單雙級(jí)G-M制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究

1、單、雙級(jí)G-M制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究Experimental Study on Single-stage and Two-stage G-M Cryocoolers董宇國(guó) 巨永林 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240Tel:E-mail:yju摘要：本文主要測(cè)定了實(shí)驗(yàn)室中已有單級(jí)、雙級(jí)G-M制冷機(jī)樣機(jī)的性能，并對(duì)影響G-M制冷機(jī)性能參數(shù)（包括最低溫度和制冷量）的因素作了分析，為進(jìn)一步提高性能奠定了基礎(chǔ)。文中雙級(jí)G-M制冷機(jī)能達(dá)到的最低溫度是10.6K，20K時(shí)的制冷量為10W；單級(jí)G-M制冷機(jī)能達(dá)到的最低溫度是35.9K，80K時(shí)的制冷量為50W。 關(guān)鍵詞

2、：G-M制冷機(jī) 最低溫度 制冷量 測(cè)量 _0 前言 G-M制冷機(jī)自1959年由Gifford和 MacMahon提出并研制成功后，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠等特點(diǎn)，很快就獲得了商業(yè)化發(fā)展。近年來(lái)隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)在電工領(lǐng)域方面日益廣泛的應(yīng)用，如高溫超導(dǎo)限流器、高溫超導(dǎo)變壓器和高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)等方面1，對(duì)工作在 30K40K，并可提供 50W100W制冷量的低溫制冷機(jī)提出了迫切需求。德國(guó)和美國(guó)等國(guó)家的一些知名低溫公司都設(shè)計(jì)開發(fā)了滿足要求的產(chǎn)品2。我國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)也已開始進(jìn)行大冷量G-M制冷機(jī)的研究工作。 本實(shí)驗(yàn)室已開發(fā)出單級(jí)和雙級(jí)的G-M制冷機(jī)，本文對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了最低制冷溫度和制冷量的性能測(cè)試和研究，

3、為進(jìn)一步提高單級(jí)、雙級(jí)G-M制冷機(jī)性能奠定基礎(chǔ)。 1 實(shí)驗(yàn)方法及步驟 1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由壓縮機(jī)系統(tǒng)、制冷機(jī)系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、制冷量測(cè)量系統(tǒng)和真空系統(tǒng)組成，共有測(cè)量單級(jí)和雙級(jí)G-M制冷機(jī)的平臺(tái)兩套。具體如圖 1（以單級(jí)G-M制冷機(jī)為例）。 其中壓縮機(jī)采用的是改裝的日本的ANELVA CRC-870 MK氦壓縮機(jī)，壓縮機(jī)與制冷機(jī)之間采用金屬軟管連接，連接處采用自密封接頭；制冷機(jī)組是自主開發(fā)的單、雙級(jí)G-M制冷機(jī)，其中單級(jí)G-M制冷機(jī)采取氣壓驅(qū)動(dòng)，雙級(jí)G-M制冷機(jī)采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)；實(shí)驗(yàn)中的溫度測(cè)量系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)采集和顯示，并接入計(jì)算機(jī)，通過(guò)LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和整理；制冷

4、量的測(cè)量是通過(guò)加熱電源和加熱片實(shí)現(xiàn)的；真空泵對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空處理。 1 壓縮機(jī)組；2 高壓進(jìn)氣管；3 低壓回氣管；4 單級(jí)G-M制冷機(jī)；5 電加熱裝置；6 溫度測(cè)量裝置；7 真空分子泵；8 真空罩 圖1 G-M制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備 ANELVA CRC-870 MK型氦壓縮機(jī)，恒河DC100型數(shù)據(jù)采集儀，Keithy2000萬(wàn)用表，GWINSTEK GPS-2303C直流電源，VARIAN Turbo-V70 真空分子泵。 1.3 實(shí)驗(yàn)步驟 1.3.1 制冷溫度的測(cè)量 為了實(shí)時(shí)的顯示制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)的制冷溫度，本實(shí)驗(yàn)室采用恒河數(shù)據(jù)采集儀和Keithy2000萬(wàn)用表來(lái)顯示讀取制

