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液氦温区二级分离型脉管制冷机研究

王来红  
【摘要】:脉管制冷机由于冷端不存在运动部件,以其运行可靠、低振动、低磁噪声以及长寿命等显著优点而得到人们的青睐。可望在空间技术、超导、低温电子等领域获得广泛应用。随着人们对脉管制冷机理认识的不断完善,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,成为Stirling和G-M制冷机的替代品。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。本文在回顾脉管制冷机的发展历史和最新研究进展的基础之上,重点针对液氦温区的脉管制冷技术,旨在探索通过采用分离型级联方式,提高脉管制冷机在液氦温区的制冷性能。具体研究工作如下: 1.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 本文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,与传统的级联方式相比,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频率、时序、或压缩机驱动。整个实验装置由两套独立系统组成:第一级和第二级脉管制冷机系统。第一级对第二级的预冷通过安装在第二级回热器中部的换热器与第一级冷头的热连接实现。每个系统均包括压缩机、G-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。第二级回热器两端采用了稀土蓄冷材料:HoCu_2和ErNi_(0.9)Co_(0.1)。 2.对第一级脉管制冷机性能的单独调试 对于分离型二级脉管制冷机来说,第一级能否获得很好的制冷性能直接影响整台制冷机的最终性能。本文通过对制冷机系统的主要部件进行改进,和参数优化,第一级获得了优良的制冷性能,最低无负荷制冷温度达到13.8K,这是单级脉管获得的最低制冷温度,40K具有55.9W制冷量,可充分满足第二级的预冷需要。 3.对两级脉管制冷机的整机性能测试 在了解第一级脉管制冷机的性能基础之上,进行第一级和第二级的耦合实验。重点探讨了第一级和第二级之间相互影响关系,对采用不同压缩机组合驱动的制冷机性能进行测试并比较。本文重点针对第一级和第二级分别提供15W和500mW负荷的情况进行性能优化,最终第一级和第二级分别在37.35K和4.155K具有15W和508mW制冷量,总输入功率6.7kW。该成果在一定程度上推进


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