单级G-M型脉管制冷机的深入研究

论文摘要

与传统的低温制冷机相比,如G-M和斯特林制冷机,脉管制冷机在低温端无运动部件,具有结构简单、可靠性高,长寿命等优点。随着液氢无损储存、新型超导体MgB2及低温泵等技术的快速发展,20K温区单级G-M型脉管制冷机有着广泛的应用前景。本文介绍了当前G-M型脉管制冷机实用化现状,并对一台单级G-M型脉管制冷机进行了理论和实验研究,以提高其在20K温区的效率和制冷量并达到实用化要求。主要内容包括以下几方面:1.基于REGEN3.3的单级G-M型脉管制冷机数值计算和分析。计算分析了低频情况下,相位角、回热器长度、质量流量、铅丸直径、充气压力和工作频率对回热器性能的影响,得出了能够指导试验的有益结论。2.单级G-M型脉管制冷机试验研究。对回热器长度、回热器中80K以下温区回热材料布置形式、制冷机工作频率和充气压力进行了优化。经优化,在输入功率7.5kW时,该制冷机最低制冷温度达到10.6K,这是目前国内外公开报道的单级脉管制冷机最低制冷温度。该制冷机在20.6K可提供20W的制冷量。并且该制冷机在长时间运行过程中温度波动为0.4K,性能稳定,可基本满足实用化要求。3.平面旋转阀阀芯的改进。为了进一步提高平面旋转阀的可靠性,本文提出了在阀芯与底盘的接触面上引入四个气室的改进方案,在不影响制冷机性能的情况下,能够降低阀芯的磨损以及阀芯旋转所需要的扭矩,从而有助于提高制冷机的寿命。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 脉管制冷机的发展
• 1.2.1 基本型脉管制冷机
• 1.2.2 小孔型脉管制冷机
• 1.2.3 双向进气型脉管制冷机
• 1.2.4 惯性管型脉管制冷机
• 1.2.5 其他类型脉管制冷机
• 1.3 G-M型脉管制冷机实用化现状
• 1.3.1 典型商品G-M型脉管制冷机
• 1.3.2 G-M型脉管制冷机实用化现状
• 1.4 G-M型脉管制冷机存在的主要问题
• 1.5 本课题主要研究内容
• 2 单级G-M型脉管制冷机回热器性能模拟研究
• 2.1 REGEN3.3简介
• 2.2 回热器性能的模拟计算及分析
• 2.2.1 冷端质量流与压力波夹角对回热器性能的影响
• 2.2.2 回热器长度对回热器性能的影响
• 2.2.3 冷端质量流量对回热器性能的影响
• 2.2.4 铅丸直径对回热器性能的影响
• 2.2.5 充气压力对回热器性能的影响
• 2.2.6 频率对回热器性能的影响
• 2.3 本章小结
• 3 单级G-M型脉管制冷机实验系统
• 3.1 脉管制冷机系统
• 3.1.1 氦压缩机
• 3.1.2 平面旋转阀
• 3.1.3 脉管制冷机
• 3.2 真空与绝热系统
• 3.3 测量系统
• 3.3.1 温度测量
• 3.3.2 压力测量
• 3.3.3 制冷量测量
• 3.4 本章小结
• 4 单级G-M型脉管制冷机的试验研究
• 4.1 回热器性能优化
• 4.1.1 回热器长度的优化
• 4.1.2 80K以下温区回热材料布置形式的优化
• 4.2 制冷机运行参数的优化
• 4.2.1 工作频率的优化
• 4.2.2 充气压力的优化
• 4.3 平面选转阀的改进设计
• 4.3.1 旋转阀的工作原理及阀芯的受力分析
• 4.3.2 普通阀芯和改进型阀芯对比试验
• 4.4 制冷机最佳性能和长寿命运行试验
• 4.4.1 制冷机最佳性能
• 4.4.2 制冷机长时间运行试验
• 4.5 制冷机系统漏热量的测量
• 4.6 误差分析
• 4.6.1 温度测量误差分析
• 4.6.2 制冷量测量误差分析
• 4.7 本章小结
• 5 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 作者简历