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热声发动机及热声制冷机的理论与实验研究

热声发动机及热声制冷机的理论与实验研究

作者：蒋珍华浙江大学

学位级别：硕士

热声热机是一种全新的动力机械,它没有机械运动部件,采用惰性气体为工质,具有无污染、结构简单、可靠性高、寿命长等优点。由热声发动机驱动的热声(包括脉管)制冷机,在天然气液化方面有着巨大的商业应用前景。此外,采用热声制冷机替代... 详细信息

热声热机是一种全新的动力机械,它没有机械运动部件,采用惰性气体为工质,具有无污染、结构简单、可靠性高、寿命长等优点。由热声发动机驱动的热声(包括脉管)制冷机,在天然气液化方面有着巨大的商业应用前景。此外,采用热声制冷机替代现有空调制冷设备的研究也取得了很大的进展。因而热声机械成为制冷界的一个研究热点。本文回顾了热声热机的发展历史和研究现状,简要介绍了热声学的理论基础和现有的热声理论。详细介绍了改进后的扬声器驱动热声制冷机的实验装置,在该装置上以常压空气为工质进行实验获得了27℃的无负荷温降。此外还从制作加工、热声转换性能和流动阻力等几个方面,对几种常用的热声板叠进行了分析比较。自行设计制作了一台小型行波热声发动机,对该发动机进行了初步实验,并利用热声网络模型分布参数法进行了分析。分析可知该发动机热声回热器中速度波和体积流量波之间没有达到合适的相位角,导致了发动机性能较差。最后指出了今后工作的主要方向是改进发动机,调整热声回热器中的行波相位,以期获得较好的性能。

关键词：热声热机行波驻波

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高温区大冷量脉管制冷机优化设计与实验特性

化工学报 2019年第1期70卷 107-115页

作者：邓伟峰蒋珍华刘少帅张安阔吴亦农中国科学院上海技术物理研究所上海200083

设计了一台名义制冷量为50 W/170 K的大冷量脉管制冷机,采用对置活塞式动磁线性压缩机驱动,冷指的蓄冷器和脉管部件为同轴布置,采用惯性管-气库组合的被动调相机构。根据电磁-机械-声耦合场原理,建立了脉管制冷机动力学模型,对负载下的... 详细信息

设计了一台名义制冷量为50 W/170 K的大冷量脉管制冷机,采用对置活塞式动磁线性压缩机驱动,冷指的蓄冷器和脉管部件为同轴布置,采用惯性管-气库组合的被动调相机构。根据电磁-机械-声耦合场原理,建立了脉管制冷机动力学模型,对负载下的压缩机特性进行了动态仿真。为达到整机的谐振状态,对压缩机质量-弹簧系统进行了调整。整机质量(不含电控部分)小于12 kg。在230 W输入电功下,能够获得50 W/170 K的制冷性能,电机效率92.7%,整机比卡诺效率16.5%。150～200 K温区范围内制冷机比功(输入电功/制冷量)小于5W/W,额定输入功下,200 K温区能够获得90 W的最大制冷量,该制冷机可以用于航天大型红外焦平面阵列的冷却,同时为-60～-20℃制冷温区的商业低温冰箱低温冷源的选择提供了参考。

关键词：高温区大冷量脉管制冷机线性压缩机动力学模型动态仿真优化设计

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气库容积对低温环路热管的影响

浙江大学学报（工学版） 2024年第12期58卷 2556-2566页

作者：赵晨阳李南茜李骏婷蒋珍华吴亦农中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院大学北京100049

低温环路热管(CLHP)的气库容积通常为其余部件总容积的30~100倍,重量占比最大.为了实现CLHP的轻量化设计,提高卫星载荷资源的利用率,开展气库容积对CLHP启动与稳态工作特性影响的机理研究.建立CLHP的启动模型和稳态失效模型,开展气库容... 详细信息

低温环路热管(CLHP)的气库容积通常为其余部件总容积的30~100倍,重量占比最大.为了实现CLHP的轻量化设计,提高卫星载荷资源的利用率,开展气库容积对CLHP启动与稳态工作特性影响的机理研究.建立CLHP的启动模型和稳态失效模型,开展气库容积对冷凝温度、次蒸发温度和传热热阻等关键参数影响的理论与实验验证研究.结果表明:通过提高次蒸发温度设计值,CLHP实验样机可在气库容积仅为其余部件总容积的11倍的情况下顺利启动;当主热负荷较高时,不同气库容积对CLHP传热热阻影响较小;当主储液器容积一定时,可通过减小气库容积增强主储液器的调节能力,使CLHP稳定运行的热负荷范围增加.

关键词：低温环路热管启动特性稳态气库储液器

利用主动活塞调相的双温区脉管制冷机环境适应性研究

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工程热物理学报 2024年第1期45卷 7-12页

作者：惠贺军宋键镗蒋珍华殷旺刘少帅吴亦农中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院大学北京100049

为满足双温区制冷需求,通过单压缩机驱动80 K和40 K双温区冷指,且双冷指均采用主动调相器调节冷指内相位差分布,可在实现制冷机轻量化的同时,在双温区高效率制冷。本文基于双温区主动调相脉管制冷机,在制冷机环境温度和调相器相位差发... 详细信息

为满足双温区制冷需求,通过单压缩机驱动80 K和40 K双温区冷指,且双冷指均采用主动调相器调节冷指内相位差分布,可在实现制冷机轻量化的同时,在双温区高效率制冷。本文基于双温区主动调相脉管制冷机,在制冷机环境温度和调相器相位差发生变化时,分别从制冷机内双冷指声功分配、回热器冷端相位差和制冷量变化特性的角度,开展了数值计算分析和实验验证研究。研究结果表明,制冷机在环境温度变化时,通过主动调节调相器活塞运动相位差,双温区冷指能够保持高效率制冷,实现制冷机对环境温度的主动适应。

