回热式机械制冷机的污染机理与控制技术分析

采用蒙特卡罗方法,对污染气体在制冷机管路复杂的传质扩散过程进行了建模计算,分析了污染气体对制冷机性能的影响机理.结合机理分析和实际经验对高温烘烤除气等一些必要的污染控制措施进行综述,对机械制冷机污染控制技术的系统化、标准化进行了展望.     

微型斯特林制冷机发展综述

从电子技术和光电子技术发展背景出发,论述了微型斯特林制冷机的发展前景及其关键子系统(控制系统、驱动系统和回热器等)的发展情况;同时论述了高频微型斯特林制冷机发展的技术关键是回热器的孔径率很高或者是孔径很小(10～50μm),同时膜的振幅在10～100μm级,以减小高频下黏性损失有所增大的负效应。     

脉管制冷机污染试验研究

通过强化加速试验,从运行时间、加热烘烤温度、自由气体污染和约束气体污染等方面研究了工质气体污染对脉管制冷机制冷性能的影响,试验结果表明,脉管制冷机在工作时,污染物在回热器内的重新分布以及污染回热材料是脉管制冷机产生污染效应的主要因素。结合传热及流阻等理论对试验结果进行了机理分析,其试验结论有助于脉管制冷机的空间工程化应用。     

空间机械制冷机的工程化研究现状

空间制冷技术是制约空间红外遥感技术发展的关键技术之一。随着红外遥感元件所需冷量的大幅提高,空间机械制冷机逐渐成为空间制冷的主力军。首先简单介绍国内外空间机械制冷机的工程化进展状况;并结合美国JPL实验室近十年关于机械制冷机的研究报告,概述在空间机械制冷机研制过程中需要重视和考虑的技术问题,有助于加快我国空间机械制冷技术的应用进程。     

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。     

工质和回热器参数对斯特林制冷机性能影响的研究

针对斯特林制冷机在环保、节能、结构紧凑等方面的优点,建立了一种应用于制冷温区(即:家用和商用冰箱领域,温度在173K～283K的范围)的整体式斯特林制冷机.并对其进行了不同工质(分别采用的氮气和氦气)和四种不同的回热器结构参数(文中表2)对整机性能影响的研究.研究结果表明:整体式斯特林循环制冷机应用于制冷温区时,各种结构间存在着最优匹配.四种回热器结构中结构3的系统整机性能最优.在最优匹配的结构中,不同工质氮气和氦气的最佳充气压力和制冷性能有所不同,在结构3中以氮气和氦气为工质的最佳充气压力分别为IMPa和1.3MPa,而制冷量和COP与转速的最优关系区域分别是:氮气为500～700r/min,氦气为800～1000r/min.     

基于硅基回热器的微型脉管制冷机的数值模拟

随着电子器件热流密度的不断增加,开发和使用结构紧凑且高效的微型制冷器件已非常迫切.使用Fluent 19.0软件对基于硅基回热器的微型脉管制冷机在不同回热器空隙率、冷热端温度和相位条件下的制冷性能进行了数值计算.结果表明:硅基回热器的空隙率对制冷性能有重要影响;在固定几何参数下,存在一个最佳空隙率使得制冷机的COP最大...     

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.     

工作频率对切换式脉管制冷机性能影响的实验研究

提出切换式脉管制冷机在利用天然带压气源获取冷量方面具有一定的结构优势，因而开展了对切的切脉管制冷机的实验研究。探讨了主要操作参数对性能的影响，基本的实验研究为进一步的功能性研究和优化研究准备了基础，同时可以寻求它在衫上的可能性。     

冷指尺寸对超高频微型脉冲管制冷机性能的影响分析

冷指是脉冲管制冷机的重要部件,其尺寸大小决定压缩机乃至制冷机整机的尺寸,其内部的功热转换效率和损失等会对制冷机的性能产生显著的影响.为满足脉冲管制冷机微型化的需求,必须提高制冷机频率、减小冷指尺寸,而冷指尺寸的缩小又会影响制冷机的性能.为了掌握冷指尺寸对制冷机性能的影响规律,利用SAGE软件对运行频率为130 Hz,直...     

