研制的一臺(tái)高頻脈沖管制冷機(jī)最低溫度3.47 K,為目前高頻制冷機(jī)的最低記錄。首先基于相位調(diào)節(jié)的角度對(duì)多路旁通的工作機(jī)制進(jìn)行分析,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了由單級(jí)同軸型多路旁通結(jié)構(gòu)演變而成的氣耦合多級(jí)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的制冷機(jī)三級(jí)溫度分布為:77 K,20 K和4 K。研制的樣機(jī)在輸入電功250 W,液氮提供12.1 W預(yù)冷量時(shí),能夠在5.2 K獲得20 mW制冷量。若使用77 K高效制冷機(jī)替代液氮,整機(jī)功耗有望在385 W以內(nèi),效率高于此溫區(qū)已報(bào)道的其他高頻脈沖管制冷機(jī)。 

【文章來(lái)源】：工程熱物理學(xué)報(bào). 2020,41(05)北大核心EICSCD

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圖１多路旁通對(duì)冷頭溫度的影響??Ｆｉｇ．?１?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉ－ｂｙｐａｓｓ?ｏｎ?ｃｏｌｄ?ｈｅａｄ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??

構(gòu)成）的負(fù)載。??活塞行程：４．８５?ｍｍ?１５０?Ｗ）??頻率：３０?Ｈｚ?？??壓力：２．２?ＭＰａ?／??－？－Ｔ１?／??－■－Ｔ２?？??—■??？?－?２０??｜?｜?｜?｜?■??０．００?０．７５?１．５０?２．２５?３．００??旁通開(kāi)度／１０＿５ｍｍ??圖１多路旁通對(duì)冷頭溫度的影響??Ｆｉｇ．?１?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉ－ｂｙｐａｓｓ?ｏｎ?ｃｏｌｄ?ｈｅａｄ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?????制冷機(jī)沿程位置／ｍｍ??圖２多路旁通對(duì)沿程溫度的影響??Ｆｉｇ．?２?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉ－ｂｙｐａｓｓ?ｏｎ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ??圖３是多路旁通開(kāi)度對(duì)制冷機(jī)沿程相位分布的??影響。可以看到，當(dāng)開(kāi)度較小時(shí)，多路旁通能夠改??善制冷機(jī)的相位分布。當(dāng)開(kāi)度較大后，在多路旁通??位置處，質(zhì)量流與壓力波的相位將出現(xiàn)明顯的突變：??相位在回?zé)崞鳎桑伞⒗漕^和脈沖管ＩＩ中呈規(guī)律性的變??化；若將回?zé)崞鳎珊兔}沖管Ｉ對(duì)接，其相位也呈規(guī)律??性的分布。這也說(shuō)明多路旁通開(kāi)度較大時(shí)，具有多??級(jí)結(jié)構(gòu)功能的特性：回?zé)崞鳎伞⒍嗦放酝ê兔}沖管Ｉ??構(gòu)成一級(jí)，回?zé)崞鳎桑�、冷頭和脈沖管ＩＩ構(gòu)成二級(jí)，只??是這個(gè)二級(jí)沒(méi)有調(diào)相機(jī)構(gòu)，比如，如圖３中所示，當(dāng)??旁通開(kāi)度為６．１?ｍｍ時(shí)，此時(shí)這個(gè)二級(jí)脈管內(nèi)的相位??已經(jīng)非常接近９０°，幾乎成了一個(gè)基本型的脈沖管，??從而失去制冷效應(yīng)。??綜上所述，由于多路旁通之后的回?zé)崞�、冷頭??和脈沖管構(gòu)成的一級(jí)沒(méi)有調(diào)相機(jī)構(gòu)，意味著多路旁??通結(jié)構(gòu)很難獲得比真正二級(jí)結(jié)構(gòu)更好的制冷性能。??在２０?Ｋ獲得了?１．０６?Ｗ

溫度出現(xiàn)了明顯的上升，從之??前的無(wú)負(fù)荷１５?Ｋ左右上升到了?６０?Ｋ左右。過(guò)高的??預(yù)冷溫度并不利于二級(jí)制冷溫度的降低，根據(jù)已有??報(bào)道，要獲得液氦溫度，預(yù)冷級(jí)的溫度需要達(dá)到２０??Ｋ左右＾１２ｉ�；诖耍瑸榱擞行У亟档皖A(yù)冷溫度，??預(yù)冷級(jí)采用了熱耦合二級(jí)結(jié)構(gòu)，在此熱耦合結(jié)構(gòu)上??氣耦合的三級(jí)結(jié)構(gòu)如圖５所示，設(shè)計(jì)的此流程三級(jí)??典型溫度分布為７７?Ｋ、２０?Ｋ和４?Ｋ。??—６０??—８０??０?３０?６０?９０?１２０?１５０?１８０?２１０??制冷機(jī)沿程位置／＿??圖３多路旁通對(duì)沿程相位的影響??Ｆｉｇ．?３?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｍｕｌｔｉ－ｂｙｐａｓｓ?ｏｎ?ｐｈａｓｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ??１．１．３制冷流程設(shè)計(jì)??基于上述分析，多路旁通很難同時(shí)使得一級(jí)和??二級(jí)的相位處于最佳狀態(tài)，也即通過(guò)單純優(yōu)化單級(jí)??多路旁通結(jié)構(gòu)很難直接獲得液氦溫度。因此，在多??路旁通結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)多路旁通結(jié)構(gòu)進(jìn)行了??改進(jìn)，給多路旁通的“二級(jí)”引入了專門(mén)的長(zhǎng)頸管氣??庫(kù)等調(diào)相機(jī)構(gòu)，同時(shí)在“一級(jí)”冷頭處添加換熱器，??如圖４所示，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的二級(jí)氣耦合??結(jié)構(gòu)。相對(duì)于在壓縮機(jī)出口進(jìn)行氣耦合的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，??本結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在制冷機(jī)的冷頭上再耦合了一級(jí)，這??種結(jié)構(gòu)保留了單級(jí)同軸型多路旁通方案的結(jié)構(gòu)緊湊??性優(yōu)點(diǎn)。??乙氣庫(kù)Ｉ??：氣庫(kù)ＩＩ??圖５設(shè)計(jì)的高頻脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖??Ｆｉｇ．?５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｄｅｓｉｇｎｅｄ?ｈｉｇｈ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｐｕｌｓｅ?ｔｕｂｅ??ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ??２實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果??２．１實(shí)驗(yàn)樣機(jī)??圖６是制冷機(jī)的實(shí)物照片。線性壓縮機(jī)


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