液氦温区高频脉冲管制冷机研究
发布时间：2021-10-24 00:05
研制的一台高频脉冲管制冷机最低温度3.47 K,为目前高频制冷机的最低记录。首先基于相位调节的角度对多路旁通的工作机制进行分析,进一步设计了由单级同轴型多路旁通结构演变而成的气耦合多级结构。设计的制冷机三级温度分布为:77 K,20 K和4 K。研制的样机在输入电功250 W,液氮提供12.1 W预冷量时,能够在5.2 K获得20 mW制冷量。若使用77 K高效制冷机替代液氮,整机功耗有望在385 W以内,效率高于此温区已报道的其他高频脉冲管制冷机。
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
图１多路旁通对冷头温度的影响??Ｆｉｇ．?１?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉ－ｂｙｐａｓｓ?ｏｎ?ｃｏｌｄ?ｈｅａｄ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??
构成）的负载。??活塞行程：４．８５?ｍｍ?１５０?Ｗ）??频率：３０?Ｈｚ?？??压力：２．２?ＭＰａ?／??－？－Ｔ１?／??－■－Ｔ２?？??—■??？?－?２０??｜?｜?｜?｜?■??０．００?０．７５?１．５０?２．２５?３．００??旁通开度／１０＿５ｍｍ??图１多路旁通对冷头温度的影响??Ｆｉｇ．?１?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉ－ｂｙｐａｓｓ?ｏｎ?ｃｏｌｄ?ｈｅａｄ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?????制冷机沿程位置／ｍｍ??图２多路旁通对沿程温度的影响??Ｆｉｇ．?２?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉ－ｂｙｐａｓｓ?ｏｎ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ??图３是多路旁通开度对制冷机沿程相位分布的??影响。可以看到，当开度较小时，多路旁通能够改??善制冷机的相位分布。当开度较大后，在多路旁通??位置处，质量流与压力波的相位将出现明显的突变：??相位在回热器ＩＩ、冷头和脉冲管ＩＩ中呈规律性的变??化；若将回热器Ｉ和脉冲管Ｉ对接，其相位也呈规律??性的分布。这也说明多路旁通开度较大时，具有多??级结构功能的特性：回热器Ｉ、多路旁通和脉冲管Ｉ??构成一级，回热器ＩＩ、冷头和脉冲管ＩＩ构成二级，只??是这个二级没有调相机构，比如，如图３中所示，当??旁通开度为６．１?ｍｍ时，此时这个二级脉管内的相位??已经非常接近９０°，几乎成了一个基本型的脉冲管，??从而失去制冷效应。??综上所述，由于多路旁通之后的回热器、冷头??和脉冲管构成的一级没有调相机构，意味着多路旁??通结构很难获得比真正二级结构更好的制冷性能。??在２０?Ｋ获得了?１．０６?Ｗ
温度出现了明显的上升，从之??前的无负荷１５?Ｋ左右上升到了?６０?Ｋ左右。过高的??预冷温度并不利于二级制冷温度的降低，根据已有??报道，要获得液氦温度，预冷级的温度需要达到２０??Ｋ左右＾１２ｉ。基于此，为了有效地降低预冷温度，??预冷级采用了热耦合二级结构，在此热耦合结构上??气耦合的三级结构如图５所示，设计的此流程三级??典型温度分布为７７?Ｋ、２０?Ｋ和４?Ｋ。??—６０??—８０??０?３０?６０?９０?１２０?１５０?１８０?２１０??制冷机沿程位置／＿??图３多路旁通对沿程相位的影响??Ｆｉｇ．?３?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉ－ｂｙｐａｓｓ?ｏｎ?ｐｈａｓｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ??１．１．３制冷流程设计??基于上述分析，多路旁通很难同时使得一级和??二级的相位处于最佳状态，也即通过单纯优化单级??多路旁通结构很难直接获得液氦温度。因此，在多??路旁通结构的基础上，本文对多路旁通结构进行了??改进，给多路旁通的“二级”引入了专门的长颈管气??库等调相机构，同时在“一级”冷头处添加换热器，??如图４所示，这样就构成了一个完整的二级气耦合??结构。相对于在压缩机出口进行气耦合的传统结构，??本结构相当于在制冷机的冷头上再耦合了一级，这??种结构保留了单级同轴型多路旁通方案的结构紧凑??性优点。??乙气库Ｉ??：气库ＩＩ??图５设计的高频脉冲管制冷机结构示意图??Ｆｉｇ．?５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｄｅｓｉｇｎｅｄ?ｈｉｇｈ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｐｕｌｓｅ?ｔｕｂｅ??ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ??２实验测试结果??２．１实验样机??图６是制冷机的实物照片。线性压缩机
本文编号：3454182
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
图１多路旁通对冷头温度的影响??Ｆｉｇ．?１?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉ－ｂｙｐａｓｓ?ｏｎ?ｃｏｌｄ?ｈｅａｄ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??
