【摘要】：醫(yī)療、航天和科學(xué)研究等高科技領(lǐng)域?qū)σ汉ぜ耙韵聹貐^(qū)的制冷需求日益迫切,如用于醫(yī)療MRI、超導(dǎo)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(jī)具有長壽命、高效率、低電磁干擾、冷端溫度波動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn),在越來越多的應(yīng)用場(chǎng)合備受青睞,因此逐漸成為研究熱點(diǎn)。近年來,盡管液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機(jī)研究雖然巳取得一定進(jìn)展,但與G-M脈管制冷機(jī)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(jī)存在多級(jí)結(jié)構(gòu)耦合復(fù)雜、高頻回?zé)嵝实�、�?shí)際氣體效應(yīng)損失、聲功小調(diào)相困難及工質(zhì)比熱劇烈變化等問題,這些復(fù)雜問題嚴(yán)重制約了其發(fā)展。本文以進(jìn)一步提高液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機(jī)的制冷性能為目標(biāo),揭示液氦溫區(qū)實(shí)際氣體效應(yīng)對(duì)回?zé)嵝阅苡绊懙臋C(jī)理,探索提高回?zé)嵝实男峦緩?采用多級(jí)脈管制冷機(jī)獲得液氦溫度,進(jìn)而提高脈管制冷機(jī)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(zhì)物性對(duì)制冷性能影響機(jī)理分析基于熱力學(xué)定律,分析比較了脈管制冷機(jī)制冷工質(zhì)He-4和He-3在液氦溫區(qū)的熱力學(xué)特性,并給出了兩種工質(zhì)下脈管制冷機(jī)的各種損失。結(jié)合Sage和REGEN3.3研究了使用兩種工質(zhì)在液氦溫區(qū)脈管中的制冷性能,從冷端相位角、回?zé)崞鲹p失等方面入手,定量研究了由工質(zhì)變化引起的回?zé)崞骼涠讼辔粚?duì)最低制冷溫度、制冷量和性能系數(shù)(COP)的影響關(guān)系,上述分析為液氦斯特林脈管制冷機(jī)不同工質(zhì)(He-3、He-4)的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。2.采用He-3及He-4為工質(zhì)的液氮溫區(qū)脈管制冷性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的觀點(diǎn)普遍認(rèn)為的氦-3工質(zhì)更為優(yōu)越不同,實(shí)驗(yàn)表明采用He-3直接替代He-4斯特林型脈管制冷機(jī)并不能獲得更低制冷溫度。隨后分析了He-3優(yōu)化前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果及平均壓力、預(yù)冷溫度、運(yùn)行頻率和輸入功等不同運(yùn)行參數(shù)下的制冷性能,找出因工質(zhì)物性變化而提高制冷機(jī)性能所需的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化規(guī)律。通過運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化,He-3工質(zhì)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。這是目前三級(jí)斯特林型脈管制冷機(jī)達(dá)到的最低制冷溫度。為進(jìn)一步了解工質(zhì)物性下制冷機(jī)填料對(duì)制冷機(jī)性能影響,在此基礎(chǔ)上初步實(shí)驗(yàn)研究了He-4為工質(zhì)的4-20K溫區(qū)不同組分多層回?zé)崽盍蟽?yōu)化實(shí)驗(yàn),為后續(xù)與He-3工質(zhì)的制冷機(jī)填料實(shí)驗(yàn)對(duì)比及填料優(yōu)化積累經(jīng)驗(yàn)。3.液氦溫區(qū)直流(DC flow)對(duì)脈管制冷性能影響的理論與實(shí)驗(yàn)研究針對(duì)He-4工質(zhì)在液氦溫區(qū)高頻脈管實(shí)際氣體損失嚴(yán)重的問題,研究了液氦溫區(qū)回?zé)崞鲀?nèi)質(zhì)量流和能量流規(guī)律,提出了液氦溫區(qū)DC流輔助調(diào)節(jié)方案。結(jié)合焓流理論分析了DC流對(duì)液氦溫區(qū)脈管回?zé)崞鞲鞑糠謸p失的影響,以及DC結(jié)構(gòu)下不同質(zhì)量流量、運(yùn)行頻率、平均壓力對(duì)制冷機(jī)性能影響規(guī)律。為了驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果并探索在液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機(jī)采用DC流提高制冷性能的可行性,設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的液氦溫區(qū)DC流結(jié)構(gòu)形式,開展了液氦溫區(qū)多級(jí)斯特林脈管第三級(jí)DC流的實(shí)驗(yàn)研究。研究了不同DC結(jié)構(gòu)對(duì)回?zé)崞鳒囟确植�、無負(fù)荷制冷溫度以及預(yù)冷溫度的影響,對(duì)DC流結(jié)構(gòu)引入的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比,在總結(jié)不同結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了加入DC流回路提高液氦溫區(qū)制冷機(jī)性能的方案,在抑制實(shí)際氣體效應(yīng)不利影響的同時(shí)顯著提升了制冷機(jī)的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同的運(yùn)行概況下采用DC流結(jié)構(gòu),液氦溫區(qū)制冷機(jī)最低制冷溫度在He-4臨界溫度以上時(shí)由7.8 K降至6.2 K；在液氦溫區(qū)時(shí)冷端溫度由4.76 K降至4.69 K。首次理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證DC流用于多級(jí)斯特林脈管制冷機(jī)提升性能的可能性。
[Abstract]:The high-tech areas, such as medical, aerospace and scientific research, are becoming more and more urgent for liquid helium and the following temperature areas, such as for medical MRI, cooling of superconducting magnet and quantum communication devices, and low-temperature environment maintenance. The Stirling type pulse tube refrigerator has the advantages of long service life, high efficiency, low electromagnetic interference, small cold end temperature fluctuation and the like. In recent years, although some progress has been made in the research of the Stirling type pulse tube refrigerator in the liquid helium temperature region, there is still a great gap in the minimum refrigeration temperature and the cooling efficiency compared with the G-M pulse tube refrigerator. The multi-level structure coupling of the Stirling type pulse tube refrigerator in the liquid helium temperature region is complicated, the high-frequency heat-return efficiency is low, the real gas effect loss, the small-tone phase of the sound work and the severe change of the specific heat of the working medium are difficult, and the complex problems seriously restrict the development of the Stirling type pulse-type pulse-type pulse-type pulse tube refrigerator. In order to further improve the refrigeration performance of the Stirling type pulse tube refrigerator in the liquid helium temperature region, the mechanism of the effect of the real gas effect on the heat recovery performance of the liquid helium temperature region is revealed, a new way to improve the heat recovery efficiency is explored, and the liquid helium temperature is obtained by adopting the multi-stage