Numerical analysis on performance and contaminated failures of the miniature split Stirling cryocooler

A mathematical model based on thermodynamic theory of variable mass is developed for the split Stirling refrigerator, in which, the whole machine is considered by one-dimensional approach while the processes in the regenerator are simulated by two-dimensional approach. First, the influence of the ideal frost layer distributions on the flow and heat transfer in the regenerator and the performance of the Stirling cryocooler are simulated. Then, the distribution of the contaminated water vapor and its coagulated and deposited process is qualitatively analyzed. Finally, the lifetime of the refrigerator is evaluated based on the calculated data. The results show that when the refrigerator is operated at uniform distribution of the water vapor partial pressure in the regenerator, the cooling capacity is reduced over 10% at about 631 h, and the power consumption of compressor is increased over 20% at about 1168 h. However, for the linear distribution of water vapor partial pressure, the refrigerator can work properly because the frost never reaches the criterion of failure. Also, it is found that when the Stirling cryocooler restarts after a shutdown, the cooling capacity is reduced by 10% once the frost mass is over 7.05 mg, and there is no cooling capacity once the frost mass reaches 41.2 mg.     

6 W大冷量斯特林制冷机的实验研究

基于实验分析了大冷量分置式斯特林制冷机的动力特性和热力特性,详细讨论了对制冷机性能有重要影响的参数如固有频率、工作频率、相位角、充气压力、排出器位移等.样机采用牛津型斯特林制冷机结构,在93 W输入功率下初步获得6 W/90 K的性能.     

斯特林型脉冲管制冷机中压缩机与冷指耦合实验研究

从理论上分析了质量流和压力波对脉冲管制冷机中冷指和压缩机耦合的影响, 针对1台6 W/95 K斯特林型脉冲管制冷机行了具体研究.实验分析表明:只有当线性压缩机能够提供脉冲管冷指所需的压力波动和质量流量时,整机才可能取得较好的性能;运行频率和整机的输入功率对压缩机效率的影响都小于2%.     

小型斯特林制冷机回热器理论模型与分析

对小型斯特林制冷机回热器建立理论模型,通过对控制方程进行无量纲化处理及合理简化,推导出表征小型斯特林制冷机回热器不可逆性的熵流方程。     

脉管制冷机光纤结构回热器特性的模拟与分析

提出采用基于多孔光纤技术的以熔融石英为材料的回热器构想,其流道水力半径可以达到比高目数不锈钢丝网更小的尺度,然后就635目不锈钢丝网(rh=8μm)和熔融石英多孔平行管(rh=8μm、5μm、1μm)等4个算例进行模拟计算和优化分析。结果显示,在相同的高频工作环境下,采用熔融石英多孔管回热器脉管制冷系统的COP高于采用635目不锈钢丝网系统的COP,并在一定范围内随着石英多孔管水力半径的减小而增高。     

DC流对液氦温区斯特林型脉管制冷机的影响

理论研究表明DC流(Direct Current flow)存在于大多数双向进气结构的脉管制冷机中。开展了10 K以下多级斯特林脉管的实验研究,考察了在液氦温区斯特林脉管内直流流动对制冷机性能影响的规律。在采用双向进气结构对DC流流向及流量适当控制时,制冷机性能得到明显提升,在8—7 K温区适当的DC流下冷端由7.42 K降低至7.16 K。     

Connecting hose’s operating characteristics and its effect on the cooling performance of an 80 K Oxford split-Stirling-cycle cryocooler

In this paper, a mathematical model on the connecting hose of a one-stage Oxford split-Stirling cryocooler has been made to simulate its dynamic performance. A set of governing equations has been discretized by method of characteristics and dissolved by a numerical method. The present paper emphasizes the validation of this model against experimental results of pressure phase lag and amplitude attenuation through connecting hose, and cooler performance vs. connecting hose in different dimensions. The comparison shows acceptable agreement between the simulation and experimental results.     

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。     

Theoretical and experimental investigations on the three-stage Stirling-type pulse tube cryocooler using cryogenic phase-shifting approach and mixed regenerator matrices

Theoretical analyses and experimental verification for a three-stage Stirling-type pulse tube cryocooler (SPTC) expected to operate at 5–12 K are conducted. Cryogenic phase-shifting and mixed regenerator matrices are employed to improve the performance at the third stage. Simulations of the phase relationship, dynamic pressure and mass flow rate are presented with third-stage phase-shifters at 40 K, 50 K and 293 K, respectively. Mixed regenerator matrices of conventional stainless steel meshes and rare-earth materials such as Er₃Ni, HoCu₂ and Er_0.6Pr_0.4 are optimized theoretically. Different ratios and combinations are analyzed and compared, and the quantitative analyses by the entropy analysis are made. A three-stage SPTC without external precooling is developed based on the theoretical analyses, and experiments were conducted. The results show a good agreement between simulations and experiments. With an overall input electric power of 370 W, the three-stage SPTC has experimentally reached a no-load temperature of 6.82 K and achieved a cooling capacity of 112 mW at 10 K.