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微型机械制冷机的污染失效及其考核方法

中国机械工程 2007年第4期18卷 464-467页

作者：杨宝玉吴亦农府华刘心广中国科学院上海技术物理研究所上海200083

阐述了污染失效是影响微型机械制冷机可靠性的一个关键因素,在分析污染气体的来源及其对制冷机回热器的影响等污染失效机理的基础上制订了考核方案。设计了微型高压阀,向机械制冷机工作腔内在线、连续添加污染杂质进行污染加速试验,从... 详细信息

阐述了污染失效是影响微型机械制冷机可靠性的一个关键因素,在分析污染气体的来源及其对制冷机回热器的影响等污染失效机理的基础上制订了考核方案。设计了微型高压阀,向机械制冷机工作腔内在线、连续添加污染杂质进行污染加速试验,从而解决了污染失效考核的关键问题。通过一台机械制冷机的污染加速试验对其污染失效进行了量化考核,结果表明,水蒸气、酒精、丙酮3种主要污染气体分别为74mg、31mg、114mg时使制冷性能下降约40%。污染失效的考核为机械制冷机寿命预测与污染控制提供了依据。

关键词：机械制冷机可靠性污染失效微型高压阀加速试验

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机械制冷机温控的系统仿真与分析

低温与超导 2019年第5期47卷 1-6页

作者：孟晓倩杨宝玉张家昆诸经豪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

对机械制冷机温度控制系统分别从驱动控制电路、制冷机压缩机、制冷机冷指及冷平台杜瓦组件的特性进行了研究,揭示输入电压与输出温度之间的传递函数的物理特性关系。基于Simplorer软件搭建机械制冷机的系统级温控仿真平台,通过该平台... 详细信息

对机械制冷机温度控制系统分别从驱动控制电路、制冷机压缩机、制冷机冷指及冷平台杜瓦组件的特性进行了研究,揭示输入电压与输出温度之间的传递函数的物理特性关系。基于Simplorer软件搭建机械制冷机的系统级温控仿真平台,通过该平台可实时反映控制系统中不同物理量的变化情况,并将仿真结果与实验结果进行对比,验证了该仿真模型的可行性。通过该仿真平台,分析了热负载变化、环境温度变化和测温信号噪声对机械制冷机温控系统的影响。

关键词：机械制冷机温控系统仿真模拟

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机械制冷机温控稳定性的仿真与实验研究

低温与超导 2020年第7期48卷 13-16,55页

作者：刘墨洲杨宝玉孟晓倩诸经豪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

机械制冷机温度控制算法中控制参数的取值可直接影响机械制冷机的控温稳定性能。基于机械制冷机温度控制算法原理,结合制冷机温度控制特性,提出一种简化的控制参数整定方案,然后通过仿真和实验对该理论进行验证,并对机械制冷机的温度控... 详细信息

机械制冷机温度控制算法中控制参数的取值可直接影响机械制冷机的控温稳定性能。基于机械制冷机温度控制算法原理,结合制冷机温度控制特性,提出一种简化的控制参数整定方案,然后通过仿真和实验对该理论进行验证,并对机械制冷机的温度控制稳定性能进行分析研究。

关键词：机械制冷机温控稳定性

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机械制冷机高精度温控的系统仿真与实验研究

机械制冷机高精度温控的系统仿真与实验研究

作者：孟晓倩中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)

学位级别：硕士

随着空间探测技术的不断发展,空间设备对环境的要求越来越高,机械制冷机以其小体积、轻质量、高稳定性等优点,广泛应用于红外探测技术,以提高芯片稳定度,延长芯片的使用寿命。由于红外相机对环境温度非常敏感,当环境温度波动超过一定范... 详细信息

