（制冷及低温工程专业论文）带预冷的液氦温区斯特林脉管制冷机设计研究.pdf

浙江大学f 面! l 。学位论文 碉婴 带预冷的液氦温区 斯特林型脉管制冷机设计研究1 代黎 浙江大学制冷与低温研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 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n i s t 最新开发的 回热器数值计算程序r e g e n 3 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g o s 和e r o 9 y b o 1 n i 1 本文f t 作得到了国家自然科学基金“4 k 温区高频斯特林型脉管制冷机理研究”( 5 0 6 7 6 0 8 1 ) 的资助，在 此表示感谢! i i 浙江人学硕f ：学化论文摘耍 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。 关键词：斯特林型脉管制冷机，液氦温区，回热器，低温惯性管，r e g e n 3 3 l l i d e s i g ns t u d y o f4k s t i r l i n gt y p e p u l s et u b ec r y o c o o l e r w i t hp r e c o o l i n g l l id a i i n s t i t u t eo fr e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i c s ， z h e j i a n gu n i v e r s i t y , h a n g z h o u3 10 0 2 7 ，e r c h i n a a b s t r a c t t h e4kc r y o c o o l e r sh a v em a n yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n sf o rl o wt e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t o r s ，h e l i u ml i q u e f i e r s ，s p a c ed e t e c t o rt e c h n o l o g i e sa n d s oo n m o s to f4 k c r y o c o o l e r sh a v et h ep r o b l e m so fl o we f f i c i e n c y , b i gv o l u m e ，h e a v yw e i g h ta n d p e r i o d i c a lm a i n t e n a n c e ，s u c ha sg i f f o r d - m c m a h o n ( g m ) c r y o c o o l e r sa n dg m t y p e p u l s et u b ec r y o c o o l e r s ( p t c s ) h o w e r v e r ，s t i r l i n g - t y p ep t c s d r i v e nb yl i n e a r c o m p r e s s o r sh a v et h ea d v a n t a g eo fs i m p l ea n dc o m p a c ts t r u c t u r e ，r e d u c e dv o l u m ea n d w e i g h t ，h i g hr e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c y , a n dn om a i n t e n a n c e ，w h i c hm a k e si t av e r y a t t r a c t i v ec a n d i d a t ea tl i q u i dh e l i u mt e m p e r a t u r e t h em e c h a n i s mo fl o s s e si n4kp t c si ss u m m a r i z e da tf i r s t t h o s el o s s e sw o u l d b ee n h a n c e dw i t ht h ef r e q u e n c yi n c r e a s e d i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f4 k s t i