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脉冲管制冷机由于低温下没有运动部件,具有振动低、寿命长和可靠性高等优点。尤其是采用对置式线性压缩机驱动的高频脉冲管制冷机,由于能流密度提高,制冷机的尺寸得到了有效的缩减,在体积和效率方面都有着显著的提升,从而吸引了国内外众多学者的研究。目前高频脉冲管制冷机在液氮温区已经出现一些商业化的产品,在液氢温区也日趋成熟,但在更低温度,比如10K以下温区,现在高频脉冲管制冷机发展并不成熟。目前报道的能够获得10K以下的高频脉冲管制冷机通常为热耦合结构,也即需要多级逐渐串联,通过上级预冷下级而获得低温,并且往往需要多个压缩机进行驱动,在结构的紧凑性和整机的效率上都存在着较大的不足。基于此,本文对10K以下温区的高频脉冲管制冷机开展研究,主要研究内容如下:
(1)设计了10K以下温区高频脉冲管制冷机流程
针对热耦合多级高频脉冲管制冷机的不足,设计了一个由单个压缩机驱动的两级气耦合制冷流程。预冷级和低温级都采用同轴结构,其中预冷级采用室温调相,低温级采用低温调相。通过数值计算,详细考察了前级预冷温度对低温级制冷性能的影响,最终确定的预冷级和低温级温度分别是40K和6K。
(2)单级40K制冷机(气耦合两级的预冷级)的结构设计与实验研究
为了便于与低温级的气耦合,设计的预冷级结构为同轴型,采用不锈钢丝网为蓄冷材料,长颈管、气库和双向进气为调相机构。通过数值计算,详细考察了结构参数和运行参数对制冷性能的影响。在此基础上,研制了相应的样机。测试结果表明研制的单级高频脉冲管制冷机获得了最低22.7K的制冷温度,在395W的输入电功下,能够在40K提供5W制冷量,整机相对卡诺效率为7.6%,处于国际一流水平。
(3)10K以下温区两级气耦合高频脉冲管制冷机的整机优化与实验研究
通过数值计算,对预冷级和低温级之间的气耦合特性、回热器损失特性、双向进气和长颈管调相机的构影响等内容开展了研究。在40K预冷级的基础上,以气耦合的结构形式耦合了同轴型布置的低温级。数值计算表明预冷级相位的变化对低温级有所影响,但低温级对预冷级的相位几乎没有影响。预冷级回热器中的填料为不锈钢丝网,低温级回热器中的填料为Er3Ni等颗粒性磁性蓄冷材料。两者的回热器损失特性有所不同,丝网型回热器主要的可用能损失为流动阻力损失和不可逆换热损失,颗粒型回热器主要的可用能损失为不可逆换热损失。低温级回热器中较小粒径的回热器填料有利于获得更低的温度,但不利于获得更大的制冷量。预冷级和低温级的双向进气均对制冷机性能的提升有很大作用,但预冷级的双向进气对两级均有影响,而低温级的双向进气对预冷级几乎没有影响。
进一步研制了相关的样机,进行了整机的测试和优化。测试结果表明,研制的两级气耦合高频脉冲管制冷机在输入电功400W时,能够在8K提供80mW制冷量或者在10K提供166mW制冷量;同时,该制冷机可以同时在8K和40K分别提供48mW和1W的制冷量,制冷效率处于国际一流水平。获得的无负荷最低温度5.66K也是目前国际上两级气耦合脉冲管制冷机获得的最低温度。
(1)设计了10K以下温区高频脉冲管制冷机流程
针对热耦合多级高频脉冲管制冷机的不足,设计了一个由单个压缩机驱动的两级气耦合制冷流程。预冷级和低温级都采用同轴结构,其中预冷级采用室温调相,低温级采用低温调相。通过数值计算,详细考察了前级预冷温度对低温级制冷性能的影响,最终确定的预冷级和低温级温度分别是40K和6K。
(2)单级40K制冷机(气耦合两级的预冷级)的结构设计与实验研究
为了便于与低温级的气耦合,设计的预冷级结构为同轴型,采用不锈钢丝网为蓄冷材料,长颈管、气库和双向进气为调相机构。通过数值计算,详细考察了结构参数和运行参数对制冷性能的影响。在此基础上,研制了相应的样机。测试结果表明研制的单级高频脉冲管制冷机获得了最低22.7K的制冷温度,在395W的输入电功下,能够在40K提供5W制冷量,整机相对卡诺效率为7.6%,处于国际一流水平。
(3)10K以下温区两级气耦合高频脉冲管制冷机的整机优化与实验研究
通过数值计算,对预冷级和低温级之间的气耦合特性、回热器损失特性、双向进气和长颈管调相机的构影响等内容开展了研究。在40K预冷级的基础上,以气耦合的结构形式耦合了同轴型布置的低温级。数值计算表明预冷级相位的变化对低温级有所影响,但低温级对预冷级的相位几乎没有影响。预冷级回热器中的填料为不锈钢丝网,低温级回热器中的填料为Er3Ni等颗粒性磁性蓄冷材料。两者的回热器损失特性有所不同,丝网型回热器主要的可用能损失为流动阻力损失和不可逆换热损失,颗粒型回热器主要的可用能损失为不可逆换热损失。低温级回热器中较小粒径的回热器填料有利于获得更低的温度,但不利于获得更大的制冷量。预冷级和低温级的双向进气均对制冷机性能的提升有很大作用,但预冷级的双向进气对两级均有影响,而低温级的双向进气对预冷级几乎没有影响。
进一步研制了相关的样机,进行了整机的测试和优化。测试结果表明,研制的两级气耦合高频脉冲管制冷机在输入电功400W时,能够在8K提供80mW制冷量或者在10K提供166mW制冷量;同时,该制冷机可以同时在8K和40K分别提供48mW和1W的制冷量,制冷效率处于国际一流水平。获得的无负荷最低温度5.66K也是目前国际上两级气耦合脉冲管制冷机获得的最低温度。