采用He3-He4工質(zhì)液氦溫區(qū)脈管制冷研究.pdf

1、脈管制冷機由于冷端不存在運動部件,以其具有更高的可靠性、更小的振動和更低的磁噪聲而成為受人矚目的制冷機.隨著脈管制冷技術(shù)的不斷發(fā)展,脈管制冷機在80K溫區(qū)的許多應用場合中逐步顯示出較強的競爭力.但對于在液氦溫區(qū)應用的多級脈管制冷技術(shù),其制冷性能還有待于進一步研究和提高.本文的研究工作重點針對液氦溫區(qū)的脈管制冷技術(shù),旨在探索通過采用He-3工質(zhì)拓展脈管制冷機的制冷溫度極限,進而提高脈管制冷機在液氦溫區(qū)的制冷性能.1.可行性分析基于采用He

2、3工質(zhì)對于突破脈管制冷機制冷溫度極限的重要意義,本文開展了采用純質(zhì)He3工質(zhì)液氦溫區(qū)二級脈管制冷性能的研究工作.2.He3物性研究全面、可靠的低溫流體熱物理性質(zhì)數(shù)據(jù)是低溫系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ).低溫工程許多常用流體的熱物性數(shù)據(jù)都可以通過各種狀態(tài)方程、模型、計算軟件獲得.但到目前為止,氦-3流體熱物性數(shù)據(jù)還比較缺乏,這方面的數(shù)據(jù)采集工作也開展得較少,特別是在國內(nèi),基本上是空白的.因此本文對以He-3為工質(zhì)的低溫系統(tǒng)設(shè)計所需的He-3低溫熱物性數(shù)據(jù)

3、進行了收集工作,介紹了計算He-3低溫熱物性的狀態(tài)方程和模型,并自行開發(fā)、初步建立了能夠滿足一定精度要求的He-3熱物性數(shù)據(jù)庫以備設(shè)計計算之需,填補了這方面的空白.3.建立具有獨立氣體回路的分離型二級脈管制冷機實驗裝置作者在德國吉森大學應用物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)期間建立了具有獨立氣體回路的液氦溫區(qū)二級G-M型脈管制冷機實驗臺.本文所引入的具有獨立氣體回路的多級脈管制冷機分離型級聯(lián)方式,與二級脈管制冷機通常所采用的級聯(lián)方式相比(回熱器采用串聯(lián)

4、而脈管單元采用并聯(lián)的布置方式),該系統(tǒng)中直流流動的調(diào)控比較容易、各級制冷量的分配具有更大的靈活性,而且還允許各級采用不同的工質(zhì)、頻率、時序或壓縮機運轉(zhuǎn),當然這種具有獨立氣路的二級脈管制冷機在結(jié)構(gòu)上比較復雜,特別是配氣系統(tǒng).4.二級脈管制冷機級聯(lián)方式的探討本文從熱聲學觀點出發(fā),把壓力類比成電壓,體積流率類比成電流,建立了脈管制冷機的網(wǎng)絡(luò)模型.5.采用He-4為工質(zhì)的液氦溫區(qū)二級脈管制冷機實驗研究本文首先開展了采用純質(zhì)He4為工質(zhì)液氦溫區(qū)分

5、離型二級脈管制冷機性能的實驗研究工作,一方面揭示了這臺全新設(shè)計的二級脈管制冷機在不同情況下的性能,同時也為后面采用He3或He3/He4混合工質(zhì)液氦溫區(qū)二級脈管制冷性能的研究工作建立了比較基礎(chǔ).6.采用He-3為工質(zhì)的液氦溫區(qū)二級脈管制冷機實驗研究在采用純質(zhì)He3替代He4作為第二級制冷工質(zhì)的液氦溫區(qū)二級脈管制冷性能的實驗研究工作,該分離型二級脈管制冷機以He3作為第二級制冷工質(zhì)獲得了的1.27K的最低無負荷制冷溫度,低于He4λ相變溫

6、度,驗證了采用He3工質(zhì)可以突破回熱式低溫制冷機采用He4工質(zhì)時受工質(zhì)λ超流相變束縛的2K左右的制冷溫度極限,該結(jié)果與本文的理論預測相符合.本文還考察了He3工作壓力對脈管制冷機制冷性能的影響.研究表明,對以He3為工質(zhì)的脈管制冷機而言,較低的工作壓力比較有利于達到更低的制冷溫度,因為He3的理論制冷溫度極限T<,αp=0>隨著壓力的降低逐漸下降.但是實驗表明,在Q<,1>=0W及Q<,2>=50mW和Q<,1>=0W及Q<,2>≈50