r l i n g - t y p ep t c ，c o m p r e h e n s i v et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n o f4k s t i r l i n gt y p ep t c s h a sb e e nc a r r i e do u t ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： 1 r e s e a r c ho ns t a g i n gc o n f i g u r a t i o n s b a s e do ne x i s t i n gs t a g i n gc o n f i g u r a t i o n so f t h e4kg m t y p ep t c s 。t h ep o s s i b l es c h e m e sf o r4ks t i r l i n g - t y p ep t c sa r eg i v e n an o v e lc r y o g e n i cc o n f i g u r a t i o nc o u p l i n gas i n g l e s t a g es t i r l i n gt y p ep t cw i t ha t w o s t a g eg mt y p ep t c i sp r o p o s e di nt h i st h e s i s 2 d e s i g ns t u d yo fa4ks t i r l i n gt y p ep t c w i t hp r e c o o l i n g b yc o m b i n i n gt h e a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h et h e r m a lp e n e t r a t i o nd e p t ho fs p h e r ep a c k i n g a n d w o r k i n gf l u i d ，a n d t h ep e r f o r m a n c eo ft h el i n e a rc o m p r e s s o ra td i f f e r e n t f r e q u e n c i e s ，t h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r sf o rs t i f l i n g - t y p ep t ci n t h i sd e s i g na r e d e t e r m i n e d 1 t h i sw o r ki ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 5 0 6 7 6 0 81 ) i v b a s e do nt h el a t e s tn i s tn u m e r i c a lr e g e n e r a t o rs i m u l a t i o ns o f t w a r ek n o w na s r e g e n 3 3 ，e f f e c to fr e g e n e r a t o rl e n g t h ，m a s sf l o wr a t e ，w a r m e n dt e m p e r a t u r e ， w o r k i n gf l u i d ，p r e s s u r er a t i o ，r e g e n e r a t o r m a t r i xa n dp h a s ea n g l eo nt h e p e r f o r m a n c eo fr e g e n e r a t o r so ft h e4ks t i f l i n g - t y p ep t ca r ec a l c u l a t e da n d a n a l y z e d a n dt h em e c h a n i s mo f4kr e g e n e r a t o rl o s s e si sa n a l y z e d t h ea n a l y s i ss h o w st h a th e l i u m3i np l a c eo fh e l i u m4c a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c e g o sa n de r 0 9 y b 0 i n im i x t u r ea sr e g e n e r a t o rm a t r i xi