液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機(jī)實(shí)際氣體效應(yīng)影響及性能優(yōu)化研究.pdf

1、醫(yī)療、航天和科學(xué)研究等高科技領(lǐng)域?qū)σ汉ぜ耙韵聹貐^(qū)的制冷需求日益迫切，如用于醫(yī)療 MRI、超導(dǎo)磁體和量子通訊器件的冷卻以及低溫環(huán)境維持等。斯特林型脈管制冷機(jī)具有長(zhǎng)壽命、高效率、低電磁干擾、冷端溫度波動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，在越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)合備受青睞，因此逐漸成為研究熱點(diǎn)。近年來(lái),盡管液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機(jī)研究雖然巳取得一定進(jìn)展，但與G-M脈管制冷機(jī)相比在最低制冷溫度和制冷效率方面仍有較大差距。液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機(jī)存在多級(jí)結(jié)構(gòu)耦合復(fù)雜、高頻

2、回?zé)嵝实?、?shí)際氣體效應(yīng)損失、聲功小調(diào)相困難及工質(zhì)比熱劇烈變化等問題，這些復(fù)雜問題嚴(yán)重制約了其發(fā)展。本文以進(jìn)一步提高液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機(jī)的制冷性能為目標(biāo)，揭示液氦溫區(qū)實(shí)際氣體效應(yīng)對(duì)回?zé)嵝阅苡绊懙臋C(jī)理，探索提高回?zé)嵝实男峦緩?，采用多?jí)脈管制冷機(jī)獲得液氦溫度，進(jìn)而提高脈管制冷機(jī)在液氦溫區(qū)的制冷效率。本文主要開展了以下三方面的研究工作：
　　1.液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷工質(zhì)物性對(duì)制冷性能影響機(jī)理分析
　　基于熱力學(xué)定律，分

3、析比較了脈管制冷機(jī)制冷工質(zhì)He-4和He-3在液氦溫區(qū)的熱力學(xué)特性，并給出了兩種工質(zhì)下脈管制冷機(jī)的各種損失。結(jié)合 Sage和REGEN3.3研究了使用兩種工質(zhì)在液氦溫區(qū)脈管中的制冷性能，從冷端相位角、回?zé)崞鲹p失等方面入手，定量研究了由工質(zhì)變化引起的回?zé)崞骼涠讼辔粚?duì)最低制冷溫度、制冷量和性能系數(shù)（COP）的影響關(guān)系，上述分析為液氦斯特林脈管制冷機(jī)不同工質(zhì)（He-3、He-4）的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。
　　2.采用He-3及He-4

4、為工質(zhì)的液氦溫區(qū)脈管制冷性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)
　　與傳統(tǒng)的觀點(diǎn)普遍認(rèn)為的氦-3工質(zhì)更為優(yōu)越不同，實(shí)驗(yàn)表明采用He-3直接替代He-4斯特林型脈管制冷機(jī)并不能獲得更低制冷溫度。隨后分析了He-3優(yōu)化前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果及平均壓力、預(yù)冷溫度、運(yùn)行頻率和輸入功等不同運(yùn)行參數(shù)下的制冷性能，找出因工質(zhì)物性變化而提高制冷機(jī)性能所需的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化規(guī)律。通過運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，He-3工質(zhì)的最低制冷溫度由5.4 K降至4.03 K，并在4.86 K獲得20 mW制冷量

5、。這是目前三級(jí)斯特林型脈管制冷機(jī)達(dá)到的最低制冷溫度。為進(jìn)一步了解工質(zhì)物性下制冷機(jī)填料對(duì)制冷機(jī)性能影響，在此基礎(chǔ)上初步實(shí)驗(yàn)研究了 He-4為工質(zhì)的4~20K溫區(qū)不同組分多層回?zé)崽盍蟽?yōu)化實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)與 He-3工質(zhì)的制冷機(jī)填料實(shí)驗(yàn)對(duì)比及填料優(yōu)化積累經(jīng)驗(yàn)。
　　3.液氦溫區(qū)直流（DC flow）對(duì)脈管制冷性能影響的理論與實(shí)驗(yàn)研究
　　針對(duì)He-4工質(zhì)在液氦溫區(qū)高頻脈管實(shí)際氣體損失嚴(yán)重的問題，研究了液氦溫區(qū)回?zé)崞鲀?nèi)質(zhì)量流和能量流規(guī)律

6、，提出了液氦溫區(qū)DC流輔助調(diào)節(jié)方案。結(jié)合焓流理論分析了DC流對(duì)液氦溫區(qū)脈管回?zé)崞鞲鞑糠謸p失的影響，以及DC結(jié)構(gòu)下不同質(zhì)量流量、運(yùn)行頻率、平均壓力對(duì)制冷機(jī)性能影響規(guī)律。為了驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果并探索在液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機(jī)采用 DC流提高制冷性能的可行性，設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的液氦溫區(qū)DC流結(jié)構(gòu)形式，開展了液氦溫區(qū)多級(jí)斯特林脈管第三級(jí)DC流的實(shí)驗(yàn)研究。研究了不同DC結(jié)構(gòu)對(duì)回?zé)崞鳒囟确植?、無(wú)負(fù)荷制冷溫度以及預(yù)冷溫度的影響，對(duì)DC流結(jié)構(gòu)引入的優(yōu)勢(shì)和