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液氦温区分离型脉管制冷机的性能优化研究

董文庆  
【摘要】:液氦温区小型低温制冷机在低温超导磁体冷却、低温电子器件冷却、小型氦液化装置和低温泵等重要方面有着广泛应用。与传统的G-M制冷机和斯特林制冷机相比,脉管制冷机在低温下没有运动部件,避免了低温下的机械振动、磨损、电磁噪声等突出问题,可望替代传统低温制冷机并获得推广应用。近年来,伴随着液氦温区高比热容磁性蓄冷材料的应用和脉管制冷机调相装置的不断改进,液氦温区脉管制冷机的性能显著提升,但与传统两级G-M制冷机相比仍有一定差距。本文以提高液氦温区两级脉管制冷机的性能为目标,开展了以下工作: 1.基于REGEN的回热器数值模拟和分析 本文首次采用回热器模拟软件REGEN分别对液氦温区两级脉管制冷机的预冷级和第二级回热器性能进行了模拟分析。重点讨论了回热器填料组成,几何尺寸,操作参数等对制冷机性能的影响,并预测了预冷级G-M型脉管制冷机的理论极限制冷温度。基于REGEN,首次实现了大温度跨度(2-300 K)、复合型多段回热器的性能模拟和优化,分析了质量流量对制冷性能和回热器损失的影响,讨论了各段回热器填料长度、截面积和频率对制冷性能的影响。本文系统研究了分离型两级脉管制冷机级间气量分配与传热量的定量关系。研究结果表明,液氦温区分离型脉管制冷机中进入预冷级的气量约占总气量的62.5%,其余的进入了第二级;第二级质量流量在3 g/s左右时,需要的预冷量在8-14 W左右;当第二级质量流量达到8 g/s时,需要的预冷量达到了14-19 W。计算分析结果为脉管制冷机的设计和优化奠定了理论基础。 2.液氦温区脉管制冷机冷端换热器的设计方法研究 冷端换热器对脉管制冷机的性能有着重要影响,其传热能力直接决定了脉管制冷机冷量的输出能力。然而,到目前为止在交变流动下冷端换热器的设计方法尚没有成熟的理论。本文开展了液氦温区脉管制冷机狭缝式冷端换热器的理论研究,提出了液氦温区狭缝式换热器肋宽和肋高之间理论最佳关系公式和交变流动下制冷量和传热温差的表达式。首次定量给出了交变流动和稳态流动下冷端换热器换热面积的数量比较关系,同时针对G-M型低温制冷机的特征,给出了换热面积随旋转阀时序的变化规律。该换热器设计方法已经实验验证,为整机性能提高奠定了基础。3.预冷级脉管制冷机的性能优化实验 回热器是脉管制冷机的核心部件之一。通过对预冷级脉管制冷机回热器中不锈钢丝网段长度的优化及对20-80 K温区不同回热器填料结构的实验对比,找到了使制冷机性能达到最优的不锈钢丝网段长度和低温段回热材料布置型式。在最佳回热器长度时,回热器中填入Er3Ni、小直径铅丸和300目不锈钢丝网三层复合回热材料,制冷机性能最佳。本文对预冷级脉管制冷机的冷端换热器进行了研究,通过增加预冷级脉管制冷机狭缝式冷端换热器的长度和加深冷端流道上狭缝式换热器的深度后,冷端换热器总的热导从56.1 W/K增加到了112.6 W/K。实验结果表明,改进后的脉管制冷机在20-40 K温区的制冷量均得到了不同程度的提高。预冷级脉管制冷机最终获得了10.6 K的无负荷最低制冷温度,这是目前国内外公开报道的单级脉管制冷机最低制冷温度新记录,仅比理论预测的极限制冷温度高0.6 K。在实际输入功率为7.5 kW时,制冷机在20.6 K和29.9 K分别能提供20 W和40 W的制冷量,为液氦温区脉管预冷创造了优越条件。并且,制冷机在200小时的带负荷连续运行时间内,冷头在22 K时的最大温度波动为0.4K,表明制冷机在长时间运行过程中性能稳定,能够基本满足实用要求。 4.液氦温区分离型脉管制冷机的性能优化实验 在上述工作基础上,本文自行研制了一台液氦温区分离型两级脉管制冷机,并开展了实验研究。首先对改进后的狭缝式冷端换热器性能进行了实验验证,在压缩机实际输入电功均为6.7 kW下,制冷机在4.2 K的制冷量从600 mW增加到了700 mW。本文还特别研究了不同质量流量对第二级制冷性能的影响,实验结果表明,质量流量是决定制冷量最重要的因素之一。分别用单压缩机和双压缩机双旋转阀对制冷机进行了驱动,实验结果与模拟结果基本吻合。在用单台输入功率为6.7 kW的CP6000压缩机驱动时,制冷机可同时在40 K提供20 W制冷量和4.2 K提供700 mW制冷量;当预冷级用输入功率为4.8 kW的CP4000压缩机驱动,第二级用CP6000压缩机驱动时,制冷机第二级在4.2 K可提供1.1 W的制冷量,这是目前国内外公开报道的液氦温区分离型脉管制冷机所能获得的最大制冷量。该制冷机即将获得实际应用。


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