单级G-M型脉冲管制冷机实验研究与性能优化

摘要

脉冲管制冷机由于其冷端无移动部件,能够提供比传统低温制冷机更高的可靠性、低电磁干扰、振动小等优点,在超导磁体冷却,低温泵,空间,医疗等领域,G-M型脉冲管制冷机已经获得了广泛的应用,随着液氢,液氦无损贮存和高温超导器件的发展,其未来的应用前景会更加广阔。国内外对于G-M型脉冲管制冷机的理论以及实验研究已有很多,研究者提出了很多优化性能的手段,单级机型最低温度已经接近到10K。但是迄今为止,很少有学者对于这些优化性能的技术手段的综合运用进行测评和研究。本文以综合测评诸多优化制冷机性能的技术手段,评估双向进气对系统整体性能的影响为主要目的,对于G-M型脉冲管制冷机开展了一定的理论分析和计算,在此基础上研制出一台单级G-M型脉冲管制冷机,以此为平台,进行了实验研究。具体内容介绍如下：(1)在G-M型脉冲管制冷机的理论分析和计算方面,做了一定的工作。以初步的设计为基础,对实验样机进行了热力学计算。通过计算获得了系统的理论制冷量,各种热损失等数据。为实验平台的搭建提供了一定的参考。(2)设计,加工并装配完成了单级G-M型脉冲管制冷机的实验平台。在结构设计上,将各种优化措施考虑其中,能够针对每一项开展调节实验,同时也能够测试不同措施的相互影响。针对实验测试的要求,搭建了高精度,智能化的测量系统,用以保证实验数据的真实性和有效性。(3)针对小孔,双向进气等调相机制进行了相应的实验测试并对实验结果进行分析,总结了各种调相方法对于系统性能的影响。实验发现,在一定的工况下,双向进气装置能够给系统带来一定的性能提升,同时也会对系统的最佳运行频率产生一定的影响。最终通过各种优化方式,在一台小型单级G-M脉冲管制冷机上获取28.7K的最低温度,在80K时能够提供超过32W的制冷量。

目录

摘要

ABSTRACT

符号表

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 脉冲管制冷机的发展历史

1.2.1 基本型脉冲管

1.2.2 小孔型脉冲管

1.2.3 双向进气型脉冲管

1.2.4 其它调相型脉冲管制冷机

1.3 脉冲管制冷机的理论分析发展

1.3.1 表面泵热理论

1.3.2 Redebaugh 的相位分析理论

1.3.3 向量分析法

1.3.4 热力学分析法

1.3.5 热声理论

1.3.6 网络分析法

1.3.7 有关双向进气DC-Flow 的理论分析

1.3.8 数值模拟技术在脉冲管制冷机中的发展

1.4 脉冲管制冷机的发展现状

1.4.1 国外发展现状

1.4.2 国内发展现状

1.5 脉冲管制冷机存在的问题以及未来发展的趋势

1.5.1 目前存在的问题

1.5.2 脉冲管制冷机的发展方向

1.6 本文的主要研究工作

1.7 本章小结

第二章 单级G-M 型脉冲管制冷机制冷量计算

2.1 前言

2.2 雷德堡相位分析理论对于系统制冷量的估算

2.3 蓄冷器效率计算

2.3.1 蓄冷器效率的计算步骤

2.4 蓄冷器热损失计算

2.5 其它热损失计算

2.5.1 穿梭损失

2.5.2 导热损失

2.5.3 压降引起热损失

2.5.4 制冷机总热损失

2.5.5 净制冷量计算

2.6 本章小结

第三章 单级G-M 型脉冲管制冷机实验装置

3.1 前言

3.2 制冷系统

3.2.1 压缩机

3.2.2 旋转阀

3.2.3 脉冲管制冷机

3.3 测量系统

3.3.1 压力测量

3.3.2 温度测量

3.3.3 制冷量测量

3.3.4 真空度测量

3.3.5 数据采集仪

3.4 真空绝热系统

3.4.1 真空系统

3.4.2 绝热系统

3.5 本章小结

第四章 单级G-M 型脉冲管制冷机性能实验与分析

4.1 前言

4.2 初始蓄冷材料的选取

4.3 工作频率对制冷机性能的影响

4.4 小孔阀开度对制冷机性能的影响

4.5 充气压力对制冷机性能的影响

4.6 脉冲管与蓄冷器壁面温度分布

4.7 输入功率对制冷机性能的影响

4.8 制冷量的测量

4.9 结构上的改进与优化

4.9.1 热端加装水冷却器

4.9.2 蓄冷填料的优化布置

4.9.3 惯性管的改良

4.10 双向进气开度对制冷机性能的影响

4.11 本章小结

第五章 总结以及展望

5.1 全文总结

5.2 下一步的工作以及展望

参考文献

攻读硕士学位期间已发表的论文