牛津大学制冷技术一窥

牛津大学制冷技术一窥 2008-10-7 13:29:29 咨询电话:010-51650488

   据悉,英国牛津大学大气海洋行星物理系(AOPP)低温实验室长期进行微型长寿命斯特林制冷机研究工作。牛津大学AOPP物理系是著名的“牛津”型长寿命斯特林制冷机的发源地。斯特林制冷机是一种基于斯特林热力循环的机械制冷机,主要特点是高效率、宽温区(-196K~-253K)、体积小、重量轻,特别适合军事和航天应用。斯特林制冷机主要由压缩机和冷头组成,压缩机的活塞核冷头的排出器以一定的相位做往复运动,以实现斯特林制冷循环。正是由于斯特林制冷机包含活塞和排出器运动部件,所以,其内部存在磨损,影响制冷机的工作寿命和可靠性。为此,低温制冷技术科学家和工程师曾采取了一些措施以减少制冷机的磨损、提高寿命和可靠性,如:抛弃传统的活塞和气缸之间的密封环的密封结构,采用新颖的间隙密封形式。即使是无支撑的间隙密封制冷机,其工作寿命也由传统的数百小时提高到数千小时。为了实现数万小时的工作寿命,必须对沿轴向往复运动的活塞和排出器采取一定的径向支撑措施,以实现真正的无接触间隙密封。典型的间隙密封的支撑方法包括北美菲利普实验室曾提出的电磁悬浮支撑方法、牛津大学提出的板弹簧支撑方法、美国STI公司的气体悬浮支撑方法。其中,牛津大学的板弹簧支撑方法具有结构简单、性能稳定可靠的优点,被各国低温制冷机研究机构认可和采用,研制出不同类型的长寿命斯特林制冷机、制冷压缩机等,广泛应用于航天、军事红外探测技术领域。目前90%以上的长寿命低温制冷机均是“牛津”型斯特林制冷机和直线驱动压缩机。

   新型微型长寿命斯特林制冷机研究工作是牛津大学AOPP物理系,进行项目研制的微型斯特林制冷机为整体式结构,直线电机驱动,具有体积小、重量轻、效率高的优点。其主要特点和创新点如下:

  • 低温环境工作:制冷机将与辐射制冷器结合,应用于卫星红外探测。壳体温度由辐射制冷器冷却到200K,以降低制冷机功耗(设计功耗为4W)。
  • 大气隙磁路电机:牛津大学以前的电机都是小气隙高磁场强度的设计方案,气隙中未利用的空隙所占的比例较大,大气隙磁路电机的设计可以减少这部分比例,在一定程度上提高电机效率。
  • 新型的位移测量方法:压缩机活塞的往复运动位移传感器为线圈感应反电动势型,利用线圈在磁路气隙中往复运动过程产生的反电动势与运动速度成正比的关系进行测量。冷头排出器的往复运动位移传感器为自制的电容型,利用两个相互运动的组件之间的电容随排出器运动位置而改变的特性进行测量。以上两种位移传感器电路均为自行设计制作,试验效果很好。
  • 板弹簧引线:利用制冷机活塞支撑板弹簧作为电机引线。牛津大学的板弹簧技术已经相当成熟,早在上世纪70年代就已应用于大气测量的星载压力调节器,并在空间长寿命斯特林制冷机上获得成功应用。利用其作为电机引线既可以提高引线的工作寿命(10年以上),还可以减少零件数量,简化结构,提高整机可靠性。

   著名的Rotherford Appleton Laboratory实验室的低温研究室。RAL实验室位于牛津市南面约30英里的Didcot镇,主要从事材料、激光、空间天文、粒子物理等学科的研究,在较宽领域支持大学研究活动,进行成果转化。低温研究室有8名员工,负责人是Thomas W. Bradshaw。在RAL低温研究室,我们参观了他们研制的斯特林制冷机、脉冲管制冷机、吸收式制冷机以及其它低温系统。其中,包括1991年发射的高层大气研究卫星(UARS)上的ISAMS斯特林制冷机(第一台应用于空间的“牛津”型长寿命斯特林制冷机)、对置安装两台压缩机公用一台冷头的斯特林制冷机、两种U型脉冲管制冷机、已经运行了13.5年现在还在继续运行的0.8W/80K的长寿命斯特林制冷机、斯特林与J-T结合的4.2K用于PLANK飞行任务的多级复合制冷系统、斯特林与J-T和He3吸收式制冷机结合的0.3K超低温复合制冷系统。另外,RAL实验室正在研制一台八谱段地面红外望远镜的冷却系统,该制冷系统采用GM制冷机作冷源,制冷温度4K。利用铜辫和分割的铜环传递冷量,以保证各焦平面的位置精度的稳定性。该实验室还正在研制一种螺旋管超导线圈Lhe冷却系统。

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