带预冷的液氦温区斯特林脉管制冷机设计研究

论文摘要

液氦温区低温制冷机在低温超导器件冷却、氦液化器、深空探测等方面有着重要应用。目前的液氦温区低温制冷机,如G-M制冷机和G-M型脉管制冷机,普遍存在制冷效率低、体积重量大、需要定期维护等突出问题。采用线性压缩机驱动的斯特林型脉管制冷机具有结构紧凑、重量轻、效率高、寿命长等优点,因此积极开展液氦温区斯特林型脉管制冷机研究具有重要的学术研究和应用价值。本文首先综述了液氦温区脉管制冷机的损失机理,从理论上探讨了斯特林型脉管制冷机获得液氦温度的方法,着重研究了液氦温区回热器损失机理,开展了预冷型液氦温区脉管制冷机的设计研究,为提高液氦温区脉管制冷效率奠定了基础。主要研究如下:1.结构布置方案研究借鉴液氦温区G-M型脉管制冷机级间布置方式,提出了斯特林型脉管制冷机达到液氦温度的多种可能布置方案。结合现有研究基础,本课题组提出了采用G-M型脉管制冷机预冷单级斯特林型脉管制冷机获得液氦温度的技术方案。2.预冷型液氦温区脉管制冷机的设计研究通过对气体工质和蓄冷材料热渗透深度的分析计算,结合现有线性压缩机的性能参数,我们首先确定了斯特林型脉管制冷机的运行参数。采用美国国家标准技术研究院NIST最新开发的回热器数值计算程序REGEN3.3,模拟计算了液氦温区回热器的性能,分析了工质气体、回热器几何尺寸、回热器热端工作温度、回热器填料等对回热器性能的影响,分析了液氦温区回热器损失机理。理论分析表明,采用氦3为工质可极大地改进液氦温区脉管制冷机的性能,采用GOS和Er0.9Yb0.1Ni混合填料是目前液氦温区回热器填料的最佳选择。在此基础上,我们进行了预冷型液氦温区脉管制冷机的低温级回热器及整机设计。3.低温惯性管的引入我们研究发现,液氦温区斯特林型脉管制冷机回热器冷端声功较小,常规安置在室温下的相移器惯性管无法发挥作用。为此采用低温惯性管可以提供冷端质量流与压力波之间的理想相位。本文重点研究了低温惯性管的调相机理,并将其应用到预冷型斯特林型脉管制冷机的设计中。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及研究意义
• 1.2 脉管制冷机发展简史
• 1.3 液氦温区制冷机的研究进展
• 1.4 本文主要工作
• 2 理论基础
• 2.1 低温制冷机热力学分析
• 2.2 数值分析
• 2.3 本章小结
• 3 带预冷的液氦温区斯特林型脉管制冷机设计
• 3.1 现存液氦温区G-M型脉管制冷机级间布置方式
• 3.2 实验方案的选择
• 3.3 斯特林型脉管设计
• 3.4 本章小结
• 4 带预冷的液氦温区斯特林型脉管制冷机实验系统
• 4.1 制冷机系统
• 4.2 真空与绝热系统
• 4.3 测量系统
• 4.4 本章小结
• 5 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 作者简历