摘要：为了研制用于自由活塞斯特林发电机的直线电机,完成动圈式直线电机结构设计,模拟并测试电机磁场强度,对发电机的输出特性进行实验研究。采用有限元软件ANSYS计算电机的磁场密度,并与测试结果进行比较,气隙宽度为6 mm时,磁通密度为626 mT,计算结果与测试值一致;搭建动圈式发电机的输出特性测试系统,进行实验研究。实验结果表明,磁场中线圈长度和电机频率不变时,有效输出电压随线圈位移线性增大,斜率与线圈阻抗和外接负载有关;系统的固有频率计算值为16.5 Hz,当工作频率远离系统固有频率时,电机输出电流随工作频率的增大而变小,系统效率最高为20%。

摘要：目前,空间红外探测领域对80K温区的冷量需求越来越大,然而为其提供冷源的大冷量的空间脉冲管制冷机相对缺乏。为了提高空间脉冲管制冷机的制冷量,基于Sage平台,建立大冷量的同轴型脉冲管制冷机的整机模型,通过模拟计算,对制冷机的蓄冷器尺寸、脉冲管尺寸、惯性管调相与导流结构等进行设计。依据设计结果,加工了同轴型脉冲管制冷机的冷指,并通过试验研究了调相机构、充气压力、热端导流结构、蓄冷器丝网目数、输入电功率等因素对脉冲管制冷机的影响规律。将试验与模拟结果进行对比,两者具有较好的一致性,从而验证了该大冷量脉冲管制冷机整机模型的准确性。研制出的制冷机在输入电功功率为300W,热端温度为300K时,在80K获得了13W的制冷量,相对卡诺效率可以达到11.9%。且该工程样机已应用到空间项目中。

摘要：提出利用激光三角法测量压缩机的活塞位移,结合压力传感器测得的气体压力,计算得到压缩机的活塞PV功;忽略活塞间隙的漏气损失,可计算得压缩机的输送PV功。设计了适用于激光测量活塞位移的带可视化窗口的压缩机外壳。针对一台特定压缩机,理论计算活塞与气缸之间的漏气量并通过实验验证了漏气量为小量。不同工况下对压缩机活塞位移进行测量,计算得到相应的活塞PV功和输送PV功,并与热线测量的输送PV功进行相互验证。利用激光测活塞位移的方法,观察脉冲管制冷机降温过程中压缩机活塞位移、压力、PV功及相位角的变化,给出相关分析。

摘要：自由活塞斯特林发动机运行频率是发动机的关键参数。区别于传统的曲柄连杆斯特林发动机,自由活塞斯特林发动机的运行频率由系统充气压力、动质量、弹簧刚度、阻力系数等热动力学参数耦合确定,因此确定自由活塞斯特林发动机的运行频率较为复杂。为了能够定量计算自由活塞斯特林发动机的运行频率,笔者建立了耦合发动机热动力学参数的数值模型。首先,在模型中对压力波进行线性化处理,得到了自由活塞斯特林发动机运行频率的计算公式;然后,运用模型分析了主要参数对发动机运行频率的影响规律,并与实验结果相对比,发现模型计算结果较为准确;最后,分析了当板弹簧刚度大幅度增加时,发动机的运行频率却变化较小,主要原因在于原有板弹簧的最高自然频率较低。结果表明:优化设计了新的板弹簧,使发动机运行频率大幅度升高,在采用新的板弹簧之后发动机的运行频率从原来的35Hz提高到60Hz。

摘要：随着空间机械制冷技术的迅速发展,空间脉冲管制冷机在80K温区整机效率已经优于1 W/18 W(制冷量/输入电功)。针对中国航天未来微小卫星的发展,中国科学院理化技术研究所开展了空间微小脉冲管制冷机的研究,并获得突破性的进展。理化技术研究所研制的宇航级微型脉冲管制冷机,80K温区制冷量与重量比已经大于1.5 W/1kg,制冷效率达到1 W/22.5 W(制冷量/输入电功),在轨设计寿命超过30 000h,可以与中波红外320×256以下面阵探测器直接耦合。系统介绍了中国科学院理化技术研究所微型脉冲管制冷机的研发过程,并给出了最新的研发结果。该制冷机除了可以实现给中波红外探测器制冷以外,还可以作为辅助热控手段,对220K以下温区的载荷热控、载荷在轨气体多余污染物吸附等应用提供帮助。