随着空间探测技术的不断发展,空间设备对环境的要求越来越高,机械制冷机以其小体积、轻质量、高稳定性等优点,广泛应用于红外探测技术,以提高芯片稳定度,延长芯片的使用寿命。由于红外相机对环境温度非常敏感,当环境温度波动超过一定范围时,会影响相机的成像质量,在新一代的风云卫星光电载荷对红外探测器低温工作温度提出了50mK(±25mK)稳定度的要求,因此,需要机械制冷机的冷头温度始终能够维持较高的稳定性。针对这些问题,本文对机械制冷机的温度控制特性进行了以下几个方面的研究:首先,对脉冲管型机械制冷机工作原理进行介绍,详细说明机械制冷机温控系统的组成部分,并对驱动控制电路和制冷机组件的数学模型进行分析,将二者相结合,总结得到机械制冷机温控系统模型。其次,对机械制冷机的温度控制算法进行研究,总结分析位置式PID算法和增量式PID算法对机械制冷机系统性能的影响,结合机械制冷机的性能特点,给出简化的稳定域参数范围的计算方法,使控制算法的参数整定更加简洁易懂。然后,基于多物理域仿真软件—Simplorer软件,结合压缩机仿真软件—Maxwell软件和控制系统与杜瓦组件仿真软件—Simulink/Matlab软件,建立机械制冷机温度控制系统仿真平台,对机械制冷机的数学模型进行修正,修正后的模型仿真结果与实验结果相符,可用于分析机械制冷机温度控制系统的相关特性。结合简化的稳定域参数范围计算方法,给出控制参数的稳定范围区间,并通过仿真分析热负载变化、环境温度变换、冷头温度采集信号噪声干扰等因素对系统稳定性能的影响。最后,通过实验对上述理论与仿真结果进行验证,调整系统控制参数,使机械制冷机温度控制系统最终实现±25mK/30min的性能指标。

关键词：机械制冷机理论建模温度控制算法系统仿真

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机械制冷机温度控制算法研究

机械制冷机温度控制算法研究

作者：刘瑶瑶中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)

学位级别：硕士

目前红外探测技术已广泛应用于天气预报、环境监测、灾害预警、资源探测、农业种植、渔业养殖以及军事遥感领域,与国家的发展密切相关。在航空航天遥感领域,机械制冷机以其体积小、重量轻、稳定性高等优点成为红外探测器组件的重要组成... 详细信息

目前红外探测技术已广泛应用于天气预报、环境监测、灾害预警、资源探测、农业种植、渔业养殖以及军事遥感领域,与国家的发展密切相关。在航空航天遥感领域,机械制冷机以其体积小、重量轻、稳定性高等优点成为红外探测器组件的重要组成部分。机械制冷机温度控制的精确性、稳定性对高分辨率相机系统稳定成像具有重要意义。国内外机械制冷机主动温度控制普遍采用比例-微分-积分(Proportion Integration Differentiation,PID)控制算法。由于对制冷机组件的数学模型缺乏了解,无法结合被控对象对PID控制算法进行深入分析,对制冷机闭环温度控制系统的仿真研究较少,因此PID参数的设计多依靠工程经验,费时费力。针对这些问题,本文对机械制冷机PID温度控制算法进行了以下几方面研究:首先,根据传热学和电路相关理论对制冷机温度控制系统主要部件进行了理论建模,确定了模型结构和阶次,模型中的未知参数可以通过辨识得出。随后建立了机械制冷机温度控制系统的闭环控制模型。其次,在分析PID控制基本原理的基础上,结合制冷机组件的数学模型分析了增量式数字PID控制参数变化对系统稳定性的影响。然后,将制冷机组件的传递函数与增量式PID控制器相结合,给出了基于稳定裕度的增量式PID参数稳定域的计算方法,并进行了仿真验证。最后,通过实验法对制冷机组件数学模型的未知参数进行了辨识,并根据试验结果总结了热负载功率对制冷机组件传递函数的影响规律。建立了制冷机温度控制系统的Simulink仿真平台,并采用实验与仿真相结合的方法分析总结了PID各参数以及实际应用中的约束条件对制冷机闭环温度控制的作用规律。最终实现了控温稳定度±0.1K/30min的性能指标。

关键词：机械制冷机 PID算法模型参数辨识稳定域参数整定

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机械制冷机高稳度多级温控技术研究

机械制冷机高稳度多级温控技术研究

作者：刘墨洲中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)

学位级别：硕士

随着我国对空间探测技术的探索愈加深入,红外探测技术的性能要求越来越高。以研究气候变化领域的红外基准载荷为例,目前要求红外基准载荷可以识别的温度变化为每百年不到1K,因此要求研制的红外基准载荷必须具有灵敏度高、光谱连续、光... 详细信息

