紧凑型两级GM制冷机实验测试及性能优化

摘要

低温真空泵通过低温冷凝和低温吸附的方式获得真空环境，其抽速大、极限真空度高、使用方便、工作稳定，能够获得清洁的真空环境，使得应用场合日益扩大。Gifford-Mcmahon制冷机(简称GM制冷机) 由于结构简单、运转可靠、性能稳定、使用寿命长等优点，被广泛用作低温真空泵的冷源。随着低温泵在半导体成膜工业和光学透镜涂层等工业领域的应用日益广泛，对GM制冷机的制冷温度和制冷量提出了更高的要求，希望获得满足工业生产要求的相应规格的两级GM制冷机。本文在实验样机的基础上进行了详细的理论分析和实验研究，设计开发出满足性能要求的结构紧凑型两级GM制冷机，其制冷性能如下：一级最低制冷温度41.8K，二级冷头最低制冷温度7.2K，12K时获得4.3W制冷量。本文着重进行以下几方面的理论和实验研究，取得了一定的进展和成果。 (1)分析了GM制冷机的工作原理和理论制冷循环过程，以及在制冷循环过程中氦气的状态变化。在原有实验样机的基础上，对GM制冷机进行了热力计算。运用热力学理论详细地计算了GM制冷机的理论制冷量，以及在实际制冷循环过程中产生的示功图损失、回热器损失和穿梭损失等主要冷量损失，分析了各种参数对制冷性能的影响，确定了制冷机的主要结构尺寸，并为具体的实验研究指明了途径。 (2) 自主设计和搭建了两级GM制冷机的实验平台，建立了制冷温度测量系统和制冷量测量系统。采用精度良好的温度传感器精确测量制冷温度；利用热平衡原理，通过冷头上粘贴的加热片的发热功率来间接获得制冷量。 (3) 针对常规蓄冷填料和磁性蓄冷填料，对不同的制冷样机进行了详细的实验研究，通过不同样机的实验对比分别得出二级蓄冷器尺寸、高低压力、冷头低温冷凝吸附结构，尤其是蓄冷器填料对制冷机性能的影响，实验重点在于ErNi和HoCu2这两种磁性材料的填充，最终得出符合设计要求的蓄冷器尺寸结构，蓄冷器填料以及填充方式，开发出满足性能要求的实验样机。本文设计开发的两级GM制冷机由于其紧凑的尺寸结构和制冷性能，能够获得广泛的应用。