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高性能G-M型单级脉管制冷机研究

作　者: 蒋彦龙
导　师: 陈国邦
学　校: 浙江大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 脉管制冷直流混合工质液化器
分类号: TB651
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

作为一种新型的小型低温制冷机，脉管制冷机由于冷头没有运动部件，具有制造简单、寿命长、自干扰震动小等突出优点，一直以来是研究的热点，在过去十多年取得了巨大进展。然而，由于脉管制冷机效率至今仍低于传统的低温制冷机(如G-M制冷机、斯特林制冷机等)，从而限制了它的广泛应用。如何进一步提高制冷效率和可靠性是它得以广泛应用的首要前提。本文首先回顾了脉管制冷机的发展历史和最新研究进展，在此基础上从直流抑制和工质选取两个角度出发，开展了高性能G-M型单级脉管制冷机的研究工作。具体内容介绍如下： 1．直流机理研究和抑制方法探讨双向进气脉管制冷机中存在的直流流动不仅造成了大量的冷损，限制了制冷机性能的进一步提高，同时还是引起制冷温度不稳定的根本原因。从流体网络理论出发，对直流形成机理和抑制方法进行了深入研究。 2．直流抑制和脉管制冷特性实验研究在对各种直流抑制方法深入比较的基础上，积极利用双向进气调相结构具有调相和调幅的双重功能，采用了新型双阀双向进气结构对直流进行抑制。在2kW(RW2)和4kW(CP4000)压缩机驱动时分别获得了18.7K和14.7K的最低制冷温度，对应在30K时的制冷量为分别为11.5W和29.5W，突破了目前单级脉管制冷机最低制冷温度维持在20K附近的限制。 3．回热器流阻对脉管制冷机稳定性的影响理论和实验研究了通过改变回热器流阻进行直流抑制的可行性，结果表明：适当增加回热器流阻，可以有效抑制直流，从而进一步改善了脉管制冷机性能，实现双向进气脉管制冷机在较高温区长时间地稳定工作，为目前采用双向进气结构存在的高温区性能不稳定提供了新的解决途径。浙江大学博士学位论文蒋彦龙:高性能G一M型单级脉管制冷机研究2003年5月4.氦氢混合工质脉管制冷特性实验研究利用氢工质优越的传热和流动特性，从氦氢混合工质对回热器流阻、冷端换热器传热性能和工质膨胀效率等因素的影响角度出发，开展了30K温区氦氢混合工质脉管制冷实验研究。实验结果表明，采用组分为O一25%的氦氢混合物能够在一定程度上提高脉管制冷机性能。其中，采用含氢10%的混合工质，可以获得高出纯氦5.2%的制冷量和4.9%的COP。此外，在一台二级脉管制冷机上的实验结果表明，采用氦氢混合物在30K温区的制冷量和COP明显高于相同条件下纯氦的值，工质对二级脉管制冷性能的积极影响大于单级机。5.脉管制冷氮液化器性能实验研究为了满足许多应用场合对少量低温液体的使用要求，开展了用脉管制冷的氮液化器性能实验研究，对不同工作模式下的系统液化速率、降温和复温特性进行了考察。结果表明，在实验的单级脉管制冷机中采用小孔和双向进气工作模式的系统氮液化率分别为7.68L/d和10.92L/d;此外，利用工质相变条件下温度维持不变的特性，可以实现在制冷机关机后相当长的时间内维持系统冷端温度不变，这一特性在超导器件冷却方面具有重要的应用价值。

全文目录

摘要  2-4
Abstract  4-9
主要符号表  9-10
第一章绪论  10-31
  1-1 课题背景  10
  1-2 小型低温制冷机种类  10-15
    1-2-1 间壁式低温制冷机  10-12
    1-2-2 回热式低温制冷机  12-15
  1-3 脉管制冷机发展历史  15-16
  1-4 脉管制冷机理论分析  16-19
    1-4-1 焓流和熵流模型  16-17
    1-4-2 脉管损失和性能系数  17-18
    1-4-3 质量流和压力波相位的影响  18-19
  1-5 最新研究进展和研究热点  19-23
    1-5-1 双向进气  19-20
    1-5-2 直流流动  20-21
    1-5-3 声功直流  21
    1-5-4 惯性管  21-22
    1-5-5 混合工质脉管制冷  22-23
  1-6 存在问题  23-24
  1-7 本文工作简介  24-31
第二章直流机理研究和抑制方法探讨  31-54
  2-1 直流产生机理研究  31-36
    2-1-1 Gedeon法  31-32
    2-1-2 流体网络法  32-36
  2-2 直流抑制方法探讨  36-46
    2-2-1 通过切断闭合回路实现直流的抑制  36-41
    2-2-2 通过附加气体回路实现直流的抑制  41-43
    2-2-3 利用流阻元件端效应和局部阻力损失实现直流的抑制  43-45
    2-2-4 其它抑制方法  45-46
  2-3 其它直流介绍  46-47
    2-3-1 Rayleigh流  46-47
    2-3-2 喷射流和回热器直流  47
  2-4 本章小结  47-54
第三章 G-M型单级脉管制冷机实验系统  54-61
  3-1 制冷机系统  54-59
    3-1-1 氦压缩机  54-55
    3-1-2 压力波时序控制  55-57
    3-1-3 脉管制冷机  57-59
  3-2 真空系统  59
  3-3 测量系统  59-60
  3-4 本章小结  60-61
第四章直流抑制和脉管制冷特性实验研究  61-71
  4-1 前言  61
  4-2 双阀双向进气结构调节方法  61-62
  4-3 实验结果和分析  62-69
    4-3-1 直流抑制  62-63
    4-3-2 不同工作模式下的脉管制冷特性  63-68
    4-3-3 不同功率压缩机的制冷机性能  68-69
  4-4 本章小结  69-71
第五章回热器流阻对脉管制冷机稳定性的影响  71-78
  5-1 前言  71
  5-2 回热器流阻对直流的影响  71-73
  5-3 回热器流阻计算  73-74
  5-4 实验结果及分析  74-76
  5-5 本章小结  76-78
第六章氦氢混合工质脉管制冷性能实验研究  78-87
  6-1 前言  78
  6-2 组分对回热器流阻的影响  78-79
  6-3 氦氢混合物制冷特性实验研究  79-85
  6-4 本章小结  85-87
第七章脉管制冷氮液化器性能实验研究  87-94
  7-1 前言  87-88
  7-2 实验装置介绍  88-89
  7-3 实验结果和讨论  89-93
  7-4 本章小结  93-94
第八章全文总结  94-96
附录一高性能G-M型单级脉管制冷机实验系统实物照片  96-99
附录二攻读博士学位期间研究成果和科研情况  99-102
附录三奖励、荣誉及作者简介  102-103
致谢  103

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