新型液氦温区小型低温制冷机研究

With the advances of modern science and technology, more strict requirements are put on the size and efficiency of the cryocooler system working around liquid helium temperature. Here the applicant proposes a new infrastructure which aims at solving the difficulties faced by state-of-art technologies. In the infrastructure, a VM type thermal compressor is used to drive a pulse tube cooler to reach liquid helium temperature. Another high efficiency Stirling type pulse tube cooler is utilized to provide cooling power for the VM thermal compressor to establish the temperature gradienct necessary for the conversion of thermal power into acoustic power.The research focuses on the following three points: (1) High efficiency energy conversion mechanism of the thermal compressor and its coupling mechanism with the pulse tube cooler working at liquid helium temperature; (2) The coupling mechanism between the Stirling type pulse tube cooler and the VM thermal compressor; (3) Losses inside the pulse tube cooler working at liquid helium temperature and phase adjusters at the hot end of the pulse tube. With the theoretical development, a lab prototype system will be built and will reach temperature below 4.2 K. The project sets a solid basis for a new type cryocooler system working around liquid helium temperature.

随着科学技术的进步和新需求的出现，迫切需要发展高效紧凑的液氦温区小型低温制冷机。在此背景下本项目提出一种新型架构形式，采用VM型热压缩机驱动液氦温区脉冲管制冷机，利用高频斯特林型脉冲管制冷机提供VM热压缩机所需冷量，解决现有技术中存在的难点。针对新架构形式下的科学问题，项目着重研究（1）VM型热压缩机的高效能量转换特性及其与液氦温区脉冲管制冷机的高效耦合机制；（2）提供预冷冷量的高频斯特林型脉冲管制冷机与VM热压缩机系统的耦合机制研究；（3）液氦温区脉冲管制冷机损失机制和热端调相机构工作机理。在理论进展的同时，搭建实验样机获得4.2K以下温度。本项目的实施将为发展一种新型液氦温区低温制冷机打下坚实的基础。

液氦温区制冷机在很多领域有广泛应用，高效紧凑的液氦温区小型低温制冷机的研究具有重要意义。VM型脉冲管制冷机采用热压缩机驱动，具有潜在的优势。本课题研究了一种新型干式VM型脉冲管制冷机，由三个子系统组成：预冷用制冷机、热压缩机和低温级脉冲管制冷机。预冷用制冷机的冷头通过热桥与热压缩机冷端换热器连接，提供热压缩机工作所需冷量。本项目针对该VM型脉冲管制冷机开展的主要研究如下：.1.对热压缩机进行了无负载时的数值模拟与实验研究，深入考察了热压缩机的性能以及内部的能量转换损耗机制。借鉴热声理论，以阻抗匹配的观点，首次系统地考察负载阻抗大小、相角对热压缩机输出压比和功率的影响，深入揭示了热压缩机在有负载时的能量转换机制，为设计高效整机系统奠定了基础。.2.以输出特性研究为基础，设计了热压缩机驱动的低温级脉冲管制冷机,并进行了整机的数值模拟，结合预冷用制冷机的效率，对不同预冷温度下热压缩机驱动的低温级脉冲管制冷机的整机效率进行评估。在此基础上，搭建了VM型脉冲管制冷机实验台并进行系列实验，通过优化获得了6.31K的无负荷制冷温度，这是目前该类制冷机所获得的最低制冷温度；对双向进气所带来的直流对系统性能的影响进行了研究，结果证明一定量的直流对该系统的性能具有有利的影响。.3.本系统中利用高效脉冲管制冷机提供热压缩机所需要的冷量，其效率和预冷温度对整机性能有重要影响。从理论和实验上研究优化了可用于预冷的不同制冷机系统。代表性的成果包括一台在80K获得24.2%相对卡诺效率的高效混合型脉冲管制冷机和一台高效双级斯特林制冷机，后者在40K达到了14.8%的相对卡诺效率，在77 K达到25.9%的相对卡诺效率。.通过该课题的研究，对VM型热压缩机的能量转换特性以及与低温级脉冲管制冷机的耦合机制有了深刻认识；同时理论上证明了通过预冷用制冷机调整热压缩机的工作温区，对实现系统整机效率最优具有重要意义。这些认识为进一步提高VM型脉冲管制冷机性能奠定了坚实基础。