30W@20K单级GM制冷机设计及性能实验研究

论文摘要

Gifford-McMahon制冷机（简称GM制冷机）是一种回热式小型低温制冷机，它利用绝热放气膨胀（又称为西蒙膨胀）原理获得低温，具有结构简单、运转可靠、性能稳定、使用寿命长等许多优点，当对重量、尺寸没有特殊要求时，在航天、材料、电子、通讯、医疗等方面有广泛的用途，特别是30-40K温区大冷量的单级GM制冷机可以满足国内外一些高温超导磁体冷却所需大冷量的要求，在国外已商品化，而在国内仍是空白。本文以30W@20K单级GM制冷机的研制为研究对象，运用热力学理论对制冷机的理论制冷量、回热器和穿梭等主要热损失、降温时间及最低温度进行了详细地设计计算，确定了制冷机的主要结构尺寸，并为30W@20K单级GM制冷机设计了新型狭缝式冷量换热器，为制冷机选取了气动驱动方式，设计了一台30W@20K单级GM制冷机。在设计建立的单级GM制冷机的实验平台上，对现有单级GM150制冷机进行了实验研究，通过对比实验分别得出旋转阀旋转角度、回热器材料、高低压力、及压缩机耗气量对制冷机性能的影响，从而得出一组符合设计要求的旋转阀角度，回热器填料及填充比例和高低压比的范围。为进一步完善单级大冷量GM制冷机的研制和开发提供了理论依据和技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 GM制冷机国内外发展状况
• 1.1.1 GM制冷机产生和发展过程
• 1.1.2 GM制冷机国内外发展现状
• 1.1.2.1 GM制冷机国外发展现状
• 1.1.2.2 GM制冷机国内发展现状
• 1.2 本课题究的主要内容
• 1.3 本课题研究的目的、意义
• 第二章 单级GM制冷机的热力学基础
• 2.1 GM制冷机的结构及循环过程
• 2.2 GM制冷机的基本原理
• 2.2.1 绝热放气原理
• 2.2.2 理想GM制冷机热力循环过程
• 2.3 单级GM制冷机系统热力学物理模型
• 2.3.1 物理模型
• 2.3.2 基本假设
• 2.4 变质量系统系统守恒方程
• 2.4.1 质量守恒方程
• 2.4.2 能量守恒方程
• 第三章 单级GM制冷机的设计计算
• 3.1 单级GM制冷机的设计理论
• 3.1.1 GM制冷机制冷量公式的推导及计算
• 3.1.2 各种冷损的计算及其特性分析
• E及分析'>3.1.2.1 膨胀示功图损失△ Q_E及分析
• hloss及其分析'>3.1.2.2 热损失△ Q_hloss及其分析
• 3.2 单级GM制冷机的设计计算
• 3.2.1 主要技术指标
• 3.2.2 整机热平衡计算和分析
• 3.2.2.1 制冷量的计算
• 3.2.2.2 最低温度的计算
• 3.2.2.3 降温时间的计算
• 3.2.3 结构参数的确定
• 3.2.4 制冷机的结构设计
• 3.2.4.1 气缸及活塞的选择
• 3.2.4.2 制冷机回热器的设计
• 3.2.4.3 冷量换热器的设计
• 3.2.4.4 驱动结构的选择
• 第四章 单级GM制冷机实验平台的建立
• 4.1 单级GM制冷机实验系统
• 4.2 实验中辅助系统
• 4.2.1 压缩机系统
• 4.2.2 真空系统
• 4.2.3 制冷机系统
• 4.3 实验测试系统
• 4.3.1 温度测试系统
• 4.3.2 制冷量测试系统
• 4.3.3 真空测试系统
• 第五章 单级GM制冷机热力性能测试及数据分析
• 5.1 单级GM制冷机性能测试平台及实验仪器
• 5.2 实验用单级GM150制冷机的实验参数
• 5.3 单级GM150制冷机实验结果与分析
• 5.3.1 压力差与流量的关系
• 5.3.2 旋转阀配气过程及对制冷机性能影响
• 5.3.2.1 旋转阀配气过程
• 5.3.2.2 进排气角对制冷机性能影响
• 5.3.3 回热器材料对制冷机性能影响
• 5.3.4 高、低压比对制冷机性能的影响
• 5.3.5 压缩机耗气量对制冷机性能影响
• 5.4 结论
• 第六章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文