力学第二定律的类比表达式,获得了最佳制冷率与性能系数和传热面的优化关系.分析了工质内部不可逆性对制冷机性能的影响,所得结论可以描述同时受内外不可逆性影响的三热源吸收式制冷机的优化特性,可为吸收式制冷机的优化设计和性能改进提供新的理论途径.     

卡皮查热阻对池内液氦传热的影响

本文叙述换热的相界面间普遍存在的接触热阻——卡皮查热阻对低温传热所起的重要影响。根据液氦Ⅰ和氦Ⅱ池内瞬态传热过程实验结果的分析表明,液氦Ⅱ池内传热由于HeⅠ层的生成,卡皮查热阻包括了固体—HeⅠ相界面和HeⅠ—HeⅡ相界面接触热阻;可用修正的施密特方程式来估计卡皮查热阻对HeⅠ池内沸腾传热的影响。     

Attaining the liquid helium temperature with a compact pulse tube cryocooler for space applications

Recent breakthroughs in space science have motivated space exploration programs in many countries including China. Cryocoolers, which provide the mandatory low-temperature environment for many sensitive yet delicate space detectors, are crucial for the proper functioning of various systems. One benchmark for the cryocooler performance is attaining the liquid helium temperature. However, even with complex configurations and multiple driving sources, only a few cryocoolers to date can achieve this goal. Here we report a high-frequency pulse tube cryocooler(HPTC) driven by a single non-oil-lubrication compressor which is capable of reaching the liquid helium temperature while offering other advantages such as high compactness, excellent reliability and high efficiency. The HPTC obtains a no-load temperature of 4.4 K, which is the first realization of cooling below the4 He critical point with a gas-coupled two-stage arrangement. The prototype can provide a cooling power of 87 mW at 8 K, and 5.2 mW at 5 K with a 425 W input electric power, showing leading-level efficiency. Moreover, we demonstrate the ability of the cryocooler to simultaneously provide cooling power at different temperature levels to meet different requirements. Therefore, the prototype developed here could be a promising cryocooler for space applications and beyond.     

气-液与气体工质热声发动机性能对比

为了降低热声发动机的谐振频率并增大压比,建立采用U形谐振管的驻波型热声发动机.将液柱引入U形谐振管,与热声核部分的气体工质形成气-液耦合振动系统.采用水作为液柱,将氮气和氦气分别作为气体工质,进行气-液工质耦合振动与单纯气体工质热声发动机性能的对比实验.实验结果表明,无论氮-水还是氦-水耦合振动热声发动机系统均获得了低于8 Hz的谐振频率,气-液耦合振动系统的谐振频率明显低于单纯气体系统;采用气-液耦合振动能够获得比单纯气体系统更大的压比.采用气-液耦合振动实现的低谐振频率和大压比对于改善热声驱动脉管制冷系统在深低温区的制冷性能是有利的.     

A miniature liquid helium temperature JT cryocooler for space application

Along with the development of space science and technology,miniature liquid helium temperature long life cryocooler is a focus subject in cryogenic study.Since it is the precondition of space detection researches,institutions of space in many countries do the research on it.In this article,we designed a compound cooling system.A three-stage high frequency thermal coupled pulse tube cryocooler was used to precool a Joule-Thomson(JT)cryocooler.This system has no moving parts at low temperatures and is hence suitable for space operation.Liquid helium temperature was successfully achieved in both open loop and closed cycle experiments.In the closed cycle experiment,when 473 W electric power was inputted,the cooling system reached a no-load temperature of 4.4 K,and a cooling capacity of 11.6 mW was provided at 4.54 K.It is the first miniature liquid helium temperature JT cryocooler in China and the research achievement paves a way for the space application of ultra-long wave infrared detection and THz technologies.     

磁共振成像低温超导磁体冷却系统设计及数值分析

为了减小冷却磁共振成像（MRI）低温超导磁体的资源消耗和经济成本,设计可快速冷却室温磁体至60 K以下的系统,并通过建立数学物理模型进行数值模拟,对系统进行优化设计和深入分析. 系统以自主研发的大冷量单级斯特林制冷机为冷源,包括低温风机、低温调控阀和氦气罐等组成部分. 研究表明,优化系统运行参数可以显著提高冷却性能,其中系统内氦气的压力和流速尤为关键,因为两者能够显著影响压降与换热,进而影响冷却时间以及磁体最终所能达到的冷却温度. 此外,当前斯特林制冷机的冷端换热器性能尚有提升空间. 通过参数优化,系统在氦气压力为0.3 MPa、流速为13 m/s时能够达到较快的冷却速率,可在73.5 h内将质量为2 t的室温超导磁体冷却至60 K以下,有潜力在实际应用中实现MRI低温超导磁体的低能耗高效冷却.     

BEPCⅡ低温冷却系统的热力设计及数值模拟

为保证超导设备的正常运行，给出超导腔（SRF）和超导插入聚焦四极磁体（SCQ）以及超导螺线管探测器磁体（SSM）等3类超导设备和其他辅助设备的结构，并进行了漏热分析，根据各类超导设备的特点选择不同的冷却方式冷却，通过对超导设备低温冷却流程的数值模拟得出系统的热力运行参数．模拟结果表明：利用超临痹氦流冷却超导插入四极磁体较采用过冷液氦流冷却超导插入四极磁体为佳．     

BEPCII低温冷却系统的热力设计及数值模拟

为保证超导设备的正常运行,给出超导腔(SRF)和超导插入聚焦四极磁体(SCQ)以及超导螺线管探测器磁体(SSM)等3类超导设备和其他辅助设备的结构,并进行了漏热分析,根据各类超导设备的特点选择不同的冷却方式冷却,通过对超导设备低温冷却流程的数值模拟得出系统的热力运行参数.模拟结果表明:利用超临界氦流冷却超导插入四极磁体较采用过冷液氦流冷却超导插入四极磁体为佳.     

影响蒸发冷却复合高温冷水机组出水温度的因素

为了使得供给显热末端的高温冷水水温恒定,根据蒸发冷却理论与传热传质机理,从风侧、水侧、气水流量比、填料性能、风冷冷水机组性能等因素对蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组出水温度的影响进行了初步分析.进而得出蒸发冷却段与机械制冷段混合配水的比例关系,以及进风干湿球温度、气水流量比、填料性能、风冷冷水机组性能对出水的影响关系.并对该冷水机组的改进提出了相应措施.