pulse tube refrigerator, So as to improve the refrigeration efficiency of the pulse tube refrigerator in the liquid helium temperature region. In this paper, the following three aspects of research work are carried out:1. Based on the law of thermodynamics, the thermodynamic characteristics of the refrigeration working medium He-4 and He-3 in the liquid helium temperature range are compared and compared, and various losses of the pulse tube refrigerator under the two working fluids are given. The refrigeration performance of the two working fluids in the vessel of the liquid helium temperature zone is studied in combination with Sage and REGEN3. The minimum refrigeration temperature of the cold end phase of the regenerator caused by the change of the working medium is quantitatively studied from the aspects of the cold end phase angle and the heat regenerator loss. The influence of the cooling capacity and the performance coefficient (COP) is the theoretical guidance for the experimental optimization of the different working fluid (He-3, He-4) of the liquid helium Stirling pulse tube refrigerator. He-3 and He-4 are used as the working medium, and the experimental results show that He-3 is used to replace the He-4 type pulse tube refrigerator, and the lower refrigeration temperature can not be obtained. The experimental results, the average pressure, the pre-cooling temperature, the operating frequency and the input power of He-3 were then analyzed to find out the optimization of the operating parameters needed to improve the performance of the refrigerator due to the change of the physical properties of the working medium. The minimum cooling temperature of He-3 working medium is reduced from 5.4K to 4.03K by operating parameters, and 20 mW of cooling capacity is obtained at 4.86K. This is the lowest cooling temperature reached by the current three-stage Stirling type pulse tube refrigerator. In ord to further understand that effect of the refrigerator filler on the performance of the refrigerator under the physical property of the working medium, a multi-layer re-thermal packing optimization experiment of the different components of the 4-20K temperature zone of He-4 as a working medium is studied. The theoretical and experimental study of the effect of the direct current (DC flow) in the liquid helium temperature zone on the performance of the vessel's cooling performance is to study the problem of the serious loss of the real gas in the high-frequency vessel in the liquid helium temperature zone of the He-4 working medium. The law of the mass flow and the energy flow in the regenerator of the liquid helium temperature zone is studied, and the auxiliary regulation scheme of the liquid helium temperature zone DC flow is proposed. The effect of the DC current on the partial loss of the tube heat regenerator in the liquid helium temperature zone and the influence of different mass flow, operating frequency and average pressure on the performance of the refrigerator under the DC structure are analyzed in combination with the current flow theory. In order to verify the theoretical calculation results and to explore the feasibility of using the DC flow to improve the refrigeration performance of the Stirling type pulse tube refrigerator in the liquid helium temperature region, the DC flow structure of the liquid helium temperature zone with different structure is designed, and the experimental study of the third stage DC flow of the multi-stage Stirling vessel in the liquid helium temperature region is carried out. The effects of different DC structures on the temperature distribution of the heat regenerator, the no-load cooling temperature and the pre-cooling temperature are studied, and the advantages and disadvantages introduced in the structure of the DC flow are compared. On the basis of summarizing the advantages and disadvantages of different structures, the scheme of adding the DC current loop to improve the performance of the liquid helium temperature zone refrigerator is put forward, and the performance of the refrigerator is obviously improved while suppressing the adverse effect of the real gas effect. The experimental results show that the minimum refrigeration temperature of the liquid helium-temperature-zone refrigerator is reduced from 7.8 K to 6.2 K at the time of the critical temperature of He-4 by adopting the DC current structure under the same operation condition. The temperature of the cold end is reduced from 4.76K to 4.69K in the liquid helium temperature zone.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB651

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本文編號(hào)：2492061