摘要：低温光学能够降低红外光学系统自身热噪声,有效提高探测灵敏度。支撑结构是实现光学系统在低温下正常工作的关键部件。设计的透射式低温光学系统工作温度为150 K,采用脉冲管制冷机这种新型机械式低温制冷机做冷源。因制冷机冷指直径较小,直接冷却光学透镜会在透镜内部产生较大温差,影响成像质量,为此设计了一种新型支撑结构,一方面设计了新型的轴向支撑和径向支撑用来减少透镜在低温下的形变,另一方面建立了透镜与脉冲管制冷机之间的传热模型,来指导支撑结构热设计,减小透镜内部温差。最后,对透镜支撑的低温性能进行了测试,实验结果表明,经过3 h,透镜温度由300 K降至150 K,支撑结构很好地保护了透镜并且在降温过程中透镜内部温差小于1 K。当温度从300 K降低到150 K时,光学表面的最大变形小于1λ(1λ=632.8 nm)。支撑结构从机械和热学性能上满足了低温光学系统的需要,为机械式制冷机冷却光学系统的光机结构设计提供了一种新选择。

摘要：超高频脉冲管制冷机体积小、重量轻,在空间应用中备受关注,近几年来成为该领域的一个前沿发展方向。由于直线型脉冲管制冷机结构简单、方便调试,在模拟计算的基础上加工直线型试验样机,根据直线型试验样机的优化结果设计加工同等尺度的同轴型原理样机,其冷指外径仅有9 mm,长度40 mm,质量为250 g。同轴型样机经过压缩机的匹配和双向进气结构的优化,采用谐振频率为50 Hz高频压缩机工作在90 Hz驱动,80 W电功率输入下可获得46.4 K无负荷最低温度,在80 K可获得2.1 W制冷量。由于冷指尺寸小、运行频率高,冷头降温速度快,2 min即可从室温降至工作温区80 K,且冷头温度不受重力影响。

摘要：实验测量了脉冲管制冷机实际工作过程中的动态速度波和压力波,得出了小功率情况下及制冷机降温过程中速度和压力波动的幅值和相位的一些规律,对脉冲管制冷机内部气体交变流动的研究和数值模拟以及制冷机的设计具有参考价值。

摘要：分析了射流对制冷机性能的影响机理,并设计了一种锥形挡片,将其作为同轴型脉冲管热端的层流元件。并通过实验研究了该层流元件与传统丝网式层流元件等对制冷机性能的影响规律。结果表明,合适的层流元件能够有效抑制射流,提高制冷机的效率。其中采用铜挡片与铜丝网组合的方式,层流化效果最好,制冷机性能最佳。该脉冲管制冷机在250 W输入电功下,最高可以获得11.2 W@80 K的制冷量。

摘要：利用现有的脉冲管制冷机性能测试实验台,针对某型号自由活塞斯特林制冷机,设计了热端水冷器并进行了性能测试。实验研究了工作频率、充气压力、输入功率等参数对制冷机性能的影响规律,结果表明斯特林制冷机的最佳运行工况为充气压力2.0 MPa,频率42 Hz。改变冷头在竖直方向和水平面不同的朝向,实验结果表明冷头竖直向下时最低制冷温度低于冷头水平布置和冷头向上的情况,但差距最大1.2 K,证明板弹簧的轴向刚度与排出器质量的比值较大,排出器重力产生的静位移较小;冷头水平放置处于不同圆周方位的制冷性能变化很小,证明排出器的密封间隙保持较好。