关键词：脉管制冷机主动调相环境温度双温区

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活塞调相脉管制冷技术及应用

工程热物理学报 2024年第6期45卷 1650-1655页

作者：刘少帅吴亦农蒋珍华惠贺军丁磊黄政中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院大学北京100049

脉管制冷机的微振动、高可靠、轻量化等特点,已经在航天红外探测器冷却方面取得广泛应用。作为新发展的调相方式,活塞调相技术在实现更高能效、更低温度、更低振动输出等方面具有独特优势。基于活塞调相的基本特性,针对主动活塞调相、... 详细信息

脉管制冷机的微振动、高可靠、轻量化等特点,已经在航天红外探测器冷却方面取得广泛应用。作为新发展的调相方式,活塞调相技术在实现更高能效、更低温度、更低振动输出等方面具有独特优势。基于活塞调相的基本特性,针对主动活塞调相、气动功回收活塞调相和主动功回收活塞调相三种主要的活塞调相方式进行气动力分析。分别将不同活塞调相方式应用于10~80 K脉管制冷机研制,验证活塞调相对多种形式下脉管制冷机能效提升应用效果。从应用视角出发,探讨活塞调相后续研究及改进方向。

关键词：脉管制冷机活塞调相声功回收低温制冷空间应用

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主动调相方式对脉管制冷机性能的影响

化工学报 2018年第4期69卷 1638-1645页

作者：曾烊平陈曦蒋珍华吴亦农朱海峰周志坡上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 中国科学院上海技术物理研究所上海200083

通过实验研究了主动调相脉管制冷机的性能,采用锁相器调节主动调相压缩机(APC)的电压幅值和相位角,实现对活塞运动的调节,旨在考察APC对冷指的调相能力。当调相压缩机和主压缩机驱动电压之间的相位角,即电压相位角(调相压缩机落后主压缩... 详细信息

通过实验研究了主动调相脉管制冷机的性能,采用锁相器调节主动调相压缩机(APC)的电压幅值和相位角,实现对活塞运动的调节,旨在考察APC对冷指的调相能力。当调相压缩机和主压缩机驱动电压之间的相位角,即电压相位角(调相压缩机落后主压缩机)为210°和240°时,测试了两台压缩机活塞的位移相位角为90°~130°时制冷机的性能。结果表明,不同电压相位角时,制冷机在相同的位移相位角下,其性能仍会出现差异。对比发现,主动调相方式下制冷机的最佳性能优于惯性管调相方式,当制冷量为30 W,系统输入电功减小了8.1%。最后,从相位调节及冷指与压缩机匹配两方面,解释了脉管制冷机在不同的调相方式下性能出现差异的原因,表明了APC能够替代惯性管对脉管制冷机进行调相。

关键词：动力学理论复杂流体压缩机主动调相位移相位角匹配

脉管内射流对脉管制冷机性能影响的仿真和实验研究

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低温工程 2018年第2期 30-34,68页

作者：杨森黄琦蒋珍华吴亦农中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院大学北京100049

针对脉管制冷机运行时脉管热端的射流现象,通过CFD仿真方法分析了射流对脉管内部温度分布及对制冷机性的影响。模拟结果表明射流的存在加强了脉管内冷热工质的混合,强化了脉管导热能力,使脉管冷端冷量损失增大,从而降低了整机制冷性能... 详细信息

针对脉管制冷机运行时脉管热端的射流现象,通过CFD仿真方法分析了射流对脉管内部温度分布及对制冷机性的影响。模拟结果表明射流的存在加强了脉管内冷热工质的混合,强化了脉管导热能力,使脉管冷端冷量损失增大,从而降低了整机制冷性能。为验证这一结果,搭建了实验台,为射流对脉管温度制冷机的影响进行测量,对比了发生射流和对射流进行抑制时脉管长度方向的温度分布和冷指性能,实验结果和模拟结果相符。

关键词：脉管制冷机数值模拟射流

斯特林型脉冲管制冷机中压缩机与冷指耦合实验研究

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低温工程 2007年第1期 9-12页

作者：张隆满蒋珍华吴亦农中国科学院上海技术物理研究所上海200083

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6W/95K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... 详细信息

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6W/95K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%。

关键词：斯特林型脉冲管制冷机线性压缩机耦合特性

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双温区脉管制冷机的制冷量主动调控策略

浙江大学学报（工学版） 2024年第1期58卷 169-175,187页

作者：惠贺军吴亦农宋键镗殷旺蒋珍华刘少帅中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院大学北京100049

针对空间探测中须在双温区提供不同制冷量的新需求,提出利用声功回收主动调相器对双温区制冷量进行主动调控的方法.研究分析高温区调相器活塞运动特性对双温区冷指阻抗的影响,得到调相器对双温区冷指声功率分配及回热器效率的影响特性,... 详细信息

针对空间探测中须在双温区提供不同制冷量的新需求,提出利用声功回收主动调相器对双温区制冷量进行主动调控的方法.研究分析高温区调相器活塞运动特性对双温区冷指阻抗的影响,得到调相器对双温区冷指声功率分配及回热器效率的影响特性,实现80 K和40 K双温区制冷量主动调控.数值计算结果显示,调相器相位差对高温区制冷量影响较大,调相器振幅和相位差对低温区制冷量均有明显的影响.实验结果表明,采用基于主动控制调相器活塞运动特性的调节策略,80 K温区制冷量可以在9.2~23.7 W内主动调节,40 K温区制冷量可以在3.2~4.5 W内主动调节.

关键词：脉管制冷机主动调相双制冷温区阻抗分析调控策略

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