1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
大阵列BIB探测器由于其高量子效率和低暗电流而成为广泛的研究对象，特别是在空间应用方向。如2021年发射的詹姆斯韦伯太空望远镜，它已经进行了许多重要的天文观测。一个稳定、高效、轻量化的液氦温区低温系统对BIB探测器的运行至关重要。氦节流制冷机可取代传统的大容积液氦杜瓦，能满足空间液氦温区的制冷要求。为了同时提高4.2 K的制冷量并减轻重量，提出了一种0.3 W@4.2 K的大冷量轻量化的4.2 K低温制冷系统。并且在现有0.1 W@4.1 K制冷量的低温系统上进行实验，验证了该系统的设计方法。在不同的冷却温度区采用不同的冷却方法，以实现冷却的高效性和轻便性。开发了一个新的集成斯特林制冷机，在80 K时提供高效的一级预冷，制冷量为15 W，重量仅为4.5 kg；二级预冷采用主动活塞调相的15 K脉管制冷机，制冷量为0.9 W。此多级低温制冷系统通过耦合氦气JT循环，可以在4.2 K时提供0.3 W的制冷量，输入功低于1.8 kW。此系统将为正在快速发展的红外天文观测所需的空间BIB探测器提供保障。
低温系统 空间BIB探测器 斯特林 脉冲管 焦汤节流 液氦 多级制冷机 cryogenic system space BIB detection stirling pulse tube JT liquid helium multi-stage cryocooler
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
直线型和同轴型脉管制冷机被广泛应用于空间领域，尤其是同轴型脉管制冷机。同轴型脉管制冷机结构紧凑且使用便利，而直线型脉管制冷机结构简单且制冷效率高。目前，对于两类脉管制冷机的理论比较研究相对较少，因此开展相应的比较研究很有意义。本文分析了两款不同结构的单级脉管制冷机（直线型和同轴型）。通过建立一维数值模型分析两款制冷机相关热力学参数的不同之处，从机理上揭示了不同结构会导致不同的制冷性能。通过比较两款制冷机的能量流及声功阻抗图，开展实验对两款制冷机性能进行测试和分析。结果表明：在相同的输入功率时，直线型脉管制冷机具有更高的制冷效率，而同轴型脉管制冷机可以达到更低的制冷温度（原因在于同轴型冷指的脉冲管置于回热器内部，会被回热器预冷）。通过比较发现，模拟数据和实验结果具有较好的一致性。
脉管制冷机 直线型 同轴型 pulse tube cryocooler in-line type coaxial type
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了探索星载脉管制冷机相关参数对制冷性能的影响和提高制冷性能的一致性, 建立了基于机器学习的随机森林回归（Random Forest Regression, RFR）模型, 然后对制冷性能与各个自变量进行了回归预测。制冷性能预测的平均相对误差为5.62%, 平均确定性系数为0.805。按照特征重要度从高到低排序, 前两位分别为丝网填充率和磁感应强度, 与实际的实验结果相符（丝网填充率和磁感应强度的实际输入功的变化值分别为6.11 Wac和3.52 Wac, 远大于其他4个自变量）。研究结果表明, RFR具有较高的精确度和鲁棒性, 为提高星载脉管制冷机性能的一致性提供了新的思路。
脉管制冷机 随机森林回归 特征重要度 pulse tube cryocooler random forest regression feature importance
1 中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083
2 中国科学院大学,北京 100049
制冷机在红外遥感领域发挥着极其重要的作用,如果出现故障直接影响探测器的正常工作以及性能,因此,制冷机智能故障诊断具有重要的意义.针对制冷机出现的碰摩故障,提出了一种基于小波包变换、遗传算法、支持向量机的智能故障诊断方法.首先对振动信号做小波变换及时域特征提取组成特征集.利用距离评价技术从特征集中选择敏感特征.利用遗传算法优化支持向量机参数.将特征值输入到优化好的支持向量机中,自动识别机器运行状态.开展制冷机故障模拟实验,结果表明,该方法最终识别准确率达 95%,能有效识别制冷机碰摩故障部位.
振动信号 小波包 支持向量机 距离评估技术 遗传算法 碰摩故障 模式识别 vibration signal wavelet packet support vector machine genetic algorithm rubbing fault Patternrecognition
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 上海卫星工程研究所, 上海 200240
建立了阻抗匹配模型, 同时从冷指及压缩机两方面对制冷机性能进行优化.基于热声理论, 构建了30 K温区脉管冷指的一维DeltaEC理论模型, 优化了惯性管型单级脉管制冷机冷指和压缩机耦合的工作参数.从机理上分析了回热器填料、双段惯性管长度及气库体积对冷指声学阻抗及压缩机声功转化效率的耦合关系.搭建实验测试平台, 测试结果表明此单级脉管制冷机可以获得24.24 K的最低温度, 输入功227 W时可以在30 K获得1 W冷量, 可较好的满足空间红外探测器应用.
