朱建民，施駿業(yè)，陳江平，張金喜

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-沃姆制冷設備（上海）有限公司，上海 201401）

40 W/30 K大冷量單級G-M制冷機的研制及性能測試

朱建民*1，施駿業(yè)1，陳江平1，張金喜2

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-沃姆制冷設備（上海）有限公司，上海 201401）

為滿足高溫超導設備的冷卻需求，本文對40 W/30 K大冷量單級G-M制冷機進行了理論計算、結構設計和制冷性能測試。測試結果表明，在采用磷青銅網(wǎng)和鉛球組成的復合蓄冷材料時，研制的制冷機樣機可以獲得19.2 K的最低制冷溫度，在30 K時能提供38.8 W的制冷量，基本符合了設計目標要求。

G-M制冷機；大冷量；單級；復合蓄冷材料

0　引言

G-M制冷機是由GIFFORDW E和MCMAHONH O［1-2］在1959年發(fā)明的一種小型低溫回熱式氣體制冷機。自從面世以來，就因為它具有結構簡單、性能穩(wěn)定、運轉可靠、使用壽命長等優(yōu)點，被廣泛應用到低溫真空泵、核磁共振成像儀、低溫電子學、強電超導等需要穩(wěn)定低溫條件的場合。特別是隨著高溫超導技術在電工領域日益廣泛的應用，諸如高溫超導變壓器、高溫超導限流器、高溫超導輸電電纜等，對工作在（20～40）K溫區(qū)并能提供（20～100）W制冷量的G-M制冷機提出了迫切的需求［3］。但常規(guī)的單級G-M制冷機只能提供（10～60）W/77 K制冷量和30K最低制冷溫度，無法滿足用于高溫超導磁體冷卻的需要。因此，本文的目標是設計出制冷量為 40 W/30 K、 130 W/77 K，最低制冷溫度小于 20 K的大冷量單級G-M制冷機，并對試制樣機進行性能測試。

1　G-M制冷機設計

1.1制冷機的結構介紹

圖1為單級G-M制冷機的結構簡圖。G-M制冷機主要由壓縮機組（包括氦氣壓縮機、低壓儲氣罐、高壓儲氣罐和冷卻器），膨脹機（包括氣缸和推移活塞），配氣機構（包括驅動機構、進氣閥和排氣閥），回熱器和冷頭換熱器組成。壓縮機組的部件之間通過管道相連接，膨脹機的氣缸和推移活塞通過活塞環(huán)來密封配合，防止冷熱腔間的氣體發(fā)生串氣。進、排氣閥都處于室溫下，由機械/氣壓驅動控制其啟閉，用來控制通過回熱器與膨脹機的氣流、循環(huán)壓力及容積。推移活塞的上下移動由一個小曲軸控制，它和進、排氣閥的控制機構組合在一起，由一個微型電動機帶動。進排氣閥的開啟和關閉與推移活塞的移動位置之間按照一定的相位角配合，以保證制冷機的熱力循環(huán)?；責崞鲀?nèi)填充磷銅網(wǎng)、鉛球等蓄冷材料，冷熱氣流周期性交替地通過它，實現(xiàn)冷熱氣流的熱量交換。冷頭換熱器起到輸出冷量的作用［4］。

圖1　單級G-M制冷機結構簡圖

1.2制冷機的結構參數(shù)

G-M 制冷機的設計計算主要是膨脹機相關尺寸的計算和其他熱力參數(shù)的選擇與計算［5］，經(jīng)過反復試算和篩選，得到較為理想的單級 G-M制冷機樣機的結構參數(shù)見表1。圖2為試制的單級G-M制冷機實物圖。在假設熱端溫度為 300 K、冷端溫度為30 K情況下，單級G-M制冷機樣機的制冷量及各種損失計算見表2。

表1　制冷機的結構參數(shù)

圖2　試制的單級G-M制冷機實物圖

表2　制冷機的制冷量和各種損失計算（單位：W）

從表2可以看出，G-M制冷機的主要冷量損失是示功圖損失和回熱損失，二者損失之和占總冷量損失的79.1%。而且回熱損失會隨著制冷溫度的降低而迅速增大，甚至可以達到總冷量損失的60%以上［6］。因此可以從減少示功圖損失（通過優(yōu)化進排氣閥相位角、降低流動阻力損失等）和提高回熱器效率兩方面著手，進一步提高制冷機的有效制冷量。

