采用He3-He4工質(zhì)液氦溫區(qū)脈管制冷研究.pdf

1、脈管制冷機(jī)由于冷端不存在運(yùn)動(dòng)部件,以其具有更高的可靠性、更小的振動(dòng)和更低的磁噪聲而成為受人矚目的制冷機(jī).隨著脈管制冷技術(shù)的不斷發(fā)展,脈管制冷機(jī)在80K溫區(qū)的許多應(yīng)用場(chǎng)合中逐步顯示出較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力.但對(duì)于在液氦溫區(qū)應(yīng)用的多級(jí)脈管制冷技術(shù),其制冷性能還有待于進(jìn)一步研究和提高.本文的研究工作重點(diǎn)針對(duì)液氦溫區(qū)的脈管制冷技術(shù),旨在探索通過(guò)采用He-3工質(zhì)拓展脈管制冷機(jī)的制冷溫度極限,進(jìn)而提高脈管制冷機(jī)在液氦溫區(qū)的制冷性能.1.可行性分析基于采用He

2、3工質(zhì)對(duì)于突破脈管制冷機(jī)制冷溫度極限的重要意義,本文開(kāi)展了采用純質(zhì)He3工質(zhì)液氦溫區(qū)二級(jí)脈管制冷性能的研究工作.2.He3物性研究全面、可靠的低溫流體熱物理性質(zhì)數(shù)據(jù)是低溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ).低溫工程許多常用流體的熱物性數(shù)據(jù)都可以通過(guò)各種狀態(tài)方程、模型、計(jì)算軟件獲得.但到目前為止,氦-3流體熱物性數(shù)據(jù)還比較缺乏,這方面的數(shù)據(jù)采集工作也開(kāi)展得較少,特別是在國(guó)內(nèi),基本上是空白的.因此本文對(duì)以He-3為工質(zhì)的低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的He-3低溫?zé)嵛镄詳?shù)據(jù)

3、進(jìn)行了收集工作,介紹了計(jì)算He-3低溫?zé)嵛镄缘臓顟B(tài)方程和模型,并自行開(kāi)發(fā)、初步建立了能夠滿足一定精度要求的He-3熱物性數(shù)據(jù)庫(kù)以備設(shè)計(jì)計(jì)算之需,填補(bǔ)了這方面的空白.3.建立具有獨(dú)立氣體回路的分離型二級(jí)脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置作者在德國(guó)吉森大學(xué)應(yīng)用物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)期間建立了具有獨(dú)立氣體回路的液氦溫區(qū)二級(jí)G-M型脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái).本文所引入的具有獨(dú)立氣體回路的多級(jí)脈管制冷機(jī)分離型級(jí)聯(lián)方式,與二級(jí)脈管制冷機(jī)通常所采用的級(jí)聯(lián)方式相比(回?zé)崞鞑捎么?lián)

4、而脈管單元采用并聯(lián)的布置方式),該系統(tǒng)中直流流動(dòng)的調(diào)控比較容易、各級(jí)制冷量的分配具有更大的靈活性,而且還允許各級(jí)采用不同的工質(zhì)、頻率、時(shí)序或壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)然這種具有獨(dú)立氣路的二級(jí)脈管制冷機(jī)在結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜,特別是配氣系統(tǒng).4.二級(jí)脈管制冷機(jī)級(jí)聯(lián)方式的探討本文從熱聲學(xué)觀點(diǎn)出發(fā),把壓力類比成電壓,體積流率類比成電流,建立了脈管制冷機(jī)的網(wǎng)絡(luò)模型.5.采用He-4為工質(zhì)的液氦溫區(qū)二級(jí)脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)研究本文首先開(kāi)展了采用純質(zhì)He4為工質(zhì)液氦溫區(qū)分

5、離型二級(jí)脈管制冷機(jī)性能的實(shí)驗(yàn)研究工作,一方面揭示了這臺(tái)全新設(shè)計(jì)的二級(jí)脈管制冷機(jī)在不同情況下的性能,同時(shí)也為后面采用He3或He3/He4混合工質(zhì)液氦溫區(qū)二級(jí)脈管制冷性能的研究工作建立了比較基礎(chǔ).6.采用He-3為工質(zhì)的液氦溫區(qū)二級(jí)脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)研究在采用純質(zhì)He3替代He4作為第二級(jí)制冷工質(zhì)的液氦溫區(qū)二級(jí)脈管制冷性能的實(shí)驗(yàn)研究工作,該分離型二級(jí)脈管制冷機(jī)以He3作為第二級(jí)制冷工質(zhì)獲得了的1.27K的最低無(wú)負(fù)荷制冷溫度,低于He4λ相變溫

6、度,驗(yàn)證了采用He3工質(zhì)可以突破回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)采用He4工質(zhì)時(shí)受工質(zhì)λ超流相變束縛的2K左右的制冷溫度極限,該結(jié)果與本文的理論預(yù)測(cè)相符合.本文還考察了He3工作壓力對(duì)脈管制冷機(jī)制冷性能的影響.研究表明,對(duì)以He3為工質(zhì)的脈管制冷機(jī)而言,較低的工作壓力比較有利于達(dá)到更低的制冷溫度,因?yàn)镠e3的理論制冷溫度極限T<,αp=0>隨著壓力的降低逐漸下降.但是實(shí)驗(yàn)表明,在Q<,1>=0W及Q<,2>=50mW和Q<,1>=0W及Q<,2>≈50