液氦温区双小孔型二级脉管制冷机实验研究

介绍了自行研制的二级双小孔型脉管制冷机的基本结构,着重分析了第二小孔、结构参数对制冷机性能的影响,指出了进一步改进的方向.反复实验表明,采用双小孔结构的二级脉管制冷机第一、第二级最低制冷温度分别达到46K和3.0K.     

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.     

冷端气库型脉管制冷机性能分析

针对脉管制冷机由于没有低温下的调相部件，制冷量和效率尚需进一步提高的问题,提出了在脉管冷端增加冷端气库的新型脉管调相结构,从而将脉管低温端压力和流量相位调到最佳.该气库与脉管冷端通过管壁小孔或惯性管连接，能进一步产生与压力波同相的质量流量分量，以增强脉管制冷机的制冷性能.基于线性模型的分析结果表明，冷端气库大幅度增加了脉管制冷机的制冷量.如果冷端气库与脉管体积比大于一定值，则制冷机效率也将得到显著提高.     

120 Hz单级脉管制冷机理论与实验

为了研究百赫兹以上的高频回热器的特性及其对脉管制冷机性能的影响,采用回热器数值计算程序REGEN3-2对高频回热器的尺寸参数和运行参数进行优化设计,并研制出一台运行频率为120 Hz的斯特林型脉管制冷机,其无负荷制冷温度为47.8 K,在78.6 K有8.0 W制冷量.初步证明配合使用更高的充气压力、采用小水力直径的回热填料以及缩短回热器长度,能够使得回热器在百赫兹以上的高频下仍然保持较高的效率.另外,实验显示该百赫兹高频脉管制冷机能够实现快速降温,脉管方向性问题也得到较好的抑制.     

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.     

双向进气型脉管制冷机完整线性模型

基于完整线性模型分析了双向进气型脉管制冷机的制冷机理,并考虑了回热器空体积和气库压力波动的影响.假定回热器微元内的体积流量正比于局部压力梯度,通过代数方法建立了用于分析双向进气型脉管制冷机的完整线性模型.给出了制冷量、脉管冷端流量与压力相位差及性能系数与气库体积、工作频率、小孔与回热器流导系数之比及旁通阀与回热器流导系数之比的关系表达式.考察了工作频率、气库与脉管体积比对制冷机性能的影响,得到了与试验结果一致的最优工作频率.分析结果表明,冷端相位差随双向进气阀开度的增加而减小,从理论上证实了当工作频率约为1.4 Hz时制冷机产生最大制冷量,而当工作频率约为1.0 Hz时制冷机效率最高.     

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.     

液氦温区双小孔型二级脉管制冷机实验研究

介绍了自行研制的二级双小孔型脉管制冷机的基本结构,着重分析了第二小孔、结构参数对制冷机性能的影响,指出了进一步改进的方向． 实验表明,采用双小孔结构的二级脉管制冷机第一、第二级最低制冷温度分别达到４６ Ｋ 和３．０ Ｋ．     

热声发动机驱动的脉管制冷机模拟及实验研究

基于回热器计算软件REGEN3.2,通过数值模拟分别研究了热声发动机的频率、输出压比、充气压力以及脉管制冷机的回热器长度对热声驱动的脉管制冷机制冷性能的影响,并预测了该台脉管制冷机的最低制冷温度为45K.实验研究了不同工质、热声发动机输出压比、声功输出装置以及脉管制冷机回热器长度对脉管制冷机性能的影响.实验结果表明,热声驱动的脉管制冷机的优化方向为提高热声发动机的输出压比、降低频率以及适当提高充气压力,这与数值模拟结果吻合较好.实验采用氮气-氦气双工质并以亥姆霍兹共鸣器作为声功输出装置和声压放大器,行波型热声发动机驱动的单级斯特林型脉管制冷机获得了65K的最低制冷温度.     

新型热声发动机驱动的脉管制冷机实验研究

为完全消除低温系统中的运动部件,简化低温系统结构并提高其可靠性,对自制新型热声发动机驱动的脉管制冷机系统进行了实验研究.对热声发动机的性能进行了实验分析,确定出系统充气压力和制冷机的接口位置,将一台单级小孔型脉管制冷机接到系统中.通过调节小孔阀,对脉管制冷机性能进行了优化.结果表明,以氦气为工质,在充气压力为2MPa时,发动机单独运行时最大压比达1.19,驱动单级小孔型脉管制冷机获得了119K的低温,这为热声制冷机系统应用于天然气液化奠定了良好基础.     

