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采用He3/He4工质液氦温区脉管制冷研究

蒋宁  
【摘要】:脉管制冷机由于冷端不存在运动部件,以其具有更高的可靠性、更小的振动和更低的磁噪声而成为受人瞩目的制冷机。随着脉管制冷技术的不断发展,脉管制冷机在80K温区的许多应用场合中逐步显示出较强的竞争力。但对于在液氦温区应用的多级脉管制冷技术,其制冷性能还有待于进一步研究和提高。本文的研究工作重点针对液氦温区的脉管制冷技术,旨在探索通过采用He-3工质拓展脉管制冷机的制冷温度极限,进而提高脉管制冷机在液氦温区的制冷性能。 1.可行性分析 在液氦温区,由于低温下He-4工质非理想性的影响,其比热容急剧增大将造成回热器失效,工质的性质成为限制低温制冷机性能的瓶颈。另一方面,对脉管制冷机来讲,当工质的等压膨胀率α_p=0时,绝热压缩或绝热膨胀都不会引起任何温度的变化,脉管制冷机将无法产生任何制冷效应。事实上,He-4的热膨胀系数α_p=0的温度比λ相变温度还要高几个mK。因此上述两个因素限制了脉管制冷机达到深低温,采用He-4为工质的脉管制冷机不可能获得2K以下的制冷温度。 He-3是He-4的同位素,在经典物理的范畴之内二者的性质大致相同,但在低温下He-3和He-4有很大的物性差异。He-3的热膨胀系数在更低的温度(1K左右)才变为零,另外He-3的λ相变温度(在2.6mK左右)在mK温区,因此理论上脉管制冷机采用He-3为制冷工质有望达到更低的制冷温度和更高的制冷量。 基于采用He3工质对于突破脉管制冷机制冷温度极限的重要意义,本文开展了采用纯质He3工质液氦温区二级脉管制冷性能的研究工作。 2.He3物性研究 全面、可靠的低温流体热物理性质数据是低温系统的设计基础。低温工程许多常用流体的热物性数据都可以通过各种状态方程、模型、计算软件获得。但到目前为止,氦-3流体热物性数据还比较缺乏,这方面的数据采集工作也开展得较少,特别是在国内,基本上是空白的。因此本文对以He-3为工质的低温系统设计所需的He-3低温热物性数据进行了收集工作,介绍了计算He-3低温热物性的状态方程和模型,并自行开发、初步建立了能够满足一定精度要求的He-3热物性数据库以备设计计算之需,填补了这方面的空白。该数据库可以对压力在10MPa以下、温度介于1K~100K之间He-3的PVT 浙江大学博士学位论文 性质、焙、内能、嫡、热导率和粘度进行计算,其精度基本可以满足工程需要。由此获 得的低温He~3流体热物性数据的计算值与1967年美国空军材料实验室发布的He一3热 物性数据基本一致,PVT性质和嫡的相对误差在2%以内,烙的相对误差不超过8%。 3.建立具有独立气体回路的分离型二级脉管制冷机实验装置 作者在德国吉森大学应用物理研究所联合培养期间建立了具有独立气体回路的液氦 温区二级G一M型脉管制冷机实验台。整个实验装置由两套独立的系统构成:第一级脉 管制冷机系统和第二级脉管制冷机系统。这两个制冷机系统均包括压缩机、G一M型旋转 阀、频率控制器、脉管制冷机等几个部分,具有各自独立的气体回路。第二级回热器的 冷端采用稀土蓄冷材料:HoCuZ和ErNi。第一级和第二级分别采用LEYBOLD公司 c00LPAK4o00(或cP6000)和RwZ氦压缩机驱动。安装在第二级回热器中部的换热器 与第一级冷头保持热联接,这样就实现了第一级冷头对第二级进气的预冷。 本文所引入的具有独立气体回路的多级脉管制冷机分离型级联方式,与二级脉管制 冷机通常所采用的级联方式相比(回热器采用串联而脉管单元采用并联的布置方式), 该系统中直流流动的调控比较容易、各级制冷量的分配具有更大的灵活性,而且还允许 各级采用不同的工质、频率、时序或压缩机运转,当然这种具有独立气路的二级脉管制 冷机在结构上比较复杂,特别是配气系统。 此外,对本文所要开展的采用He3为工质的液氦温区二级脉管制冷机研究工作而言, 一方面采用He3的主要目的是改善脉管制冷机在低温下、特别是液氦以下温区的制冷性 能。另一方面,相对于He4而言,He3比较稀少,价格非常昂贵,因此这台二级脉管制 冷机新颖的分离式结构允许两级分别采用不同的工质,体积较大的第一级作为预冷级、 采用He4为工质,体积较小的第二级则采用He3或He3舰e4混合物为工质,大大节省 了He一3的用量,降低了成本。 4.二级脉管制冷机级联方式的探讨 本文从热声学观点出发,把压力类比成电压,体积流率类比成电流,建立了脉管 制冷机的网络模型,利用该模型对二级脉管制冷机的两种级联方式进行了分析与探讨, 从理论上说明串联(回热器串联、脉管并联)与并联(各级回热器和脉管均并联)两种 级联方式各自的特点,得出了两种级联方式下二级脉管制冷机中各级脉管冷端压力波、 速度波、制冷量与各级阻抗以及压缩机输入系统的压力波之间的统一关系式,具有一定 的普遍意义;从理论上解释了本文引入具有独立气体回路的二级脉管制冷机实验装置的 原因。 5.采用He一4为工质的液氦温区二级脉管制冷机实验研究 本文首先开展了采用纯质He4为工质液氦温区分离型二级脉管制冷机性能的实验研 究工作,一方面揭示了这台全新设计的二级脉管制冷机在不同情况下的性能,同时也为 后面采用He3或He3舰e4混合工质液氦温区?


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