双驱动大冷量快速降温脉冲管制冷机机理研究

High Temperature Superconducting (HTS) devices and gas liquefaction technology have developed rapidly in recent years. High-capacity cryocoolers with higher efficiency and smaller volume are in urgent demand, and some large HTS devices in military also require that high-capacity cryocoolers cool the devices quickly to the operating temperature to enable rapid deployment. In this paper, a new type of dual-driven rapid cooldown high-capacity pulse tube cryocooler is proposed, which has high efficiency, small volume and a faster cooldown time compared with the GM-type, Stirling-type and pulse tube cryocoolers. It can meet different application requirements, and is especially suitable to cool the device with fast cooldown requirement. The main contents of this paper are given as follows: (1) Analyze the combined operating mechanism of acoustic power recovery and dual-driven active control in the whole process of the cooling. (2) Discuss the formation and destruction mechanism of the gas piston in the pulse tube. (3) Summarize the design theory for the cold finger and the matching method of the compressor. A 30W at 80K dual-driven rapid cooldown high-capacity pulse tube cryocooler will be designed and constructed. The cooldown time of the prototype is expected to be the best in China. The research results in this paper will enrich and develop the design theory for high-capacity cryocoolers and have important academic and application value.

近些年，高温超导、气体液化分离工业等发展迅速，对大冷量低温制冷机效率、可靠性、体积、重量等提出了更高的要求，一些大型高温超导设备还要求制冷机能实现被冷却物体的快速降温以满足快速部署需要，基于此本课题提出了一种新型双驱动大冷量快速降温脉冲管制冷机。该制冷机与常用的回热式制冷机：GM、斯特林及脉冲管制冷机相比，可显著缩短被冷却物体降温时间，并且效率高、体积及重量小，满足高温超导等领域不同的使用需求，尤其适用于被冷却物体有快速降温要求的场所。本课题研究内容包括：(1)双驱动大冷量快速降温脉冲管制冷机声功回收和主动调相在降温全过程的联合运行机制；（2）双驱动大冷量快速降温脉冲管制冷机脉冲管“气体活塞”形成及破坏机制；（3）双驱动大冷量快速降温脉冲管制冷机整机设计理论及高效样机研制，所研制样机降温速度有望国内最佳。本课题研究结果将丰富和发展大冷量低温制冷机设计理论，具有重要学术及应用价值。

近些年，一些大型高温超导设备要求制冷机能实现被冷却物体的快速降温以满足快速部署需要，基于此本课题提出了一种新型双驱动大冷量快速降温脉冲管制冷机。该制冷机同时引入双驱动控制及声功回收，可同时实现快速降温与所需制冷温度下的高效率，对于该新型脉冲管制冷机的机理研究依然围绕脉冲管制冷机三大关键部件：回热器、脉冲管及调相机构开展。主要研究内容及重要成果如下：（1）声功回收和主动调相在降温全过程的联合运行机制——调相机制研究。研究表明声功回收也是一种调相机制，在保持降温全过程中压缩机位移不变时，双驱动控制调相机制可获得更快的降温速度，此时声功回收的作用在于提高所需制冷温度和冷量下的整机效率。在压缩机位移限值较大、电流限值较小时，双驱动及声功回收联合调相机制具有更明显的快速降温优势，并可同时提高整机在低温区的效率。（2）脉冲管“气体活塞”形成及破坏机制——脉冲管部件研究。脉冲管 “气体活塞”作用机理包括绝热特性、声功传输特性以及与实体排出器不同的调相特性，建议脉冲管体积取为所需制冷温度下冷端扫气体积的9倍以上，以保证在快速降温过程中“气体活塞”长度不会过短而大幅增加脉冲管损失。（3）双驱动大冷量快速降温脉冲管制冷机整机设计理论及高效样机研制——回热器、整机及实验研究。在降温过程中可选择压缩机位移不变的运行模式以大幅提高回热器制冷量。开展了双驱动声功回收脉冲管制冷机、双驱动脉冲管制冷机实验研究，大量实验测试证明了理论分析的正确性。在压缩机有效输入功率460W时，采用双驱动控制调相时可获得80K@15W的性能。在驱动压缩机与主动调相压缩机电压相位角为140°时，其降温时间相比80K温区效率最高的170°时的值缩短29%，比所测试的惯性管和气库调相方式缩短23%。本课题研究结果将丰富和发展脉冲管制冷机设计理论，具有重要学术及应用价值。