论文摘要
G-M型脉管制冷机以其振动低、可靠性高、制冷量大等优点,可望在低温物理、超导磁体冷却、空间低温制冷和气体液化等领域获得推广应用。本文介绍了G-M型脉管制冷机的发展历史,着重阐述了配气系统和液氦温区富余冷量等方面的研究进展。针对严重制约脉管制冷机整机效率的回热器和配气系统不可逆损失问题,本文重点开展了主动式配气系统的理论研究和液氦温区富余冷量利用方法理论研究,同时基于G-M型单级脉管制冷机和两级脉管制冷机实验台开展了相应的实验研究工作。本文的研究进展主要表现在：1、主动式配气系统理论与实验研究为克服传统配气方式压缩机高耗功、不可逆损失较大等缺点,本文提出了一种适用于G-M型制冷机的主动式配气系统（中国发明专利申请号：201010122469.3）。主动式配气系统采用新增的中间气库回收排气过程中部分气体并在进气过程中为制冷机提供部分气体,从而形成了自中间气库进气、自压缩机进气、向中间气库排气、向压缩机排气等四个过程。与传统配气方式中直接通过压缩机实现进排气过程相比,主动式配气系统可显著降低进排气损失。本文开展了单级中间气库配气系统和多级中间气库配气系统熵分析、压缩机耗功分析以及最优中间气库压力的理论研究。结果表明存在中间气库最优压力使得系统熵产降至传统主动式配气系统的50%。基于单级G-M型脉管制冷机开展了相关实验验证工作。实验结果表明,当中间气库开启比例为30%时,配气系统不可逆损失和压缩机配气量耗功分别下降27%和37%。同时,制冷机获得更低的制冷温度且制冷量衰减较小。对比了电磁阀系统和旋转阀系统驱动的G-M型脉管制冷机性能,本文从配气量和阀门内部流动损失等方面分析了两种阀门制冷性能方面的差异。2、液氦温区G-M型脉管制冷机富余冷量理论与实验研究富余冷量是指在对冷头没有或较小影响的前提下,由回热器或脉管内部焓流损失转化所得的富余冷量。本文采用REGEN3.3回热器软件对液氦温区G-M型脉管制冷机富余冷量进行模拟,定量分析了富余冷量产生机理。开展了单路和多路富余冷量输出模型研究,具体研究了回热器冷热端温度变化对富余冷量的影响。基于一台液氦温区脉管制冷机开展回热器侧富余冷量分布、冷热端温度变化对富余冷量的影响、多路富余冷量输出和制冷机效率等研究。结果表明,富余冷量可以有效提高制冷机可用能,且富余冷量的获得会造成一级制冷性能一定程度的衰减和制冷机内部温度分布的变化。