5、冷過(guò)程中的溫度值，并通過(guò)配套軟件和LabVIEW軟件在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。 1.3.2 制冷量的測(cè)量 測(cè)試制冷量采用的依據(jù)是熱平衡原理3。在單級(jí)G-M制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)中，是在冷頭上粘貼微型電阻加熱片，通過(guò)真空電接頭引出接入直流電源。在制冷機(jī)到達(dá)最低溫度后，讓電源輸出一定功率，在溫度穩(wěn)定后，記錄此時(shí)加熱片上的電壓和電流值，從而計(jì)算出加熱功率，這一功率就是此溫度下的制冷量。依次重復(fù)測(cè)量可得在不同溫度時(shí)的制冷量。雙級(jí)G-M制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)不同的就是分別在一級(jí)和二級(jí)冷頭上裝了加熱片來(lái)分別測(cè)量一級(jí)和二級(jí)冷頭在要求溫度下的制冷量。 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 2.1 雙級(jí)G-M制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 本實(shí)驗(yàn)室的雙級(jí)G

6、-M制冷機(jī)采取機(jī)械式驅(qū)動(dòng)方式，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1、2。 表1 二級(jí)G-M制冷機(jī)（一級(jí)）的結(jié)構(gòu)參數(shù) 氣缸 內(nèi)徑 mm58壁厚 mm1長(zhǎng)度 mm192活塞 行程 mm36內(nèi)徑 mm50蓄冷器 長(zhǎng)度 mm86填料 mm200目磷銅網(wǎng) 表2二級(jí)G-M制冷機(jī)（二級(jí)）的結(jié)構(gòu)參數(shù) 氣缸 內(nèi)徑 mm25壁厚 mm0.8長(zhǎng)度 mm165活塞 行程 mm36內(nèi)徑 mm18和21蓄冷器 長(zhǎng)度 mm119填料 mm鉛丸 2.1.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在無(wú)負(fù)荷、真空度為15Pa的情況下，開動(dòng)壓縮機(jī)，運(yùn)行機(jī)組，以3 min為間隔測(cè)得的制冷機(jī)溫度（二級(jí)冷頭溫度）隨機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系見圖2。二級(jí)冷頭溫度降至最低后，開啟直流電源開始加

7、熱。二級(jí)G-M制冷機(jī)的制冷量與冷頭溫度的關(guān)系見圖3。 從圖2可以看出，在運(yùn)行了40 min后，降溫速率明顯加快，在60 min時(shí)已經(jīng)下降到15K左右，然后平緩下降到最低溫度10.5K。 圖2 制冷溫度（二級(jí)）隨時(shí)間變化圖 圖3 二級(jí)冷量隨溫度變化圖 從圖中可以看出，二級(jí)G-M制冷機(jī)在冷頭溫度是20K時(shí)的制冷量大約為10W。 2.1.2 實(shí)驗(yàn)分析 本實(shí)驗(yàn)室的二級(jí)活塞中的蓄冷器填料采用的是0.2 mm的鉛丸，二級(jí)活塞的兩端用銅網(wǎng)封住。鉛因其在低溫下具有較高的體積熱容，在80K溫度下被廣泛使用作為蓄冷器的填料，甚至溫度在低到20K左右時(shí)，鉛仍比許多其它填料都有高得多的比熱容。但隨著溫度降低，在15K