st h eb e s t c h o i c ei nr e g e n e r a t o r sw h i c hh o te n dt e m p e r a t u r ei sio ka n dc o l de n dt e m p e r a t u r e i s4 k f u r t h e r m o r e ，as t i f l i n g t y p ep t ci sd e s i g n e da n df a b r i c a t e db a s e do nt h e c a l c u l a t i o n 3 c o l di n e r t a n c et u b ei n t r o d u c e d b e c a u s et h ea c o u s t i cp o w e ra tc o l de n do f4k r e g e n e r a t o ri sq u i t es m a l l ，t h ei n e r t a n c et u b ea ta m b i e n tt e m p e r a t u r ec a n ts u p p l y w e l lp h a s es h i f t i n g c o n s i d e r i n gt h ei n e r t a n c ee f f e c to ff l m d sw i l lb ee n h a n c e da t l o w t e m p e r a t u r e ，i d e a lp h a s es h i f tb e t w e e np r e s s u r ea n d m a s sf l o wa tc o l de n do f 4 kr e g e n e r a t o rw o u l db ep o s s i b l eg i v e nw i t hc o l di n e r t a n c et u b e p h a s es h i f t i n g m e c h a n i s mo fc o l di n e r t a n c et u b ei ss t u d i e d a n dc o l di n e r t a n c et u b ei sa p p l i e di n o u re x p e r i m e n ts y s t e m k e yw o r d ss t i r l i n g - t y p ep u l s et u b ec r y o c o o l e r , r e g e n e r a t o r , l i q u i dh e l i u m ，c o l d i n e r t a n c et u b e ，r e g e n3 3 v 英文字母 面积 m 2 】 气体流通面积【m 2 】 普恰希里数 性能系数、制冷系数 定压比热 j ( k g k ) 】 定容比热 j ( k g k ) 】 当量直径 m m 直径 m m 】 换热面积 m 2 】 制冷机工作频率 h z 】 摩擦系数 吉布斯自由能 j 焓流【j 瓜朗 比焓 j l ( 朗； 对流换热系数 w m 2 k 】 热导率 w ( m k ) 长度 m ，栅】 马赫数 质量流量 k g s 斯坦顿数 换热器传热单元数 空隙率 压力 m p a ，p a 】 制冷量 w ；换热量 w 气体常数 j ( k g k ) 】 雷诺数r e = p u d f l 丝网水力半径 m 】 熵流 j k 绝对温度 k 流速 m s 】 主要符号表 v 体积 m 3 形 咖w 】 z压缩因子 v i 希腊字母 无量纲数 绝热指数 差值 热渗透深度 m 粘性渗透深度 m 】 相对卡诺效率 相位角【。 声波波长 m 】 粘滞系数 p a s 】 密度 k g m 3 角频率 h z 上、下标 1一次量 2二次量 e 冷端 e膨胀腔 g 气体工质 h热端 埘填料 p f 脉管 r e g 回热器 货 y&瓯刁秒力 p 仍 ”4 如6 印q b j f厂夕gh厅 后l眠研蚝心q r 贴 s 丁 甜 拳旦 亍了2 0 6 0 8 2 4 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江太堂或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字1 3 期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权浙江太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：中冶南方工程技术有限公司 通讯地址：武汉市东湖新技术开发区大学园路3 3 号 电话：0 2 7 81 9 9 6 3 0 6 邮编：4 3 0 2 2 3 浙江人学硕l ：学佗论丈 致谢 致谢 光阴似箭，一晃两年的硕士生活就要过去了，在即将告别母校踏上工作岗位 之际，感慨良多。 