预冷型液氦温区高频脉管制冷机研究

【摘要】：随着科学技术不断发展和进步,对液氦温区低温制冷技术的需求越来越多,特别是在空间应用中,急需采用主动制冷的液氦温区低温制冷机技术。目前液氦温区制冷机主要有G-M制冷机和G-M型脉管制冷机(低频),存在体积大、效率低以及需定期维护等缺点,空间中难以应用。与其相比,斯特林制冷机或斯特林型脉管制冷机(高频),具有结构紧凑、重量轻、效率高等优点；其中,脉管制冷机由于冷端无运动部件,更易于实现长寿命的要求,是适合于空间应用的理想机型。因此积极开展液氦温区斯特林型高频脉管制冷机研究具有重要的科学意义和学术价值。 本文首先综述了液氦温区制冷机的发展概况,剖析了高频脉管制冷机达到液氦温区的难点,在对各类调相装置进行分析的基础上,拟采用低温惯性管来解决小声功下调相不足的难题,建立了适用于低温惯性管的调相理论。同时,结合前人对液氦温区高频脉管制冷机理论设计,搭建了一台采用两级G-M型脉管制冷机预冷的高频脉管制冷机,开展了相关实验研究,为高频脉管制冷机达到液氦温区奠定基础。主要研究内容如下： 1)建立了适用于全温区的惯型管理论模型 基于流体网络理论的传输线模型,考虑低温下工质气体的非理想性质,建立了适合于低温惯性管的理论模型,开发了基于Lab VIEW软件的单段惯性管应用分析程序,分析了不同温度、压比和气库容积对惯性管调相能力的影响,绘制了不同温度下一系列管径和管长与入口声功和调相角度的调相图,不仅可直观地用于指导低温惯性管的设计,也同样适用于室温惯性管。 2)搭建了预冷型液氦温区高频脉管制冷机实验台 基于前期理论设计基础,搭建了一台由两级G-M型脉管制冷机预冷单级高频脉管制冷机的实验台,为后期试验工作的顺利开展奠定了基础。 3)研制的预冷型高频脉管制冷机达到液氦温区 试验研究表明：在运行频率为30Hz,充气压力0.5MPa,输入功率50W时,当预冷温度为9.7K时,可获得了5.2K的最低无负荷制冷温度,初步实现了高频条件下采用氦、4工质的脉管制冷机进入液氦温区；同时,获得了运行参数(运行频率,平均压力,输入功率和预冷温度)和结构参数等对制冷机性能的影响,为进一步提高预冷温度达到液氦温区,并最终实现无预冷的液氦温区高频脉管制冷机打下坚实基础。