8、溫度以下時(shí)，鉛的比熱容會(huì)明顯降低。鉛在15K以下較低的比熱容影響了蓄冷器的換熱效率，使得制冷機(jī)的溫度很難降到10K以下。研究表明，一些磁性材料在溫度15K以下時(shí)通過(guò)磁質(zhì)轉(zhuǎn)變可以得到比同溫區(qū)的鉛高得多的比熱容。圖4給出了三種常見的磁性填料與鉛和氣體氦等的比熱容值的比較4。 圖4 三種常用的磁性填料的比熱容值值 圖5 制冷溫度（單級(jí)）隨時(shí)間變化圖所以，在二級(jí)G-M制冷機(jī)的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)備在二級(jí)蓄冷器中填充磁性材料?，F(xiàn)在較常使用的是Er-Ni等材料。此外，汽缸和活塞環(huán)的設(shè)計(jì)和加工技術(shù)也是影響制冷機(jī)性能的重要因素。 2.2 單級(jí)G-M制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 本實(shí)驗(yàn)室的新研制的一臺(tái)采用氣壓驅(qū)動(dòng)的單級(jí)G-

9、M制冷機(jī)還在加工過(guò)程中，本文的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)是在雙級(jí)G-M制冷機(jī)上，去掉第二級(jí)活塞和氣缸，并用紫銅塊將一級(jí)氣缸封住，改裝而成的單級(jí)G-M制冷機(jī)。我們?cè)诘谝患?jí)蓄冷器中單一填充了磷青銅網(wǎng)作為蓄冷材料，樣機(jī)采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)。 2.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在無(wú)負(fù)荷、真空度為15Pa時(shí)，運(yùn)行機(jī)組，以3 min為間隔測(cè)得的制冷溫度與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系如圖5。從圖5可以看出，單級(jí)G-M制冷機(jī)的降溫速率很快，在機(jī)組運(yùn)行了約30 min時(shí)，制冷溫度已降至36.5K左右，然后平緩得降到最低溫度35.9K。 單級(jí)G-M制冷機(jī)的制冷量與冷頭溫度的關(guān)系見圖6。 圖6 制冷量隨制冷溫度變化圖 在上圖中，單級(jí)G-M制冷機(jī)在80K溫度時(shí)的制冷量

10、約為50W。 2.2.2 實(shí)驗(yàn)分析 本實(shí)驗(yàn)的樣機(jī)是由雙級(jí)G-M制冷機(jī)改裝而來(lái)的，所以在結(jié)構(gòu)上不盡合理。 （1）冷頭結(jié)構(gòu)不合理。本實(shí)驗(yàn)中僅僅用紫銅塊簡(jiǎn)單的將一級(jí)氣缸封住，這樣的冷頭換熱能力不足，換熱不充分，從而引起傳熱損失。在新研發(fā)的單級(jí)G-M制冷機(jī)上，采用了填料型冷頭的形式來(lái)增強(qiáng)換熱。 （2）蓄冷器的容積不足和填料材料。實(shí)驗(yàn)中的蓄冷器原為雙級(jí)G-M制冷機(jī)的一級(jí)活塞，容積明顯不滿足大冷量的單級(jí)G-M制冷機(jī)所要求的蓄冷器容積，所以進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)將采用內(nèi)徑更大，長(zhǎng)度更長(zhǎng)的活塞來(lái)滿足大容積蓄冷器的要求；本實(shí)驗(yàn)僅僅填充單一的磷銅網(wǎng)，而隨著溫度的降低，銅的比熱容下降很快，則在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)備混合填充銅網(wǎng)和鉛丸。二者的比例也將是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。 3 結(jié)語(yǔ) 本文通過(guò)分析已有的單級(jí)、雙級(jí)G-M制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)仍存在的一些問(wèn)題，為以后的進(jìn)一步提高制冷機(jī)的性能，為研制出4W/12K雙級(jí)G-M制冷機(jī)和100W/80K單級(jí)G-M制冷機(jī)打下基礎(chǔ)。 參 考 文 獻(xiàn) 1. 方志春 蘇小陶 龔領(lǐng)會(huì) 張亮大冷量單級(jí)G-M型制冷機(jī)的研制低溫工