G-M-J-T混合循環(huán)氦制冷機(jī)系統(tǒng)設(shè)計及實驗研究.pdf

1、現(xiàn)代世界上氦氣資源的日益緊張，推動了實驗室用的低溫真空設(shè)備向小型化和集約化方向的快速發(fā)展，促進(jìn)為小型低溫真空裝置提供液氦冷量的小型氦制冷機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。
　　本文以單臺10K溫度級Gifford-McMahon制冷機(jī)為預(yù)冷冷源的氦節(jié)流制冷機(jī)系統(tǒng)（簡稱，G-M/J-T混合循環(huán)氦制冷機(jī)系統(tǒng)）為研究對象，采用熱力學(xué)基本原理分析了G-M/J-T混合循環(huán)氦制冷機(jī)系統(tǒng)的熱力循環(huán)性能，研究了G-M制冷機(jī)冷頭預(yù)冷能力對制冷機(jī)系統(tǒng)制冷量的影響;針對4

2、.5K G-M/J-T氦制冷機(jī)系統(tǒng)不同溫度區(qū)間的各設(shè)備工作特性，借鑒Cloude循環(huán)氦制冷機(jī)設(shè)計和運行經(jīng)驗，選取了的系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，設(shè)計系統(tǒng)的冷箱、真空與絕熱系統(tǒng)、低溫?fù)Q熱器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等關(guān)鍵部分;采用傳熱學(xué)和流體力學(xué)基本原理深入分析系統(tǒng)各低溫設(shè)備內(nèi)的傳熱和工質(zhì)流動特性，驗證了系統(tǒng)各關(guān)鍵部分設(shè)計的合理性，完成了各關(guān)鍵部件的研制。本文搭建了開式G-M/J-T混合循環(huán)氦制冷機(jī)系統(tǒng)實驗平臺，通過制冷機(jī)降溫實驗，對制冷機(jī)系統(tǒng)的降溫性能和制冷

3、能力進(jìn)行了深入的研究分析，實驗結(jié)果表明:設(shè)計的G-M/J-T混合循環(huán)氦制冷系統(tǒng)能夠了穩(wěn)定降溫到液氦溫度并在該溫度下獲得一定制冷量的設(shè)計目標(biāo)，制冷機(jī)各部分運行良好。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1、合理的熱力循環(huán)流程是進(jìn)行氦制冷機(jī)設(shè)計的基礎(chǔ)。本文建立了以單臺兩級10K G-M制冷機(jī)作為預(yù)冷冷源的4.5K開式G-M/J-T混合循環(huán)氦制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)流程，運用大型計算軟件MATLAT，結(jié)合NIST物性數(shù)據(jù)庫，對系統(tǒng)循環(huán)流程進(jìn)行了深入的熱力

4、學(xué)分析和研究。研究結(jié)果表明:采用萊寶5/100T型G-M制冷機(jī)作為節(jié)流制冷循環(huán)唯一預(yù)冷冷源的氦制冷循環(huán)，系統(tǒng)的制冷性能是由G-M制冷機(jī)二級冷頭預(yù)冷能力決定。以J-T循環(huán)流量為極小化目標(biāo)，對氦制冷循環(huán)的80K冷卻級，冷頭冷卻級和節(jié)流冷卻級等進(jìn)行深入的熱平衡分析，得到了循環(huán)優(yōu)化函數(shù)，通過對G-M/J-T氦制冷循環(huán)穩(wěn)態(tài)運行的熱力計算，得出了循環(huán)各狀態(tài)點的最佳運行參數(shù)，熱力學(xué)分析的結(jié)果表明:選擇合適制冷循環(huán)流量，能夠提高G-M制冷機(jī)冷頭預(yù)冷冷量

5、利用效率，達(dá)到降溫目標(biāo)。
　　2、對G-M/J-T混合循環(huán)氦制冷機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計計算。對G-M/J-T混合循環(huán)氦制冷機(jī)系統(tǒng)的冷箱、低溫?fù)Q熱器和真空及絕熱裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對制冷機(jī)的材料選擇，密封與連接進(jìn)行了深入分析。在制冷機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了G-M/J-T混合循環(huán)氦制冷機(jī)系統(tǒng)各關(guān)鍵部件的傳熱分析和ANSYS溫度分布分析，分析結(jié)果表明:所設(shè)計的各換熱器、熱防護(hù)屏和冷箱能滿足系統(tǒng)的要求，所選取的材料、連接和密封方

6、式、抽真空設(shè)備、低溫調(diào)節(jié)閥和測量采集設(shè)備等符合設(shè)計要求。
　　3、依據(jù)制冷機(jī)系統(tǒng)設(shè)計方案，搭建了開式G-M/J-T混合循環(huán)氦制冷機(jī)實驗平臺。通過開式G-M/J-T混合循環(huán)氦制冷機(jī)系統(tǒng)的測試實驗，研究了制冷系統(tǒng)在降溫和非穩(wěn)態(tài)運行下的動態(tài)變化熱力過程，分析了動態(tài)降溫過程中系統(tǒng)熱力性能的變化規(guī)律，積累了系統(tǒng)實際運行操作的經(jīng)驗。實驗中考慮并研究了所設(shè)計的制冷機(jī)熱防護(hù)屏熱防護(hù)性能，低溫調(diào)節(jié)閥門的溫度分布和熱損失狀況，以及在一定的氦氣進(jìn)氣流量

7、下制冷機(jī)降溫過程中系統(tǒng)關(guān)鍵點溫度變化過程和不同熱負(fù)載條件下制冷機(jī)的穩(wěn)定運行特性及能力。實驗結(jié)果表明:降溫過程中低溫調(diào)節(jié)閥的開度變化直接影響系統(tǒng)的節(jié)流冷卻級的降溫速率和整機(jī)的降溫時間;進(jìn)入系統(tǒng)的氦氣流量受到G-M制冷機(jī)預(yù)冷能力和節(jié)流閥流通能力的限制。通過系統(tǒng)降溫實驗，檢驗了所設(shè)計的測量和采集系統(tǒng)能夠滿足制冷機(jī)系統(tǒng)需求，獲得了G-M/J-T混合式氦制冷機(jī)系統(tǒng)動態(tài)降溫過程中沿氦氣流動方向上復(fù)雜的溫度變化規(guī)律，以及制冷機(jī)在最佳流量點附近不同工況