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 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220369
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
3 上海量子科学研究中心，上海 201315
对工作在1~2 K的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)用多级脉冲管预冷焦耳－汤普逊(JT)的复合制冷机制冷性能进行了系统的热力学优化研究。阐述了该复合制冷机的结构设计和工作机理；基于热力循环分析提出了焓流模型，同时建立了适用于3 K以下温区的实际流体质量流量模型，并将二者结合，分析复合制冷机的性能；探讨了理想情况下净制冷量随末级预冷温度和上游压力的变化特性，应用所提出的模型通过离散参数拟合方法对二者进行优化。发现对于He-4和He-3工质，多级脉冲管末级最优预冷温度分别为11 K和8 K；以He-4为工质，该复合制冷机能在2.2 K的温度下提供85 mW以上的制冷量；以He-3为工质，能在1.0 K提供18.5 mW的制冷量，该性能能够满足SNSPD的实际应用需求。
超导纳米线单光子探测器 1～2 K复合制冷机 热力学优化 Superconducting Nanowire Single Photon Detectors 1-2 K hybrid cryocooler thermodynamic optimization 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(1): 90
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
当前，对于吸振器和单活塞线性斯特林制冷机振动系统的研究，几乎都是在已知制冷机进行某种固定安装方式的正定模型上进行的。而这种正定方法由于缺乏对制冷机和吸振器系统固有频率的分析，当改变系统的安装方式后，可能会产生共振并减小吸振器的减振效果。基于此，本文将对制冷机和吸振器振动系统在未进行任何安装时的半正定模型进行理论分析，并通过悬挂测试法对制冷机适配吸振器前后进行振动实验。由此得到了系统在半正定模型下的理论固有频率值为 78.6Hz。而通过实验可发现，受吸振器实际加工和装配的影响，系统的固有频率随吸其刚度的增大而增大，其增大的范围在 78.1～80.8 Hz之间。
单活塞线性斯特林制冷机 吸振器固有频率 半正定模型 single-piston linear Stirling cryocooler, vibratio
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
回热器是斯特林制冷机的核心部件，其性能优劣对斯特林制冷机的性能有决定性影响。对斯特林制冷机回热器的各项热损失(主要包括有限传热损失、 流动压降损失、 空容积损失等)进行了理论分析，并通过实验研究了增加丝网数量和采取不同丝网填充方式对回热器性能的影响。结果表明，增加丝网数量可以有效提高制冷机的性能，采取冷端布置400目丝网和热端布置少量100目丝网的混合丝网布置方式达到的效果最好，为斯特林制冷机的回热器性能优化提供了依据。
斯特林制冷机 回热器 热损失 丝网填料混合布置 Stirling cryocooler regenerator heat loss mesh mixed arrangement
1 西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安 710049
2 昆明物理研究所，云南昆明 650223
J-T节流制冷器被广泛应用于多种红外设备中。在有限结构内达到冷量最大化，是节流制冷器在小型化发展中面临的问题之一。本文在考虑流体物性变化和部件漏热的基础上，建立了一维稳态节流制冷器热力模型，着重对用于节流制冷器的双螺旋翅片换热器中 3项结构参数（翅片的肋高、肋厚和肋间距）对换热器性能的影响进行了计算分析，并采用遗传算法对结构参数进行了优化。研究结果表明：论文所进行的数值计算与实验结果吻合较好；在给定工况和结构参数范围内，肋高和肋厚增加会导致换热器的熵产和冷端冷量都增加、肋间距增加则使换热器的熵产和冷端冷量都减少；并存在最优参数使换热器冷端冷量最大。本文所建立的计算方法为 J-T节流制冷器在工程应用中的结构优化和设计提供了高效的途径。
J-T制冷器 翅片换热器 数值模拟 结构优化 Joule-Thomson cryocooler, finned tube heat exchang
1 Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technologies, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai200083, China
2 Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technologies, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai200083, China
完成了红外制冷机驱动系统滤波器的设计与仿真。针对系统关键器件的特性，采用合理算法建立精确的联合仿真模型。并借助联合仿真模型提取分析了系统的干扰机理。基于阻抗失配理论分析了不同滤波器拓扑的插入损耗与源和负载阻抗间的关系。最终提出了一套基于干扰机理的传导干扰滤波器设计及优化方法，该方法有效地优化了滤波器的性能，并降低了设计冗余。通过实验验证了该方法的准确性与可行性。
红外制冷机 联合仿真模型 干扰机理 电磁干扰滤波器设计 infrared cryocooler co-simulation model interference mechanism EMI filter design
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
机械制冷机是提供红外载荷工作所需低温环境的主要设备, 其驱动系统的传导干扰是影响红外载荷精度的重要因素。传导干扰中的共模干扰具有较高的分析难度, 为研究其机理, 以某红外用机械制冷机及驱动系统为研究对象, 使用一种新型多物理域联合仿真的方法对共模干扰机理进行定量分析, 并通过实验测试验证了仿真模型的准确性。最终对其干扰路径及干扰源特性进行了分析, 并总结出共模干扰机理。结果表明: 测试频段内制冷机的寄生参数是影响共模干扰通路的最主要因素, 但随频率增加, 输入输出电缆的寄生参数对干扰通路的影响逐渐增大, 同时, 干扰机理显示: 系统产生的共模干扰最可能导致 CE102标准在频段500 kHz~1 MHz干扰超限。
红外载荷 共模干扰 机械制冷机驱动系统 联合仿真 干扰机理 infrared loading common-mode interference cryocooler driving system co-simulation interference mechanism 红外与激光工程
2020, 49(1): 0104001