首先感谢我的导师邱利民教授和甘智华副教授，本文是在邱老师和甘老师的 指导和关心下完成的。邱老师学术功底扎实，治学态度严谨，对科研充满了热情， 从他那里我学到的不仅只是理论知识和科研方法，更有积极乐观的处事态度，坚 持执着的精神。甘老师思维活跃，工作敬业，他总是能在我遇到困难和挫折时给 予我帮助和鼓励，让我重新振作精神继续努力。 感谢制冷与低温研究所的其他老师的关心和照顾，他们在我学习的过程中给 予了很大的帮助。在进行课题的过程中，我得到了老师们的很大帮助，使我课题 得以顺利进展。 感谢美国国家标准技术研究院n i s t 的r a yr a d e b a u g h 博士，在北京和在浙 江大学的交流让我受益匪浅。 感谢师姐李卓裴博士，师姐对文本的工作给予了许多积极的指导和建议，从 师姐身上学习到很多，衷心地祝愿师姐以后的工作顺利。 感谢师姐焦波博士、师兄赖碧晕博士、师兄董文庆博士、师兄王波博士、师 兄肖勇硕士、师姐胡进勤硕士、师兄陈运鑫硕士在我学习和生活上的关心和支持! 感谢师弟陈杰在实验过程中的帮助。还要感谢2 0 4 的伙伴们，c r y o b o a t 的其 他成员们，我会怀念在这个大家庭中度过的美好时光! 感谢缪铭忠师傅、张权老师和黄师傅，他们在我搭建实验台过程中给予了很 多帮助，我很高兴能从他们那儿学到很多实用的知识。 感谢我的家人，你们的关怀与支持是我前进的动力! 最后，衷心祝愿大家幸福快乐! 代黎 2 0 0 8 年5 月 于求是园 浙汀人学硕l - 学位论丈 绪论 1 绪论 本章首先介绍了本课题背景及研究意义，接着回顾了脉管制冷机的发展历 史，着重介绍了液氦温区各种低温制冷机的研究现状和最新进展。最后简要介绍 了本文的主要工作。 1 1 课题研究背景及研究意义 自1 7 4 8 年爱丁堡的化学家库仑( w i l l i a mc u l l e n ) 首次利用乙醚蒸发【l 】获得 制冷效应开始，现代制冷技术在长达两个多世纪的时间里获得了巨大的发展和广 泛的应用。 低温制冷作为制冷领域的一个重要分支，主要为相关的低温应用场合提供必 需的冷源，因为许多科学仪器在低温条件下会有更好的性能和效率，更高的运行 速度或灵敏度，甚至某些仪器缺少了低温环境根本不能正常工作。 近年来，空间技术、军事工程、信息技术等现代工业都对低温制冷机的寿命 和可靠性提出了更高的要求2 1 。而传统回热式低温制冷机如g m 制冷机【3 1 、斯特 林制冷机【4 ，5 】等由于其室温端压缩机和低温端排出器为运动部件，影响了寿命和 可靠性。脉管制冷技术的突破和迅速发展，为相关问题的解决提供了一种选择。 脉管制冷机低温端无机械运动部件，具有机械振动小、电磁干扰小、寿命长的优 点，且结构简单、可靠性高。它可以与各种器件配合形成特种仪器，在军事武器 ( 如夜视仪) 、超导技术( 如超导量子干涉仪s q u i d 器件) 、科研及工业( 如红外热 像仪) 、医疗仪器设备( 如医用核磁共振成像m r i ) 以及移动通信基站( 超导滤波器) 等领域具有较大的优越性和广泛的应用前景。 液氦温区低温制冷机主要运用于冷却m r i 系统的超导磁体、用于心脏和大 脑研究的s q u i d 磁力仪、氦液化器、低温超导元件( l t s ) 、大型超导储能系统 ( s m e s ) 以及航天探测( 如亚毫米波、红外、x 射线、谢线) 等，如何进一步 提高在4 2k 的制冷量和效率是研究的主要方向。 如图1 1 所示，现在比较成熟的g m 制冷机和g m 型脉管制冷机液氦温区 的相对卡诺效率都在5 以下，而在8 0 k 温区可以达到2 0 的相对卡诺效率。4 k 浙江人学硕f ：学位论艾 绪论 曼皇皇皇曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼詈曼曼笪曼曼曼曼皇皇曼曼曼皇皇曼曼皇曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼! 曼1 1 1 | 制冷机效率越低，意味着需要更大压缩机提供更多的输入功。而线性压缩机技术 的引入，斯特林型脉管制冷机在4 k 温区将可能获得更高的效率，制冷机的寿命 和无维修时间可望进一步延长，而且，斯特林型脉管体积小、重量轻，将使得液 氦温区低温制冷机的结构变得更加紧凑。然而，与g m 制冷机和g m 型脉管制 冷机不同的是，液氦温区回热器的损失随着频率的提高将进一步增大，如何提高 其回热性能将变得非常困难。因此，本文从理论上探讨高频脉管制冷技术实现液 氦温区的方法，并且研究4 k 温区回热器的各项损失机理，为提高液氦温区制冷 机的效率打下坚实的基础。 