液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機實際氣體效應影響及性能優(yōu)化研究.pdf

1、醫(yī)療、航天和科學研究等高科技領域對液氦及以下溫區(qū)的制冷需求日益迫切，如用于醫(yī)療 MRI、超導磁體和量子通訊器件的冷卻以及低溫環(huán)境維持等。斯特林型脈管制冷機具有長壽命、高效率、低電磁干擾、冷端溫度波動小等優(yōu)點，在越來越多的應用場合備受青睞，因此逐漸成為研究熱點。近年來,盡管液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機研究雖然巳取得一定進展，但與G-M脈管制冷機相比在最低制冷溫度和制冷效率方面仍有較大差距。液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機存在多級結構耦合復雜、高頻

2、回熱效率低、實際氣體效應損失、聲功小調相困難及工質比熱劇烈變化等問題，這些復雜問題嚴重制約了其發(fā)展。本文以進一步提高液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機的制冷性能為目標，揭示液氦溫區(qū)實際氣體效應對回熱性能影響的機理，探索提高回熱效率的新途徑，采用多級脈管制冷機獲得液氦溫度，進而提高脈管制冷機在液氦溫區(qū)的制冷效率。本文主要開展了以下三方面的研究工作：
　　1.液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷工質物性對制冷性能影響機理分析
　　基于熱力學定律，分

3、析比較了脈管制冷機制冷工質He-4和He-3在液氦溫區(qū)的熱力學特性，并給出了兩種工質下脈管制冷機的各種損失。結合 Sage和REGEN3.3研究了使用兩種工質在液氦溫區(qū)脈管中的制冷性能，從冷端相位角、回熱器損失等方面入手，定量研究了由工質變化引起的回熱器冷端相位對最低制冷溫度、制冷量和性能系數(shù)（COP）的影響關系，上述分析為液氦斯特林脈管制冷機不同工質（He-3、He-4）的實驗優(yōu)化提供了理論指導。
　　2.采用He-3及He-4

4、為工質的液氦溫區(qū)脈管制冷性能對比實驗
　　與傳統(tǒng)的觀點普遍認為的氦-3工質更為優(yōu)越不同，實驗表明采用He-3直接替代He-4斯特林型脈管制冷機并不能獲得更低制冷溫度。隨后分析了He-3優(yōu)化前后實驗結果及平均壓力、預冷溫度、運行頻率和輸入功等不同運行參數(shù)下的制冷性能，找出因工質物性變化而提高制冷機性能所需的運行參數(shù)優(yōu)化規(guī)律。通過運行參數(shù)優(yōu)化，He-3工質的最低制冷溫度由5.4 K降至4.03 K，并在4.86 K獲得20 mW制冷量

5、。這是目前三級斯特林型脈管制冷機達到的最低制冷溫度。為進一步了解工質物性下制冷機填料對制冷機性能影響，在此基礎上初步實驗研究了 He-4為工質的4~20K溫區(qū)不同組分多層回熱填料優(yōu)化實驗，為后續(xù)與 He-3工質的制冷機填料實驗對比及填料優(yōu)化積累經(jīng)驗。
　　3.液氦溫區(qū)直流（DC flow）對脈管制冷性能影響的理論與實驗研究
　　針對He-4工質在液氦溫區(qū)高頻脈管實際氣體損失嚴重的問題，研究了液氦溫區(qū)回熱器內質量流和能量流規(guī)律

6、，提出了液氦溫區(qū)DC流輔助調節(jié)方案。結合焓流理論分析了DC流對液氦溫區(qū)脈管回熱器各部分損失的影響，以及DC結構下不同質量流量、運行頻率、平均壓力對制冷機性能影響規(guī)律。為了驗證理論計算結果并探索在液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機采用 DC流提高制冷性能的可行性，設計了不同結構的液氦溫區(qū)DC流結構形式，開展了液氦溫區(qū)多級斯特林脈管第三級DC流的實驗研究。研究了不同DC結構對回熱器溫度分布、無負荷制冷溫度以及預冷溫度的影響，對DC流結構引入的優(yōu)勢和