深冷温区多级混合结构脉冲管制冷机高效运行机理研究

The cryocooler operating below the temperature of 10K has broad applications in low-temperature physics, scientific instruments and superconductivity. The cryocooler efficiency、reliability and compactness should be improved to meet the higher requirements in these applications. A novel multi-stage hybrid cryocooler which combines ambient rod-less displacer and the pulse tube in one system is proposed in this project. The structure keeps the advantages of both of the Stirling cryocooler and pulse tube cryocooler. The flowing will be studied in this project: 1) the working mechanism of the rod-less ambient displacer and the coupling mechanism between dynamic characteristics of rod-less ambient displacer and system thermodynamic and dynamic characteristics; 2) the loss mechanism in the annular pulse tube and related suppression method; 3) the influence of regenerator dynamics, limited heat capacity of the regenerator material and non-ideal properties of helium on the regenerator performance. The results obtained in this project will lead to a novel compact high-efficiency cryocooler and promote the development of the cryocooler operating below the temperature of 10K.

深低温区（10K以下）小型低温制冷机在低温物理、科学仪器及超导等领域具有重要应用，相关技术的迅速发展也对制冷机的效率、可靠性和紧凑性等提出了更高要求。鉴于此，本项目提出一种新型紧凑的多级制冷机架构形式，把无连杆结构的室温排出器调相技术应用于多级脉冲管制冷机，形成一种兼具斯特林制冷机和脉冲管制冷机优点的混合型深低温制冷机。针对相关科学问题，本项目着重研究（1）无连杆结构的室温阶梯排出器调相机制，室温排出器的动力学特性与整机热力学、动力学特性的相互作用机制；（2）环形脉管的损失机制和优化策略；（3）回热器动力学特性以及填料有限热容/氦气非理想物性对回热器功热转换特性的影响机制。本项目将为实现一种新型高效紧凑的小型深低温制冷机打下坚实的基础。

小型低温制冷机在低温物理、科学仪器及超导等领域具有重要应用，相关技术的迅速发展也对制冷机的效率和紧凑性提出更高要求。鉴于此，本项目提出一种新型紧凑的多级制冷机架构形式，把无连杆结构的室温排出器调相技术应用于多级脉冲管制冷机，形成一种兼具斯特林制冷机和脉冲管制冷机优点的混合型深低温制冷机。着重开展以下研究：（1）整机计算模型、压缩机与制冷机高效耦合工作机制；（2）多级室温排出器调相机理及动力学特性；（3）环形脉冲管的损失机制和优化策略；（4）回热器功热转换特性的影响机制；（5）实验样机测试与性能优化。通过揭示了多级混合型脉冲管制冷机结构中的关键运行机理科学问题，研制完成高效率、高可靠性、结构紧凑的低温制冷机，在20K 获得1W 以上制冷量，整机相对卡诺效率达到5.42%。样机性能指标优于国内外主要研究机构，使得我国深低温区制冷机的研究水平处于国际领先地位。本项目申请专利4项，其中授权4项；发表学术论文15 篇，其中7 篇SCI收录，7篇EI收录，1篇ISTP收录；培养已毕业博士4名，在读博士生3名；博士后出站1 名。