2　測試平臺及方法

2.1測試平臺

本測試平臺由壓縮機系統(tǒng)、制冷機系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、制冷量測量系統(tǒng)和真空系統(tǒng)組成，具體如圖3所示［7-8］。壓縮機采用的是南京柯德KDC6000氦壓縮機，配備一套冷水機組用于冷卻壓縮機。高壓進氣、低壓回氣管路之間安裝了一個DW6微量調節(jié)針型閥，用于調節(jié)高、低壓力。低壓回氣端安裝了氦氣流量計，用于觀察測試過程中制冷機耗氣量的變化情況。溫度控制儀可以自動采集溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并實時顯示冷頭溫度的讀數(shù)。通過控制環(huán)形加熱器的加熱功率來實現(xiàn)制冷量的測量。機械真空泵用于在實驗前對系統(tǒng)進行抽真空處理，盡量減少真空杜瓦中氣體對流和導熱造成制冷機冷頭的冷量損失，真空度通過電阻真空計的讀數(shù)顯示。

圖3　單級G-M制冷機性能測試平臺

2.2測試儀器和設備

南京柯德KDC6000氦壓縮機，AK-LUGB-32氦氣流量計，Lake Shore RF-100銠鐵電阻溫度傳感器，SRS溫度控制儀，KEITHY2000數(shù)字萬用表，KYKY RVP-6機械真空泵，ZDR-I電阻式真空計。

其中氦氣流量計的測量范圍為（15～150）m3/h，精度為±1%；銠鐵電阻溫度傳感器的測量范圍為（1～300）K，精度為±10 mK；電阻真空計的測量范圍為（10-1～105）Pa，精度為±15%。

2.3測試方法

2.3.1制冷溫度的測量

制冷溫度的測量［9-10］是通過將溫度傳感器與溫度控制儀相連接，由溫度控制儀采集溫度傳感器輸出的電壓信號后轉換成相對應的溫度值，并實時顯示出某一狀態(tài)點穩(wěn)定后的溫度值。

溫度傳感器采用四線制接法，并采用DGH型高精度恒流源為其提供1mA恒定工作電流。同時為了減少測溫誤差，特別加工了紫銅熱沉并使用螺釘將其固定在冷頭上。溫度傳感器的溫度探頭插入安裝到熱沉小孔中，并在其表面涂抹Al2O3粉末和真空脂混合物，保證溫度探頭與熱沉的緊密接觸及傳熱效果。

2.3.2制冷量的測量

制冷量的測量使用熱平衡原理。當制冷機降溫至最低制冷溫度并保持一段時間后，使用穩(wěn)壓電源給環(huán)形加熱器提供一個給定工作電壓，待冷頭溫度穩(wěn)定后，讀取加熱器兩端的電壓和電流，計算出的加熱功率就是該穩(wěn)定溫度下制冷機的制冷量。

環(huán)形加熱器安裝在冷頭底部，并在兩者的接觸面上加裝銦片以保證傳熱效果。同時為了減少測量誤差，采用四線法來測量加熱器兩端的溫度和電流。

3　測試結果及分析

本次制冷機性能測試條件為：采用 KDC6000氦壓縮機，輸入功率為6.5 kW，PH為2.3 MPa，PL為0.6 MPa，電機轉速為60 r/min，開機前對制冷機抽真空至2.0 Pa以下。回熱器填充材料分別采用：1）980片規(guī)格為 250目的單一磷青銅網(wǎng)；2）705片規(guī)格為250目的磷青銅網(wǎng)加600 g直徑為0.28 mm的鉛球。

3.1制冷機的降溫曲線

在無負荷、初始溫度為290.6 K的情況下，以2 min為間隔測得采用不同蓄冷材料時的制冷溫度隨機組運行時間的關系曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，采用單一磷青銅網(wǎng)和（磷青銅網(wǎng)+鉛球）作為蓄冷材料時，制冷機的降溫時間、降溫速率并無明顯差別，但采用（磷青銅網(wǎng)+鉛球）時獲得了更低的制冷溫度。