t e m p e r a t u r e ( k ) 图1 1 不同制冷机的效率比较6 1 1 2 脉管制冷机发展简史 最早的脉管是1 9 6 3 年由g i f f o r d 和l o n g s w o r t h 提出并研制的【7 1 。这种基本型 脉管达到的最低制冷温度为1 2 4 k 。1 9 8 4 年前苏联m i k u l i n 等人对基本型脉管制 冷机做出了重大改进，在脉管热端引入了气库和小孔【8 】，这就是最初的小孔气库 型脉管制冷机，用空气为工质，最低制冷温度达到1 0 5k 。1 9 8 6 年，美国国家标 准技术研究院n i s t 的r a d e b a u g h 等在m i k u l i n 脉管制冷机的基础上，将小孔移 到热端换热器和气库之间，并用可调节的针阀代替节流阀，采用无阀压缩机驱动， 以氦气为工质获得了6 0k 的无负荷制冷温度【9 】。1 9 9 0 年西安交通大学朱绍伟和 吴沛宜提出双向进气脉管制冷机新方案，用氦做工质获得4 2 k 的最低制冷温度 一芑c_i叮。零一卜oz一。匠k山 浙汀夫学硕i 学位论文 绪论 【1 0 1 。1 9 9 4 年日本k a n a o 等在研究高频j , 孑l 型脉管制冷机时，发现用一根尺寸合 适的毛细管代替小孔阀可以提高制冷机的性能【1 1 】，这就是最初的惯性管型脉管制 冷机。随后还出现双活塞【1 2 1 、四阀【1 3 1 、多路旁通1 4 1 、主动气库【”】、内调相1 叼等 多种改进方案，它们都不同程度地提高了脉管制冷机的效率和性能。 按照回热器和脉管相对位置不同，脉管制冷机可以分为u 型、同轴型和直 线型【1 7 j _ - 种。直线型效率最高，但由于最低温度点处于装置中央，在实际使用 中很不方便。同轴型效率最低，但结构相对紧凑，有一定的实际应用。u 型效率 介于两者之间，结构比较简单，实际运用最广泛。 脉管制冷机按其压缩机与制冷机间是否使用阀门配气可分为两种形式，即 g m 型脉管制冷机( 有阀型) 和斯特林型脉管制冷机( 无阀型) 。g m 型脉管制 冷机在回热器入口前采用平面旋转阀来进行高低压气体的配气( 工作频率一般在 1 1 0 h z ) ，斯特林型脉管制冷机采用无阀压缩机，其工作频率一般在3 0 6 0 h z ， 因此也称它为高频脉管制冷机。 1 3 液氦温区制冷机的研究进展 目前g m 制冷机、g m 型脉管制冷机和高频斯特林型脉管制冷机都有达到 液氦温区的实例。其中g m 制冷机、g m 型脉管制冷机在液氦温区的技术发展 得比较成熟，已经广泛应用在商业领域，而高频斯特林型脉管制冷机仅有美国 l o c k h e e dm a r t i n 公司一家达到了液氦温区。 1 3 1 液氦温区g m 制冷机 g m 制冷机是第一个达到液氦温区的小型低温制冷机，是目前技术发展最 成熟的机型，并已经广泛运用于商业领域。从1 9 8 7 年起，东京工业大学和东芝 公司的共同研究小组相继提出e r 】幔d y x n i 2 、e r 3 n i 和e r n i 等金属间化合物作为低 温蓄冷材料【1 8 】，由于磁性蓄冷材料在低温下具有磁比热反常的特性从而有较大 体积比热容，价格相对较低，因此可以广泛用于低温制冷机中。东芝东京工业 大学共同研究小组和三菱电机公司的研究小组利用磁性蓄冷材料接二连三地在 g m 制冷机系统上获得许多突破性进展，创下了g m 制冷机最低制冷温度和制 冷能力的新纪录。受这些成果的影响，各国都先后开展了这方面的研究，并取得 了一些成果，见表1 1 。 浙江人学顺 学位论文绪论 表1 1 液氦温区g m 制冷机的研究概测1 8 】 研究单位制冷量功耗时间 0 1 5 w 4 2 k 1 9 9 4 生 三菱电机 2 2 w 4 2 k 1 9 1 1 2 k w1 9 9 7 年 东芝东京工业 1 2 w 4 2 k 7 k w1 9 9 6 生 2 0 4 w 4 2 k 2 0 l 3 4 k w1 9 9 9 年 大学 3 6 8 w 4 2 k t 2 1 】 7 9 9 k w 1 9 9 9 篮 1 6 w 4 2 k 7 1 k w1 9 9 6 生 2 0 2 w 4 2 k 2 2 1 1 1 3 k w1 9 9 7 生 0 7 w 4 2 k 2 3 】 1 9 2 k w 19 9 9 年 住友重机 5 3 9 m w 2 k t 2 4 】 2 5 k w2 0 0 1 年 0 2 2 4 w 4 2 k 2 5 1 ( 采用g o s ) 1 2 k w 2 0 0 3 生 1 5 w 4 2 k ( s r d k 415 d 2 6 1 1 7 2 k w 伯克利分校 0 1 w 4 2 k 1 9 9 5 盔 中国科学院 0 5 3 4 2 k 2 2 k w1 9 9 4 生 1 3 2 液氦温区g m 型脉管制冷机 目前世界上从事液氦温区多级脉管制冷机及其应用研究的国家很多，主要包 括美国、日本、中国、德国、法国、荷兰、韩国、印度等。