高效率G-M型脈管制冷機(jī)的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)如G-M和斯特林制冷機(jī)相比，脈管制冷機(jī)沒有低溫下的運(yùn)動(dòng)部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高可靠性、長壽命、低機(jī)械振動(dòng)、低電磁噪聲等優(yōu)點(diǎn)，可望在超導(dǎo)磁體冷卻、低溫泵等方面獲得廣泛應(yīng)用。隨著液氫無損貯存和高溫超導(dǎo)體MgB<,2>技術(shù)的發(fā)展，低溫制冷機(jī)在20 K溫區(qū)的應(yīng)用前景非常廣闊。單級(jí)G-M型脈管制冷機(jī)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(jī)。本文以提高20 K溫區(qū)單級(jí)G-

2、M型脈管制冷機(jī)的制冷效率為目標(biāo)，開展了廣泛和深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上，本文還進(jìn)行了液氦溫區(qū)分離型二級(jí)脈管制冷機(jī)的研制。具體內(nèi)容介紹如下： 1．脈管制冷機(jī)的熱力學(xué)分析 結(jié)合線性模型和熱力學(xué)分析方法，發(fā)展了小孔型和雙向進(jìn)氣型脈管制冷機(jī)性能的計(jì)算分析模型。定性分析了氣庫容積、小孔閥、雙向進(jìn)氣閥等主要部件對(duì)制冷機(jī)性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明，增大氣庫容積可以改善制冷機(jī)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(duì)制

3、冷機(jī)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(shí)，雙向進(jìn)氣閥才能減少系統(tǒng)的總相對(duì)耗散率，提高制冷機(jī)的性能。計(jì)算分析的結(jié)果有助于加深對(duì)脈管制冷機(jī)理的理解。 2．基于REGEN的G-M型脈管制冷機(jī)數(shù)值計(jì)算和分析 采用REGEN 3.2計(jì)算分析了低頻條件下(1～2 Hz)，回?zé)崞鏖L度、質(zhì)量流量、充氣壓力、頻率和相位角等操作參數(shù)對(duì)20-300 K溫區(qū)回?zé)崞餍?/p>

4、能的影響。計(jì)算結(jié)果表明：在不同條件下的回?zé)崞髯罴验L度基本變化不大；質(zhì)量流量對(duì)制冷量和COP影響顯著，最佳冷端質(zhì)量流量為6 g/s。分析計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)本文自行設(shè)計(jì)的單級(jí)脈管制冷機(jī)在壓比為2.0時(shí)的最低制冷溫度極限約為9.5 K，為進(jìn)一步開展試驗(yàn)工作指明了方向。本文還計(jì)算了充氣壓力、頻率和相位角等參數(shù)對(duì)制冷機(jī)性能的影響。計(jì)算分析結(jié)果為脈管制冷機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 3．單級(jí)G-M型脈管制冷機(jī)的設(shè)計(jì)、制作和優(yōu)化 設(shè)

5、計(jì)并搭建了單級(jí)G-M型脈管制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。為了強(qiáng)化回?zé)崞髟?0-15 K溫區(qū)的性能，采用傳統(tǒng)認(rèn)為用于液氦溫區(qū)的磁性蓄冷材料Er<,3>Ni，使單級(jí)最低制冷溫度達(dá)到12.6K。在此基礎(chǔ)上，理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了絲網(wǎng)材料和目數(shù)對(duì)制冷機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大不銹鋼絲網(wǎng)目數(shù)到295目，雖然會(huì)增大壓降損失，但仍可以改善脈管制冷機(jī)的性能。使用Er<,3>Ni、鉛丸和295目不銹鋼絲網(wǎng)組成的三層回?zé)崞魈盍?，輸入功?.7 kW時(shí)，制冷機(jī)達(dá)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(jié)構(gòu)尺寸不變的用以氫氣液化的單級(jí)G-M型脈管制冷機(jī)。制冷機(jī)在輸入功率為7.5 kW時(shí)，達(dá)到了10.9 K的最低制冷溫度，這是目前國內(nèi)外公開報(bào)道的單級(jí)脈管制冷機(jī)最低制冷溫度，與理論預(yù)測(cè)的結(jié)果相差僅為1.4 K。該制冷機(jī)在20 K的制冷量為18 W。同時(shí)本文還進(jìn)行了制冷機(jī)的長時(shí)間運(yùn)行、重復(fù)性和帶功率開機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明制冷機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定

7、、重復(fù)性良好。 4．液氦溫區(qū)分離型二級(jí)脈管制冷機(jī)的研制 為了進(jìn)一步拓展單級(jí)脈管制冷機(jī)的應(yīng)用，研制了采用上述單級(jí)脈管制冷機(jī)預(yù)冷的液氦溫區(qū)分離型二級(jí)脈管制冷機(jī)。采用雙壓縮機(jī)雙旋轉(zhuǎn)閥驅(qū)動(dòng)，在輸入總功率為6.8 kW情況下，第二級(jí)最低溫度2.3 K，在4.2 K有508 mw制冷量，同時(shí)一級(jí)在37.5 K有15 W制冷量；增加第二級(jí)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(jìn)一步簡化低溫