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高性能G-M型单级脉管制冷机研究

蒋彦龙  
【摘要】: 作为一种新型的小型低温制冷机,脉管制冷机由于冷头没有运动部件,具有制造简单、寿命长、自干扰震动小等突出优点,一直以来是研究的热点,在过去十多年取得了巨大进展。然而,由于脉管制冷机效率至今仍低于传统的低温制冷机(如G-M制冷机、斯特林制冷机等),从而限制了它的广泛应用。如何进一步提高制冷效率和可靠性是它得以广泛应用的首要前提。本文首先回顾了脉管制冷机的发展历史和最新研究进展,在此基础上从直流抑制和工质选取两个角度出发,开展了高性能G-M型单级脉管制冷机的研究工作。具体内容介绍如下: 1.直流机理研究和抑制方法探讨 双向进气脉管制冷机中存在的直流流动不仅造成了大量的冷损,限制了制冷机性能的进一步提高,同时还是引起制冷温度不稳定的根本原因。从流体网络理论出发,对直流形成机理和抑制方法进行了深入研究。 2.直流抑制和脉管制冷特性实验研究 在对各种直流抑制方法深入比较的基础上,积极利用双向进气调相结构具有调相和调幅的双重功能,采用了新型双阀双向进气结构对直流进行抑制。在2kW(RW2)和4kW(CP4000)压缩机驱动时分别获得了18.7K和14.7K的最低制冷温度,对应在30K时的制冷量为分别为11.5W和29.5W,突破了目前单级脉管制冷机最低制冷温度维持在20K附近的限制。 3.回热器流阻对脉管制冷机稳定性的影响 理论和实验研究了通过改变回热器流阻进行直流抑制的可行性,结果表明:适当增加回热器流阻,可以有效抑制直流,从而进一步改善了脉管制冷机性能,实现双向进气脉管制冷机在较高温区长时间地稳定工作,为目前采用双向进气结构存在的高温区性能不稳定提供了新的解决途径。 浙江大学博士学位论文 蒋彦龙:高性能G一M型单级脉管制冷机研究 2003年5月 4.氦氢混合工质脉管制冷特性实验研究 利用氢工质优越的传热和流动特性,从氦氢混合工质对回热器流阻、冷端换热器传热 性能和工质膨胀效率等因素的影响角度出发,开展了30K温区氦氢混合工质脉管制冷实 验研究。实验结果表明,采用组分为O一25%的氦氢混合物能够在一定程度上提高脉管制 冷机性能。其中,采用含氢10%的混合工质,可以获得高出纯氦5.2%的制冷量和4.9 %的COP。此外,在一台二级脉管制冷机上的实验结果表明,采用氦氢混合物在30K 温区的制冷量和COP明显高于相同条件下纯氦的值,工质对二级脉管制冷性能的积极 影响大于单级机。 5.脉管制冷氮液化器性能实验研究 为了满足许多应用场合对少量低温液体的使用要求,开展了用脉管制冷的氮液化器 性能实验研究,对不同工作模式下的系统液化速率、降温和复温特性进行了考察。结果 表明,在实验的单级脉管制冷机中采用小孔和双向进气工作模式的系统氮液化率分别为 7.68L/d和10.92L/d;此外,利用工质相变条件下温度维持不变的特性,可以实现在制冷 机关机后相当长的时间内维持系统冷端温度不变,这一特性在超导器件冷却方面具有重 要的应用价值。


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