混合工质预冷的热压缩机驱动的新型液氦温区制冷机

Obtaing low temperature to 4.2K-20K has great scientific significance and important application value using a simple refrigeration cycle system. The project proposed a novel refrigerator driven by a thermal compressor precooled by mix-refrigerants. Using a convenient and efficient J-T refrigerator with mixed refrigerants instead of the liquid nitrogen filling system to precool is an important improvement of the state of the art of the Vuilleumier refrigeration cycle, which will enrich the low-temperature refrigeration technology and engineering thermodynamics research. The project will achieve liquid helium temperature with Er3Ni and other material used in low temperature regenerator and the optimization of the regenerator and the thermal compressor design. Compared to the G-M cryocooler with oil lubricated compressor, the new cryogenic system has higher efficiency and broad application prospects. As the project has proposed a new type of cryogenic systems, the key research is the complete system design through the thermodynamic and fluid mechanics analysis, and then the experimental study of the various components of the coupling test and optimize the design to set up the liquid helium temperature platform.

通过简单的制冷循环系统获得4.2K-20K的极低温环境有着重要的科学意义和应用价值。本项目提出一种混合工质预冷的热压缩机驱动的新型制冷机，用高效方便的混合工质节流制冷机代替液氮提供动力，在科学原理上是对已有的低温下Vuilleumier制冷循环的重要改进，将会丰富低温制冷技术的研究和工程热力学等学科的进展。同时通过在极低温蓄冷器内采用Er3Ni等蓄冷材料以及对蓄冷器和热压缩机等的优化设计，在国际上首先通过热压缩机驱动的Vuilleumier循环达到液氦温区，相比需要油润滑的G-M制冷机该新型低温系统具有较高的效率和广泛的应用前景。由于本项目提出了一种新型的低温系统，因此关键在于通过热力学和流体理论分析，完成系统联合，再通过实验研究完成各部件的耦合测试与优化，实现液氦温区平台的搭建。

液氦温区小型低温制冷机在物理、医疗、空间探索等领域有着重要应用。目前可以获得液氦温度的小型低温制冷机为GM 制冷机、GM 脉冲管制冷机和高频斯特林型脉冲管制冷机，由于GM 制冷机的压缩机效率较低，而斯特林脉冲管制冷机的蓄冷器在较高频率下损失较大，导致这两种制冷机在液氦温度下的效率均较低。Vuilleumier (VM) 制冷机是一种闭式回热式制冷机，可以看作为热压缩机驱动的斯特林制冷机，具有理论上的高效性，其工作频率一般低于5Hz，利于蓄冷器的高效工作。为了发展液氦温区高效制冷机，本项目开展了VM制冷机的理论与实验研究。.理论分析方面，分析了拉格朗日坐标下气体微团的热力过程，从经典热力学角度阐明了气体微团经历的热力学循环及其功与制冷量的传递过程，得到了与欧拉观点相一致的结论。数值模拟方面，采用MATLAB编程对单级VM制冷机进行了模拟分析，开发了适用于10K以下单级VM制冷机的模拟程序； 对于两级VM制冷机，采用SAGE软件对其进行了模拟分析，分别对调相方式的布置方式、两级气量分配、蓄冷器的填充方式等进行了优化，对两级VM制冷机的设计具有一定的指导意义。实验方面，首先对单级VM制冷机的密封、蓄冷器等关键部件进行了优化，获取了7.3K的无负荷最低温度；为获取液氦温区，在单级VM制冷机的基础之上，气耦合了一级同轴脉冲管制冷机，分别对其调相方式、蓄冷器开展了优化研究，最终获取了3.06K的最低温度，在4.2K可提供30mW制冷量，这是首次采用两级VM制冷机获取液氦温度，进一步对其进行优化，其在空间探测超导电子学等领域将有很大的应用前景。另外，依托本项目，多款混合工质节流制冷机研发成功（1L/h, 5L/h, 10L/h 液氮机），具有广阔的应用前景。