采用單一磷青銅網(wǎng)作為蓄冷材料時，在前24 min內(nèi)制冷機以10.74 K/min的平均降溫速率近似線性地降溫至 33 K左右，之后冷頭進入緩慢降溫過程，在35 min左右進入溫度穩(wěn)定階段，穩(wěn)定的最低制冷溫度為 23.5 K。采用（磷青銅網(wǎng)+鉛球）復合蓄冷材料時，在前 26 min內(nèi)制冷機以10.09 K/min的平均降溫速率降溫至28 K左右，在38 min左右取得穩(wěn)定的最低制冷溫度為19.2 K。

圖4　制冷機降溫曲線圖

3.2制冷機的制冷量曲線

在冷頭溫度降至最低并保持1 h后，開啟加熱器進入熱負載過程。通過調節(jié)加熱功率，測得采用不同蓄冷材料時的某一穩(wěn)定制冷溫度下的制冷量曲線，如圖5所示。從圖5可以看出，采用不同蓄冷材料會對制冷量產(chǎn)生很大的影響，采用（磷青銅網(wǎng)+鉛球）復合蓄冷材料在40 K溫區(qū)以下有更大的制冷量，但在 40 K溫區(qū)以上采用單一磷青銅網(wǎng)反而能獲得較大的制冷量。而且由于各種冷量損失的存在，制冷量與制冷溫度之間并不是線性關系，而是隨著制冷溫度的上升，制冷量的增長速率逐漸降低。

圖5　制冷量隨制冷溫度變化曲線圖

采用單一磷青銅網(wǎng)作為蓄冷材料時，制冷機在30 K時的制冷量為31.7 W，在77 K時的制冷量為128.3 W。采用（磷青銅網(wǎng)+鉛球）復合蓄冷材料時，制冷機在 30 K和 77 K制冷溫度下分別獲得了38.8 W和119.5 W的制冷量。

從以上測試結果可知，由磷青銅網(wǎng)和鉛球組成的復合蓄冷材料可以使得制冷機的最低制冷溫度到達 20 K以下，而采用單一磷青銅網(wǎng)只能達到約24 K的最低制冷溫度。在40 K以下的溫度區(qū)間，前者的制冷性能要優(yōu)于后者，這是因為在溫度低于50 K時，磷青銅網(wǎng)的容積比熱會迅速下降，而此時鉛球的容積比熱會大于磷青銅網(wǎng)，在這個溫區(qū)內(nèi)鉛球有更強的儲熱及換熱能力。但由于鉛球在 50 K溫區(qū)以上的容積比熱要遠小于磷青銅網(wǎng)，導致制冷機在該溫區(qū)的制冷能力有所下降。

4　總結和展望

高溫超導技術的發(fā)展對大冷量單級 G-M制冷機的研制提出了迫切需求。在數(shù)值計算結果的指導下，研制的制冷機樣機在采用（磷青銅網(wǎng)+鉛球）復合蓄冷材料的情況下可以達到 19.2 K的最低制冷溫度，在30 K、77 K時可以分別提供38.8 W、119.5 W 的制冷量，基本符合了設計目標要求。為了進一步提高制冷機的制冷性能，可以從優(yōu)化制冷機結構及運行參數(shù)、優(yōu)化鉛球和磷青銅網(wǎng)的填充比例等方面開展下一步的工作，研制出完全符合設計目標要求的大冷量單級G-M制冷機。

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Development and Performance Test of 40 W/30 K Single Stage G-M Cryocooler with Large Refrigerating Capacity

ZHU Jian-min*1， SHI Jun-ye1， CHEN Jiang-ping1， ZHANG Jin-xi2
（1-Institute of Refrigeration and Cryogenics， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China；2-Warm Refrigeration Equipment（Shanghai）Corporation， Shanghai 201401， China）

In order to satisfy the cooling demand of high temperature superconducting devices， the theoretical calculation， structure design and refrigeration performance test in 40 W/30 K single stage G-M cryocooler with large refrigerating capacity have been carried on in this paper. By using the composite regenerative material consist of phosphor bronze mesh and lead ball， the test result indicated that the prototype of G-M cryocooler can obtain a lowest refrigeration temperature of 19.2 K and offer a refrigerating capacity of 38.8 W in 30K， and it has been basically accorded with the design goal.

G-M cryocooler； Large refrigerating capacity； Single stage； Composite regenerative material

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.107

*朱建民（1990-），男，在讀碩士研究生。研究方向：制冷與低溫。聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)東川路800號，郵編：200240。

聯(lián)系電話：15102133372。Email：782228561@qq.com。