何永林[1]2007年在《高效率G-M型脉管制冷机的理论与实验研究》文中研究表明与传统的回热式低温制冷机如G-M和斯特林制冷机相比，脉管制冷机没有低温下的运动部件，具有结构简单、低成本、高可靠性、长寿命、低机械振动、低电磁噪声等优点，可望在超导磁体冷却、低温泵等方面获得广泛应用。随着液氢无损贮存和高温超导体MgB_2技术的发展，低温制冷机在20 K温区的应用前景非常广阔。单级G-M型脉管制冷机在过去几年发展迅速，最低制冷温度已低于15 K，然而其制冷效率仍低于同温区的G-M制冷机。本文以提高20 K温区单级G-M型脉管制冷机的制冷效率为目标，开展了广泛和深入的理论和实验研究。在此基础上，本文还进行了液氦温区分离型二级脉管制冷机的研制。具体内容介绍如下：1．脉管制冷机的热力学分析结合线性模型和热力学分析方法，发展了小孔型和双向进气型脉管制冷机性能的计算分析模型。定性分析了气库容积、小孔阀、双向进气阀等主要部件对制冷机性能的影响。计算结果表明，增大气库容积可以改善制冷机性能，但在气库与脉管容积之比大于10之后，增大气库容积对制冷机性能的影响不大。因而不必为了提高制冷效率而无限制地加大气库容积。只有在制冷温度低于临界温度、小孔阀的开度超过临界值时，双向进气阀才能减少系统的总相对耗散率，提高制冷机的性能。计算分析的结果有助于加深对脉管制冷机理的理解。2．基于REGEN的G-M型脉管制冷机数值计算和分析采用REGEN 3．2计算分析了低频条件下(1～2 Hz)，回热器长度、质量流量、充气压力、频率和相位角等操作参数对20-300 K温区回热器性能的影响。计算结果表明：在不同条件下的回热器最佳长度基本变化不大；质量流量对制冷量和COP影响显着，最佳冷端质量流量为6g／s。分析计算结果预测本文自行设计的单级脉管制冷机在压比为2.0时的最低制冷温度极限约为9.5 K，为进一步开展试验工作指明了方向。本文还计算了充气压力、频率和相位角等参数对制冷机性能的影响。计算分析结果为脉管制冷机的设计和调试奠定了坚实的理论基础。3．单级G-M型脉管制冷机的设计、制作和优化设计并搭建了单级G-M型脉管制冷机的实验台。为了强化回热器在10-15 K温区的性能，采用传统认为用于液氦温区的磁性蓄冷材料Er_3Ni，使单级最低制冷温度达到12.6K。在此基础上，理论分析和实验验证了丝网材料和目数对制冷机性能的影响，发现适当增大不锈钢丝网目数到295目，虽然会增大压降损失，但仍可以改善脉管制冷机的性能。使用Er_3Ni、铅丸和295目不锈钢丝网组成的叁层回热器填料，输入功率6.7 kW时，制冷机达到了11.1 K的最低制冷温度，在20 K的最大制冷量和COP分别是17.8 W和2.95×10~(-3)。制作和优化了新的结构尺寸不变的用以氢气液化的单级G-M型脉管制冷机。制冷机在输入功率为7.5 kW时，达到了10.9 K的最低制冷温度，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，与理论预测的结果相差仅为1.4 K。该制冷机在20 K的制冷量为18 W。同时本文还进行了制冷机的长时间运行、重复性和带功率开机试验，结果表明制冷机运行稳定、重复性良好。4．液氦温区分离型二级脉管制冷机的研制为了进一步拓展单级脉管制冷机的应用，研制了采用上述单级脉管制冷机预冷的液氦温区分离型二级脉管制冷机。采用双压缩机双旋转阀驱动，在输入总功率为6.8 kW情况下，第二级最低温度2.3 K，在4.2 K有508 mW制冷量，同时一级在37.5 K有15 W制冷量；增加第二级充气压力0.15 MPa，在4.2 K下的制冷量由508mW增大到590 mW。为了进一步简化低温制冷机结构并为其实用化创造条件，采用单压缩机单旋转阀驱动该二级脉管制冷机。通过气量的合理分配，取得了和双压缩机双旋转阀驱动相同的制冷性能。2005年，本文研制的液氦温区脉管制冷机部分核心技术转让给日本岩谷气体产业株式会社，现已投入批量生产，产生了显着的经济效益和社会效益。
郁焕礼[2]2006年在《G-M型单级脉管制冷机理论和实验研究》文中指出脉管制冷机是一种新颖的小型低温制冷机，它由于没有低温下的运动部件，因此比传统的G-M制冷机和Stirling制冷机有寿命更长、振动更小等优点，成为国际上小型制冷机研究的热点。对脉管研究里程碑式的进展有两个：一是小孔加气库的引进；二是双向进气结构的引进。现在，采用双向进气结构的单级脉管制冷机最低温度达到11K。然而，双向进气的引入对工质流动状况产生了深刻的影响，使得制冷机不能在大负载时长时间稳定工作，这也限制了其广泛应用。本文采用Fluent对脉管制冷机进行了初步的模拟，并对脉管制冷机温度稳定性进行了研究。GM型脉管制冷机的进排气时间由平面旋转阀控制，本文自制并测试了旋转阀性能，为研究进排气时间对制冷机温度稳定性的影响打下了基础。具体内容如下： 一、脉管制冷机的数值模拟 采用CFD软件Fluent6.1对小孔型脉管制冷机，进行了初步的模拟，模拟结果显示：由于工质的惯性和脉管内存在的涡流使得冷端的速度矢量产生微小的波动，脉管冷端温度波动偏大，热端工质温度稍高于环境温度，并且没有出现明显的温度轴向分布，而在涡流外，速度和温度出现较好的分层。另外从模拟中，我们可以清晰的看出二次流的存在。 二、脉管制冷机实验研究 研究了通过不同填料方式对脉管制冷机的影响，我们采用了纯不锈钢丝网、1／3铅丸+2／3不锈钢丝网、1／3Er3Ni+2／3不锈钢丝网进行对比实验研究，结果表明：采用复合填料方式，可以抑制直流的产生，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；同时我们采用旁通阀、增加充气压力和采用小孔型几种方法进行了温度稳定性的实验研究，结果表明，它们在一定程度上也有利于脉管制冷机性能的稳定。
参考文献：
[1]. 高效率G-M型脉管制冷机的理论与实验研究[D]. 何永林. 浙江大学. 2007
[2]. G-M型单级脉管制冷机理论和实验研究[D]. 郁焕礼. 浙江大学. 2006
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