脉冲管制冷机 低温 阻抗特性 空间红外探测器 pulse tube cryocooler cryogenic 30 K 30 K impedance space infrared detector
1 中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
针对一台U型一级斯特林二级脉管混合制冷机, 分析了一级冷量对二级脉管预冷对制冷机整机性能的影响。制冷机一级制冷温度为80 K, 二级制冷温度为30 K, 通过将一级冷指和脉管热桥连接, 利用一级提供的冷量对脉管进行了预冷。通过计算流体力学(Computer Fluid Dynamics, CFD)仿真研究了脉管预冷对脉管内部温度场和速度场的影响。研究发现, 对脉管进行预冷会改变脉管工作时的内部温度分布, 对二级制冷能力有巨大影响。在不采用一级冷量对脉管中段进行预冷时, 制冷机以二级0.7W@30 K和一级7W@80 K同时进行冷量输出, 压缩机输入PV功为133 W; 通过热桥将一级冷端换热器与二级脉管中段连接后, 保持输入PV功为133 W, 输出冷量变为二级1.2W@30K和一级6W@80K同时进行冷量输出。研究发现, U型一级斯特林二级脉管混合制冷机采用中段脉管预冷可大大提高二级的制冷能力。
两级混合制冷机 脉管预冷 two-stage hybrid cryocooler precooling of pulse tube CFD CFD
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
采用自由室温活塞取代惯性管及气库作为脉管制冷机(Pulse Tube Cryocooler, PTC)调相机构，不仅可以减小调相机构的体积，还可以提高其制冷性能。为了研究自由室温活塞对脉管制冷机性能的影响，设计加工了一台自由室温活塞脉管制冷机，并进行了实验研究。结果表明，在输入功不变的情况下，运行频率增大时，压缩活塞和自由室温活塞的位移相位角增大，压缩活塞与自由室温活塞的扫气容积之比增大；充气压力增加时，位移相位角增大，扫气容积比减小。研究结果对自由活塞型脉管制冷机的设计及优化具有重要指导意义。
自由室温活塞 调相机构 充气压力 工作频率 free warm piston phase shifter charging pressure working frequency
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
空间探测技术对小型低温制冷机提 出了在不同温区同时供冷的要求，而双级高频脉管制冷机则 是一种极具潜力的解决方案。介绍了一种热耦合双级高频 脉管制冷机，其两级冷指均采用同轴型结构以提升制冷机 结构的紧凑性。在室温惯性管调相的方式下，获得了22.03 K的 最低无负载温度；当总的输入电功为413 W时，两级可同时获 得8 W@80 K和1 W@30 K的制冷量。针对不同预冷温度下的性能特 性开展了实验研究，得到了低温级冷指效率的变化规律。
热耦合 双级脉管 预冷温度 thermally-coupled two-stage pulse tube precooling temperature
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
设计了直线型脉管制冷机的低温回热 器，搭建了该回热器的低温在机交变流动压降实验平台，开 展了压降和冷端压比变化规律实验研究，比较了输入功、频 率、制冷温度和充气压力对回热器压降的影响。结果表明，脉 管制冷机的运行频率越小，制冷温度越低，回热器的压降越大；充 气压力为3.0 MPa时的回热器压降大于3.2 MPa时；回 热器的冷端压比越大，比卡诺效率越高；通过增加回热器的冷端压 比可提高脉管制冷机的效率。
回热器 压降 冷端压比 实验研究 regenerator pressure drop pressure ratio at cold end experimental study
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
针对一款频率为120 Hz的同轴型脉管冷指，设计了一台高频动磁式线性压缩机，并采用有限元分析方法进行了电机本体的设计。实验结果表明，制冷机在34 W输入功率下可实现80 K 时1 W的制冷性能。在此压缩机模型的基础上，与一台相同频率的斯特林冷指进行了匹配，通过对压缩机的动子板簧重新设计，在34 W输入功率下达到了80 K时 1 W的制冷量，证明此设计方法有效。
120 Hz线性压缩机 脉管 斯特林 匹配设计 120 Hz linear compressor pulse tube cooler Stirling cooler coupling analysis
