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高效率G-M型脉管制冷机的理论与实验研究

何永林  
【摘要】: 与传统的回热式低温制冷机如G-M和斯特林制冷机相比,脉管制冷机没有低温下的运动部件,具有结构简单、低成本、高可靠性、长寿命、低机械振动、低电磁噪声等优点,可望在超导磁体冷却、低温泵等方面获得广泛应用。随着液氢无损贮存和高温超导体MgB_2技术的发展,低温制冷机在20 K温区的应用前景非常广阔。单级G-M型脉管制冷机在过去几年发展迅速,最低制冷温度已低于15 K,然而其制冷效率仍低于同温区的G-M制冷机。本文以提高20 K温区单级G-M型脉管制冷机的制冷效率为目标,开展了广泛和深入的理论和实验研究。在此基础上,本文还进行了液氦温区分离型二级脉管制冷机的研制。具体内容介绍如下: 1.脉管制冷机的热力学分析 结合线性模型和热力学分析方法,发展了小孔型和双向进气型脉管制冷机性能的计算分析模型。定性分析了气库容积、小孔阀、双向进气阀等主要部件对制冷机性能的影响。计算结果表明,增大气库容积可以改善制冷机性能,但在气库与脉管容积之比大于10之后,增大气库容积对制冷机性能的影响不大。因而不必为了提高制冷效率而无限制地加大气库容积。只有在制冷温度低于临界温度、小孔阀的开度超过临界值时,双向进气阀才能减少系统的总相对耗散率,提高制冷机的性能。计算分析的结果有助于加深对脉管制冷机理的理解。 2.基于REGEN的G-M型脉管制冷机数值计算和分析 采用REGEN 3.2计算分析了低频条件下(1~2 Hz),回热器长度、质量流量、充气压力、频率和相位角等操作参数对20-300 K温区回热器性能的影响。计算结果表明:在不同条件下的回热器最佳长度基本变化不大;质量流量对制冷量和COP影响显著,最佳冷端质量流量为6g/s。分析计算结果预测本文自行设计的单级脉管制冷机在压比为2.0时的最低制冷温度极限约为9.5 K,为进一步开展试验工作指明了方向。本文还计算了充气压力、频率和相位角等参数对制冷机性能的影响。计算分析结果为脉管制冷机的设计和调试奠定了坚实的理论基础。 3.单级G-M型脉管制冷机的设计、制作和优化 设计并搭建了单级G-M型脉管制冷机的实验台。为了强化回热器在10-15 K温区的性能,采用传统认为用于液氦温区的磁性蓄冷材料Er_3Ni,使单级最低制冷温度达到12.6K。在此基础上,理论分析和实验验证了丝网材料和目数对制冷机性能的影响,发现适当增大不锈钢丝网目数到295目,虽然会增大压降损失,但仍可以改善脉管制冷机的性能。使用Er_3Ni、铅丸和295目不锈钢丝网组成的三层回热器填料,输入功率6.7 kW时,制冷机达到了11.1 K的最低制冷温度,在20 K的最大制冷量和COP分别是17.8 W和2.95×10~(-3)。 制作和优化了新的结构尺寸不变的用以氢气液化的单级G-M型脉管制冷机。制冷机在输入功率为7.5 kW时,达到了10.9 K的最低制冷温度,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,与理论预测的结果相差仅为1.4 K。该制冷机在20 K的制冷量为18 W。同时本文还进行了制冷机的长时间运行、重复性和带功率开机试验,结果表明制冷机运行稳定、重复性良好。 4.液氦温区分离型二级脉管制冷机的研制 为了进一步拓展单级脉管制冷机的应用,研制了采用上述单级脉管制冷机预冷的液氦温区分离型二级脉管制冷机。采用双压缩机双旋转阀驱动,在输入总功率为6.8 kW情况下,第二级最低温度2.3 K,在4.2 K有508 mW制冷量,同时一级在37.5 K有15 W制冷量;增加第二级充气压力0.15 MPa,在4.2 K下的制冷量由508mW增大到590 mW。为了进一步简化低温制冷机结构并为其实用化创造条件,采用单压缩机单旋转阀驱动该二级脉管制冷机。通过气量的合理分配,取得了和双压缩机双旋转阀驱动相同的制冷性能。2005年,本文研制的液氦温区脉管制冷机部分核心技术转让给日本岩谷气体产业株式会社,现已投入批量生产,产生了显著的经济效益和社会效益。


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