构成）的负载。??活塞行程：４．８５?ｍｍ?１５０?Ｗ）??频率：３０?Ｈｚ?？??压力：２．２?ＭＰａ?／??－？－Ｔ１?／??－■－Ｔ２?？??—■??？?－?２０??｜?｜?｜?｜?■??０．００?０．７５?１．５０?２．２５?３．００??旁通开度／１０＿５ｍｍ??图１多路旁通对冷头温度的影响??Ｆｉｇ．?１?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉ－ｂｙｐａｓｓ?ｏｎ?ｃｏｌｄ?ｈｅａｄ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?????制冷机沿程位置／ｍｍ??图２多路旁通对沿程温度的影响??Ｆｉｇ．?２?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉ－ｂｙｐａｓｓ?ｏｎ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ??图３是多路旁通开度对制冷机沿程相位分布的??影响。可以看到，当开度较小时，多路旁通能够改??善制冷机的相位分布。当开度较大后，在多路旁通??位置处，质量流与压力波的相位将出现明显的突变：??相位在回热器ＩＩ、冷头和脉冲管ＩＩ中呈规律性的变??化；若将回热器Ｉ和脉冲管Ｉ对接，其相位也呈规律??性的分布。这也说明多路旁通开度较大时，具有多??级结构功能的特性：回热器Ｉ、多路旁通和脉冲管Ｉ??构成一级，回热器ＩＩ、冷头和脉冲管ＩＩ构成二级，只??是这个二级没有调相机构，比如，如图３中所示，当??旁通开度为６．１?ｍｍ时，此时这个二级脉管内的相位??已经非常接近９０°，几乎成了一个基本型的脉冲管，??从而失去制冷效应。??综上所述，由于多路旁通之后的回热器、冷头??和脉冲管构成的一级没有调相机构，意味着多路旁??通结构很难获得比真正二级结构更好的制冷性能。??在２０?Ｋ获得了?１．０６?Ｗ
温度出现了明显的上升，从之??前的无负荷１５?Ｋ左右上升到了?６０?Ｋ左右。过高的??预冷温度并不利于二级制冷温度的降低，根据已有??报道，要获得液氦温度，预冷级的温度需要达到２０??Ｋ左右＾１２ｉ。基于此，为了有效地降低预冷温度，??预冷级采用了热耦合二级结构，在此热耦合结构上??气耦合的三级结构如图５所示，设计的此流程三级??典型温度分布为７７?Ｋ、２０?Ｋ和４?Ｋ。??—６０??—８０??０?３０?６０?９０?１２０?１５０?１８０?２１０??制冷机沿程位置／＿??图３多路旁通对沿程相位的影响??Ｆｉｇ．?３?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉ－ｂｙｐａｓｓ?ｏｎ?ｐｈａｓｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ??１．１．３制冷流程设计??基于上述分析，多路旁通很难同时使得一级和??二级的相位处于最佳状态，也即通过单纯优化单级??多路旁通结构很难直接获得液氦温度。因此，在多??路旁通结构的基础上，本文对多路旁通结构进行了??改进，给多路旁通的“二级”引入了专门的长颈管气??库等调相机构，同时在“一级”冷头处添加换热器，??如图４所示，这样就构成了一个完整的二级气耦合??结构。相对于在压缩机出口进行气耦合的传统结构，??本结构相当于在制冷机的冷头上再耦合了一级，这??种结构保留了单级同轴型多路旁通方案的结构紧凑??性优点。??乙气库Ｉ??：气库ＩＩ??图５设计的高频脉冲管制冷机结构示意图??Ｆｉｇ．?５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｄｅｓｉｇｎｅｄ?ｈｉｇｈ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｐｕｌｓｅ?ｔｕｂｅ??ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ??２实验测试结果??２．１实验样机??图６是制冷机的实物照片。线性压缩机
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