热电制冷器温度依赖的材料参数的提取

为获取通常情况下大部分厂家保密但在计算过程中所必须的热电制冷器(TEC)的热电材料参数,对温度依赖的热电材料参数进行了提取.利用一款一级TEC性能的测试结果,基于热电基本公式,根据两种不同的材料参数取值方法分别建立了两个超定方程组,通过对这两个方程组进行求解,分别提取了两组TEC的热电材料参数.并用所提取的两组热电材料参数对另一款相同材料的5级TEC性能进行了计算以验证所提取材料参数的有效性.结果表明:厂家性能曲线误差随级数增加而增大,对于5级TEC,制冷温度误差可达20 K以上,这在TEC选型中应予以重视;本文所提取的材料参数在计算另一款5级TEC制冷温度时,不同制冷量下误差最大为1.6 K～6.1 K.同时,电压的计算结果表明计算模型中接触电阻是不可忽略的,通过所提取的电阻误差对电压的计算进行修正后,在TEC适用工作电流区间内,两组参数计算的电压相对误差分别小于4.80%和7.00%.本文方法计算的制冷温度误差约为极值法误差的1/5～1/2,约为厂家参数误差的1/10～1/4,准确度与有限元法利用热电材料参数实测值计算的结果近似,可有效的用于相同材料TEC的性能评估.     

含发热元件密闭空间热电制冷器瞬态特性

为了研究密闭空间中发热元件对热电制冷器瞬态特性的影响,基于有限时间热力学理论,建立工作在含发热元件制冷空间中的热电制冷器计算模型.采用热阻网络分析方法,分析不同工况下关键参数对热电制冷器瞬态特性的影响,得到制冷空间温度、制冷系数、制冷量等性能参数随时间的变化规律.分别改变发热元件功率、工作电流、冷却水流速和填充系数,对比分析不同工况下的最低制冷温度和制冷系数变化,得到热电制冷器工作参数的瞬态特性.搭建水冷式热电制冷器的测试平台,开展密闭空间热电制冷器的瞬态特性测量实验.结果表明,当发热元件功率分别为0.95、4.85和13.3 W时,仿真计算温降分别为8.96、8.33和6.94 K,实验测得温降分别为6.75、5.63和4.00 K,温度变化趋势一致,验证了计算模型.     

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.     

大型高效电动机冷却器弧板结构对冷却器综合性能的影响

为了研究空冷电机弧板结构对冷却器综合性能的影响,依据计算流体力学与数值传热学理论,以一台YXKK710-4,4 000 kW大型高效异步电动机为参考样机,建立了冷却器的物理模型和数学模型,给出相应的基本假设和边界条件,并进行耦合场数值计算和分析;在保证弧板区域轴向长度不变的前提下,对冷却器弧板结构进行了优化计算,优化后的弧板区域涡流明显减少,同时冷却性能有所提高;以此作为依据重新生产制造了一台冷却器,测量得到了额定状态下新旧结构冷却器各自的流量,并对新旧结构冷却器各冷却管的流量分配进行了测量和细致分析;测量了冷却器内外风路各出口处的温度,并和数值计算结果进行了对比.实验证明优化弧板结构后的冷却器综合性能更好,研究结果为高效电动机的优化设计提供了理论依据和新方法.     

地铁用间接蒸发冷却器换热性能影响因素

为解决地铁站冷却塔设置难题,提出了一种采用低速电机驱动旋转布水装置的间接蒸发冷却器,在两种布置方式下,对其换热性能进行了单因素实验,并运用正交实验法对较优布置方式下影响换热器换热的因素进行了分析。结果表明：两种布置方式下,喷嘴与蒸发冷却器的间距、两组换热管束间距均存在最佳值,喷嘴双侧旋转布水优于单侧旋转布水;换热器平行气流布置且喷嘴双侧旋转布水为较优布置方式,此时,换热器换热量随喷水量、转速、空气速度、冷却水进口温度的增加以及喷水温度、空气温度的降低而增大,其中,冷却水进口温度对换热器换热影响最为显著,其他因素对其换热的影响从主到次顺序为：喷水量、空气温度、空气速度、喷水温度、转速、冷却水流量。     

3 kW碟式太阳能斯特林发动机换热系统的研究

换热系统是斯特林发动机的关键部件之一.以发电功率达到3 kW、效率大于20%的斯特林机为要求,设计了配套的换热系统,包括吸热器、回热器和冷却器,计算出其理论发电功率为4.2 kW,效率达到28.6%.此外,还做了针对冷却器的实验,结果显示冷却器的换热效率达93.6%,符合设计要求.