微型同轴脉管制冷机的实验研究和理论分析

摘要

低温电子学以导体动态电阻的热噪声在低温下可大大降低为基础，包括半导体电路，高温超导电路，半导体与超导体的混合集成电路，低温光电子电路等，其主要工作温区为60～80 K，需1～6 W 制冷功率。 本文在中科院上海技术物理研究所和上海交通大学制冷与低温研究所合作的基础上，结合国内外脉管制冷机的研制现状，研制一套微型同轴脉管制冷机，其性能在80K时能提供5W 制冷量，输入功率为110W。围绕研制脉管制冷机样机，本文主要做了以下几方面工作： 1.首先，采用REGEN3.3 程序对脉管制冷机蓄冷器进行了详细计算和分析，利用REGEN3.3的计算结果对蓄冷器进行了分析，对比了不同冷端压比下，蓄冷器的冷端质量流和压力波相位角对蓄冷器效率的影响。 并对比了蓄冷器中冷端压力和热之间的关系。结果表明，在蓄冷器中的传递，压力占的绝大部分。对于给定尺寸的蓄冷器，当压比为1.2时，冷端质量流滞后于压力波相位角30°时，效率最高。 2.其次,对微型同轴脉管制冷机的关键零部件进行了详细的设计和改进。对蓄冷器堵头部分进行详细设计，优化了制冷机的性能；对冷头部分进行了改进，提出了一种新型的整体螺纹焊接式冷头结构。冷头特殊的三种结构优化了冷头的性能：螺纹连接加焊接的方式，增加了焊接的可靠性和检漏时的安全性；狭缝式流道设计不但使工作气体流动更加均匀，而且增大了冷头的整体换热面积；冷端挡板内的紫铜丝网起到层流化脉管冷端气流的作用和部分换热的作用。 3.搭建了高频微型脉管制冷机整机测试系统。通过铂电阻温度计来测量脉管制冷机冷头温度，利用热平衡方法来实现脉管制冷机在特定温度下的制冷量测量。同时利用计算机对测量数据进行采集，实现脉管制冷机动态测量技术。 4. 微型同轴脉管制冷机的实验测试及分析。首先，研究了组合惯性管调相技术对脉管制冷机制冷性能的影响规律。实验测试表明，不同惯性管组合对脉管制冷机的制冷性能非常大，而同一组惯性管组合下，制冷机在某个频率点能取得最佳的性能，但是在最佳频率点附近4Hz的范围内，最低温度的变化不超过2K。再次，通过对微型同轴脉管样机CPTC8001的实验研究，设计，制造并测试了带有新型冷头结构的实验样机CPTC8002 在80K时获得了4W 制冷量，输入功率为134W。最后，对样机未达到提出的目标的原因进行了分析。