为了能了解目前多级 脉管制冷机( 主要是液氦温区二级脉管制冷机) 的总体发展水平和应用情况，下面 就不同研究机构进行简单的介绍： 1 ) 日本松原洋- j j , 组：1 9 9 4 年，高金林、松原洋一研制了一台三级g m 型 脉管制冷机达到液氦温区，这是第一台达到液氦温区的脉管制冷机。在输入功率 4 3 k w ，制冷机频率2 h z ，平均充气压力1 5 m p a 情况下4 2 k 约有3 0 m w 制冷 量2 7 1 。该制冷机的特点是：1 ) 各级脉管的热端均处于室温；2 ) 在第三级脉管 中布置回热管结构；3 ) 采用磁性蓄冷材料e r 3 n i 。随后他们研究了采用4 k 脉管 制冷机冷却超导磁体的可能性口8 1 。研究表明三级脉管制冷机的性能及结构方式， 可以满足小型n b t i 磁体及超导线圈的冷却需要。 2 ) 德国吉森大学应用物理研究所：1 9 9 6 年该所制成的二级脉管制冷机，获 得2 2 3 k 制冷温度，并在4 2 k 下有3 7 0m w 的制冷量【2 9 1 ，经过优化后在4 2 k 获 得5 0 0 m w 制冷量【3 0 1 ，随后利用该装置成功液化了氦气( 1 2 5 m l h ) 【3 1 1 和冷却小 型n b t i 超导磁体3 2 1 ；1 9 9 9 年，该所制成的一台由g m 制冷机预冷的脉管制冷 机，采用铅丸作为回热器蓄冷材料，达到液氦温度4 2 k ，这是目前用铅丸达到 的最低制冷温度【3 3 1 ，但其蓄冷机理有待深入研究；2 0 0 0 年，采用二级脉管制冷 机预冷的绝热去磁制冷方法达到了9 6 m k 的低温【3 钾；并且使用二级脉管作为德 4 浙大学砸i 位诧z 缮* 国l v 及i o v 电压国家标准的玲源。2 0 0 3 年，使用氨3 为工质的分离型二级脉 管制冷机达到了12 7 k 的最低制冷温度，是目前回热式低温制冷机达到的最低制 冷温度幡 。 3 ) 中国浙江大学：1 9 9 6 年i o 月浙玎大学陈目邦和邱利民等研制了一台两 级脉管制冷机达到液氨温区，并创新性的提出t 双小孔型调相结构，采用国产 4 5 k w 氢压缩机，获得3 1 k 最低制冷温度m 1 。2 0 0 5 年邱利民和何永林等研制了 一台分离型二级胨管制冷机m 1 ，呆用双压缩机双旋转阀驱动，在输入总功率为 68 k w 情况下，第二级最低温度2 3 k ，在42 k 有5 0 8 m w 制冷量，同时一级在 3 75 k 有】5 w 制冷量，增加第二级充气压力0i5 m p a ，在42 k 下的制冷量由 5 0 8 m w 增大到5 9 0 r o w ；随后简化结构，采用单压缩机单旋转阀驱动该二级脉管 制冷机，并取得7 与双压缩机双旋转阀驱动相同的制冷性能。 4 ) 美国c r y o m e c h 公副：1 9 9 9 年，该公司推出了世界上首台二级4 k 脉 管制冷机产品( p t 4 0 5 ) 。该机器在42 k 有o5 w 制冷量。随后推出了一系列4 k 脉管制冷机，42 k 制冷量从o2 5 w 到i5 w ( p t 4 0 3 p t 4 0 5 p t 4 0 7 p 4 1 0 和 p t 4 15 ) 。其中p t 4 15 是该公司2 0 0 7 年推出的最新4 k 脉管制冷机，它二级在42 k 有1 5 w 制冷量，同时一级在4 5 k 下有4 0 w 的制冷量，其输入功率是i l k w ，如 图12 所示。这些4 k 脉管制冷机的效率接近4 k g m 制冷栅， 啪r ；勺 圈l2p t 4 1 5 型脖管制垮机” 5 ) 荷兰e i n d h o v e n 大学物理系1 9 9 9 年，许名尧在荷兰d ew a e l e 的研究 小组利用一台采用氨3 为工质的- l 缎脉管制冷机达到717 8 k 的低温 4 0 l 。2 0 0 5 年，使用新的较小体积的三级脉管制冷机，采用氦3 为工质，达到了17 3 k 浙江人学硕f j 学f 移论文绪论 的最低制冷温度【4 1 1 。随后，该研究小组开展了液氦温度与制冷机运行频率的 研究工作，如图1 3 所示。可以发现当频率高于7 5 h z 的时候，最低制冷温度 高于4 k 并在11 h z 时升高到8 5 k 4 2 1 ，该工作从另一个侧面表明了随着频率的 提高，回热器在液氦温区的损失进一步增大。 2 ：3 k l l - l z l 图1 3 频率- 9 最低制冷温度的关系4 2 】 6 ) 法国c e a s b t 研究组：该小组对液氦温区和1 0 2 0 k 温区的二级脉管制 冷机都有研究，目前他们在液氦温区二级脉管制冷机方面的最新进展是：输入功 率为6 k w 时一级和二级的无负荷最低温度是3 5 9 k 和2 9 5 k ，二级脉管在4 2 k 下有3 0 0 m w 制冷量，同时一级脉管在5 0 k 有3 0 w 制冷量【4 3 1 。