高效率G-M型脈管制冷機的理論與實驗研究.pdf

1、與傳統的回熱式低溫制冷機如G-M和斯特林制冷機相比，脈管制冷機沒有低溫下的運動部件，具有結構簡單、低成本、高可靠性、長壽命、低機械振動、低電磁噪聲等優(yōu)點，可望在超導磁體冷卻、低溫泵等方面獲得廣泛應用。隨著液氫無損貯存和高溫超導體MgB<,2>技術的發(fā)展，低溫制冷機在20 K溫區(qū)的應用前景非常廣闊。單級G-M型脈管制冷機在過去幾年發(fā)展迅速，最低制冷溫度已低于15 K，然而其制冷效率仍低于同溫區(qū)的G-M制冷機。本文以提高20 K溫區(qū)單級G-

2、M型脈管制冷機的制冷效率為目標，開展了廣泛和深入的理論和實驗研究。在此基礎上，本文還進行了液氦溫區(qū)分離型二級脈管制冷機的研制。具體內容介紹如下： 1．脈管制冷機的熱力學分析 結合線性模型和熱力學分析方法，發(fā)展了小孔型和雙向進氣型脈管制冷機性能的計算分析模型。定性分析了氣庫容積、小孔閥、雙向進氣閥等主要部件對制冷機性能的影響。計算結果表明，增大氣庫容積可以改善制冷機性能，但在氣庫與脈管容積之比大于10之后，增大氣庫容積對制

3、冷機性能的影響不大。因而不必為了提高制冷效率而無限制地加大氣庫容積。只有在制冷溫度低于臨界溫度、小孔閥的開度超過臨界值時，雙向進氣閥才能減少系統的總相對耗散率，提高制冷機的性能。計算分析的結果有助于加深對脈管制冷機理的理解。 2．基于REGEN的G-M型脈管制冷機數值計算和分析 采用REGEN 3.2計算分析了低頻條件下(1～2 Hz)，回熱器長度、質量流量、充氣壓力、頻率和相位角等操作參數對20-300 K溫區(qū)回熱器性

4、能的影響。計算結果表明：在不同條件下的回熱器最佳長度基本變化不大；質量流量對制冷量和COP影響顯著，最佳冷端質量流量為6 g/s。分析計算結果預測本文自行設計的單級脈管制冷機在壓比為2.0時的最低制冷溫度極限約為9.5 K，為進一步開展試驗工作指明了方向。本文還計算了充氣壓力、頻率和相位角等參數對制冷機性能的影響。計算分析結果為脈管制冷機的設計和調試奠定了堅實的理論基礎。 3．單級G-M型脈管制冷機的設計、制作和優(yōu)化 設

5、計并搭建了單級G-M型脈管制冷機的實驗臺。為了強化回熱器在10-15 K溫區(qū)的性能，采用傳統認為用于液氦溫區(qū)的磁性蓄冷材料Er<,3>Ni，使單級最低制冷溫度達到12.6K。在此基礎上，理論分析和實驗驗證了絲網材料和目數對制冷機性能的影響，發(fā)現適當增大不銹鋼絲網目數到295目，雖然會增大壓降損失，但仍可以改善脈管制冷機的性能。使用Er<,3>Ni、鉛丸和295目不銹鋼絲網組成的三層回熱器填料，輸入功率6.7 kW時，制冷機達到了11.1

6、 K的最低制冷溫度，在20 K的最大制冷量和COP分別是17.8 W和2.95×10<'-3>。制作和優(yōu)化了新的結構尺寸不變的用以氫氣液化的單級G-M型脈管制冷機。制冷機在輸入功率為7.5 kW時，達到了10.9 K的最低制冷溫度，這是目前國內外公開報道的單級脈管制冷機最低制冷溫度，與理論預測的結果相差僅為1.4 K。該制冷機在20 K的制冷量為18 W。同時本文還進行了制冷機的長時間運行、重復性和帶功率開機試驗，結果表明制冷機運行穩(wěn)定

7、、重復性良好。 4．液氦溫區(qū)分離型二級脈管制冷機的研制 為了進一步拓展單級脈管制冷機的應用，研制了采用上述單級脈管制冷機預冷的液氦溫區(qū)分離型二級脈管制冷機。采用雙壓縮機雙旋轉閥驅動，在輸入總功率為6.8 kW情況下，第二級最低溫度2.3 K，在4.2 K有508 mw制冷量，同時一級在37.5 K有15 W制冷量；增加第二級充氣壓力0.15 MPa，在4.2 K下的制冷量由508mW增大到590 mW。為了進一步簡化低溫