随着我国对空间探测技术的探索愈加深入,红外探测技术的性能要求越来越高。以研究气候变化领域的红外基准载荷为例,目前要求红外基准载荷可以识别的温度变化为每百年不到1K,因此要求研制的红外基准载荷必须具有灵敏度高、光谱连续、光谱分辨率高的特点。红外基准载荷对制冷机冷头温度的微小变化非常敏感,所以冷头温度微小变化会影响红外基准载荷的性能要求。机械制冷机普遍采用主动闭环控温方式,即对冷头处的温度偏差值进行PID控制运算,按照PID控制器计算出的控制量输出制冷功率来反馈调节冷头温度,进而使冷头温度维持稳定。但是目前制冷机只采用主动闭环控温方式的温度稳定度不能够满足高性能红外基准载荷对冷头温度稳定度要求,因此,如何提高机械制冷机冷头处的温度稳定度成为当前需要解决的难题。针对这些问题,本文对机械制冷机实现高稳定度控温技术进行了以下几个方面的研究:首先,对斯特林型脉管制冷机工作原理进行介绍,从脉管制冷机与红外基准载荷的耦合系统提取多级控温系统数学模型,得到多级控温系统的综合传递函数。其次,根据综合传递函数提出制冷机多级控温策略:在制冷机外壳控温和制冷机主动闭环控温的基础上补充精密补偿控温装置输出小加热量调节微小的冷头温度波动。再次,根据制冷机多级控温策略设计制冷机多级控温系统,比较位置式和增量式PID控制算法的特点以及PID参数整定方法。机械制冷机多级控温系统使用增量式PID控制算法调节冷头温度,并采用基于稳定裕度的PID参数整定方法确定多级控温参数。然后,将制冷机的耦合系统、综合多级温度控制算法和控制电路进行集成建模仿真,得到综合多级控温系统的控温参数初始值,在此基础上对控温参数进行稳定裕度分析并重新整定控温参数,并通过仿真模型分析热负载变化对制冷机多级控温系统稳定性能的影响。最后,通过实验对制冷机多级控温策略以及多级控温系统进行验证,修正制冷机多级控温系统控温参数,最终机械制冷机多级控温系统的温度稳定度达到了±10mK/30min。

关键词：机械制冷机多级控温系统集成建模仿真高稳定度

蒙特卡罗法用于机械制冷机污染传输特性的仿真计算

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低温与超导 2006年第2期34卷 105-108,117页

作者：杨宝玉吴亦农府华中国科学院上海技术物理研究所上海200083

为了优化结构设计和建立标准的污染控制体系来提高机械制冷机的运行寿命,需要深入研究污染气体在制冷机管道内的传输机理。采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对污染气体的传质过程进行理论仿真,设计编写软件程序,计算了分子流状态下制冷... 详细信息

为了优化结构设计和建立标准的污染控制体系来提高机械制冷机的运行寿命,需要深入研究污染气体在制冷机管道内的传输机理。采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对污染气体的传质过程进行理论仿真,设计编写软件程序,计算了分子流状态下制冷机内污染气体分子通过圆管和环形管路等微通道的传输几率。得到关键管道的传输几率小于3%,并比较了不同结构尺寸管路的传输几率。

关键词：机械制冷机污染传质蒙特卡罗方法传输几率

丙酮污染对微型机械制冷机性能影响的实验研究

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低温工程 2006年第2期 25-29页

作者：杨宝玉吴亦农府华曲晓萍中国科学院上海技术物理研究所

设计微型高压阀直接向机械制冷机内在线、连续地添加污染杂质,提出了制冷机丙酮污染的强化加速实验方案,从量化角度深入研究了污染对回热式机械制冷机性能影响的规律。实验分析表明,随着丙酮添加量的增加,制冷能力首先稍微增强,然后在42... 详细信息

设计微型高压阀直接向机械制冷机内在线、连续地添加污染杂质,提出了制冷机丙酮污染的强化加速实验方案,从量化角度深入研究了污染对回热式机械制冷机性能影响的规律。实验分析表明,随着丙酮添加量的增加,制冷能力首先稍微增强,然后在42 mg和121 mg时分别出现了性能衰变的拐点。在间歇性开机时还发现了制冷机污染效应的时延现象。结合传热、流阻等理论对实验规律进行了分析讨论,为机械制冷机的可靠性技术和寿命预测研究奠定了基础。

关键词：机械制冷机污染丙酮微型高压阀回热器

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回热式机械制冷机的污染机理与控制技术分析

低温工程 2005年第6期 37-41页

作者：杨宝玉府华吴亦农刘冬毓中国科学院上海技术物理研究所上海200083

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... 详细信息

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。

关键词：机械制冷机污染蒙特卡罗传质回热器