在脉管制冷应用 方面，他们把一台c r y o m e c h 公司的p t 4 0 5 型二级脉管制冷机连到一台二级吸收 式制冷机上【4 4 1 ，它能提供2 6 5 m k 的无负荷最低温度，在2 9 0 m k 有2 0 9 w 的制 冷量，在3 0 0 m k 温度下连续运行超过2 天。 7 ) 德国k a r l s r u h e 大学h o f m a n n 的研究小组：2 0 0 6 年，该小组为冷却m r i 磁体研制了液氦温区二级脉管制冷机，两级均采用四阀型结构；在小于8 k w 输 入功率情况下，制冷机在4 2 k 制冷量为1 1 w ，同时在4 5 k 有4 5 w 制冷量4 5 1 。 8 ) 美国s h i a p d 公司：该公司为m r i ( 核磁共振成像) 制冷设计了二级脉管 制冷机，包括液氦温区和1 0 2 0 k 温区两种。2 0 0 6 年其液氦温区脉管制冷机在第 二级4 1 9 k 时能提供1 2 w 制冷量，在第一级4 4 8 k 时能提供5 0 w 的制冷量，其 输入功率为7 2 k w t 4 6 1 ，如图1 4 所示。 6 图14s t l l 。a p d 公司的液氢温匹脉管制垮机1 13 3 液氨温区斯特林型脉管制冷机 虽然运行频率为1 - 2 h z 的g m 制冷机以及0 一m 型脉管制玲机己成功的应用 在了液氧y 品区领域，但田于其体积大、质量重，效率低、在液氲温区温度波动大、 以及需要定期更换油吸附器等缺点，无法满足航天及国防军事领域对重量体积长 寿命等的要求；而斯特林型( 3 0 6 0 h z ) 高频脉管制岭技术可以较好的满足这些 要求，为此欧美日等发达国家在斯特林型脉管制冷技术研究方面进行7 大量工 作，其中美国为了保i 正其空间技床的绝对优势，2 0 0j 年由美国字航局n a s a 启 动了先进制冷机技术发展计划a c t d p 4 ”，该计划是为行星表面探测器提供6 k 和1 8 k 的温度环境，其中的一个重要指标就是要求在6 k 提供2 0 m w 的制冷量， 值得一提的是，有三家单位提供t 实现这一技术的方法，如图15 所示b a l l a e r o s p a c e 公司提出采用三级斯特林制冷机预冷j t 制冷机的方案， n o r t h r o pg r u m m a n f n g s t l 公司提出三级脉管制冷机预冷j t 的方案， l o c k h e e d m a r t i n 公司提出采用四级脉管制冷机的研究思路。经过这些年的 发展，这些方法都很好的满足了n a s a 提出的各项指标要求。 基于前期在液氨温区脉管制冷机方面的的研究基础，我们更关注 l o c k h e e dm a r t i n 公司先进技术研究中心( l m a t c ) 的研究成果，他们是 目前唯一一家采用新特林型脉管制冷过到液氨温度的单位，对本课题的研究具有 一定的指导意义，因而下面着重回顾了l m a t c 近十余年在研制脉管制玲机力面 的研究情况。 b a | | a e r o s p a c e l 答 。 n o r t h r o p 啦g ( r n u g m s m t a ) “ l o c k h e e dm a r t i n 图15 美国n a s a 先进制冷机技术发展计划a c t d p ( 2 0 0 1 年启动) m 】 l m a q c 从1 9 8 7 年开始发展空间低温制冷机，并于1 9 9 4 年开始研制空间脉 管制冷机，1 9 9 6 年开始进行多级空间脉管制冷机的研制，其目标在于达到可与 斯特林制冷机竞争的效率，目前已先后研制出9 台单级脉管制冷机、6 台两级脉 管制冷机，2 台三级脉管制冷机和2 台四级脉管制冷机，各级研制的水平如图16 所示 f _ 一弋少”2 “驴 一 i r a d3 - s t a g e 、。 c t d p 4 * s t a g s 、圣、，7 o，234 56 # o l p u i 辅t u b e s t a g e s 田i6l m a t c 脉管制冷机的研制水平i “i l m a t c l 9 9 9 年研制的空间用二级脉管制冷机( a i rf o r ep h i l l i p sl a b o r a t o r y 资助) 州，采用多路旁通布置方式，如图17 所示。当压缩机输入功率为1 7 5 w 时，第一级冷头在5 6 k 提供o6 0 w 的制冷量，第二级冷头在3 5 k 提供o3 2 w 的 制冷量，其无负荷制冷温度达到2 3 k 。然而，他们认为，从热力学角度看，多路 一￥一；，!cutenie&plej 旁通并非最优的多级结构，经过优化改进，他们研制的斯特林型二级和三级脉管 制冷机分别实现了1 9 8 k 5 伽和5 3 5 k 5 1 1 的低温，后者为目前所报道三级高频脉管 制冷机的最低制冷温度。 i n i f 蜥吃d i a t eb y p 船8c a p | t d h r y 图1 7 多路旁通型斯特林型脉管制冷机4 9 】 图1 8l m a t c 液氦温区斯特林型四级脉管制图1 9l m a t c 液氦温区斯特林型分离型脉 冷的温位布置【4 8 】管的温位布型5 2 】 为了满足n a s a 项目对低温技术的需求，在三级脉管制冷机的基础上， l m a t c 于2 0 0 5 年研制了一台四级斯特林型脉管制冷机，压缩机输入功率为 2 0 8 w 时，在18 k 有1 5 0 m w 的制冷量，同时在6 k 有2 0 m w 的制冷量 5 3 】。其结 构为u 型设置，采用多气库方式。值得一提的是，他们采用氦3 工质达到3 8 3 k 无负荷制冷温度，采用氦4 为工质仅达到4 8 5 k ，各温度位的布置如图1 8 所示， 分为8 0 k 、3 5 k 、18 k 和6 k 。2 0 0 8 年，他们为满足超导电子元件通讯项目 ( h y p r e s ) 对低温的需求，在四级斯特林型脉管制冷机的基础上改进研制出一 台分离型脉管制冷机，相当于一台两级的斯特林型脉管制冷机预冷一台四级的斯 9 淅 学rl # 论t* 特林型脉管制冷机，在45 k 有4 2 r o w 的制冷量，最低无负荷温度达到3 k 1 5 “。 这台制冷机的最大特色是用来预冷的两级斯特林型脉管制冷机采用高压的氨4 作为工质，而田于氨3 在低温下良好的热力学性能，四级斯特林型脉管制冷机采 用低压的氦3 作为工质，并且都是由同一台压缩机驱动( 压缩机设计是另一个亮 点) 。与该公司前面一台四级斯特林型脉管制冷机相比，由于采用7 预冷方案， 各级的温度都有所降低，为7 0 k 、3 0 k 、1 0 k 和45 k ，温位布置如图1g 所示 1 4 本文主要工作 目前，如何进一步提高低温制冷机在4 2 k 的制冷量和教率，如何使其满足 长寿命要求是液氨温区制冷机的研究重点。相比g m 制冷机和g - m 型脉管制冷 机，斯特林型脉管制冷机具有更长的寿命和更高的效率着眼于未来空问技术的 发展需要，液氨温区斯特林型脉管制冷机的研究显得十分重要。 邢 0 k8 0 k8 0 k3 0 0 k 田1 1 0 不同温区损失对比 从图11 0 可以看到，在3 0 h z 频率下，随着制冷温度的降低，其c o p 和相 对卢诺效率都不断减小。由于在低温下气体的非理想性表现得更加突出，实际气 体损失从8 0 k 的3 提高到1 0 k 温区的2 5 ，直至4 k 的8 0 以上，如何减小实 际气体损失和更进一步提高回热器性能成为提高4 k 温区斯特林型脉管制冷机效 率的关键。 由于液氨温区斯特林型脉管制冷机缎问布置方式缺少相关的又献资料，而多 级斯特林型脉管制玲机的最后一教是决定该制冷机能否到达液氦温区的关键，因 此，本又从理论上探讨高频脉管制玲技术实现液氨温区的方法，搭建带预冷的液 浙汀人学硕l j 学佗论文绪论 氦温区斯特林型脉管制冷机实验台，着重研究4 k 温区回热器损失机理，为进一 步提高液氦温区制冷机的效率打下坚实的基础。为此，本文的主要研究内容有： 1 )借鉴现存液氦温区g m 型脉管制冷机级间布置方式，从理论上提出 斯特林型脉管制冷机达到液氦温区可能的结构布置方式，结合浙江大学在液氦温 区g m 型脉管制冷机的优势，确立采用两级分离型g m 制冷机预冷单级斯特林 型脉管制冷机方案。 2 )采用r e g e n 3 3 软件对回热器进行模拟计算，分析了工质气体、回 热器几何尺寸、热端温度、和回热器填料等对回热器性能的影响，并以此完成了 液氦温区斯特林型脉管制冷机的整体设计。 3 )由于惯性管在室温下调相能力的不足，本文引入了低温惯性管调相 方式。分析表明，由于工质的惯性作用随着温度的降低而增大；因此惯性管调相 温度越低，调相角度越大，且惯性管的长度也越小，有利于增加制冷机系统的紧 凑性。 2 理论基础 本章从热力学的角度对4 k 温区脉管制冷机的各种损失进行了分析。介绍了 拟采用的回热器数值计算软件r e g e n 3 3 的数学模型。 2 1 低温制冷机热力学分析 2 1 1 回热器内的各项损失 回热器是低温回热式低温制冷机的核心部件，本节着重分析4 k 温区回热器 内的各项损失，如图2 1 。假想回热器冷端有一个可逆的等温膨胀活塞，在一个 循环周期内，由热力学第一定律得到振荡流方程如下： ( q c = ( 形) 聊一( 日) 懈一如胛d ， ( 2 - 1 ) 其中( 旷 俐是在平均压力下膨胀活塞做出的时均可逆功，( 疗) 懈是回热器内 的时均焓流；既力