单双级G-M制冷机的实验研究

1、单、双级G-M制冷机的实验研究Experimental Study on Single-stage and Two-stage G-M Cryocoolers董宇国 巨永林 上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240Tel:E-mail:yju摘要：本文主要测定了实验室中已有单级、双级G-M制冷机样机的性能，并对影响G-M制冷机性能参数（包括最低温度和制冷量）的因素作了分析，为进一步提高性能奠定了基础。文中双级G-M制冷机能达到的最低温度是10.6K，20K时的制冷量为10W；单级G-M制冷机能达到的最低温度是35.9K，80K时的制冷量为50W。 关键词

2、：G-M制冷机 最低温度 制冷量 测量 _0 前言 G-M制冷机自1959年由Gifford和 MacMahon提出并研制成功后，因其结构简单、运转可靠等特点，很快就获得了商业化发展。近年来随着高温超导技术在电工领域方面日益广泛的应用，如高温超导限流器、高温超导变压器和高温超导储能系统等方面1，对工作在 30K40K，并可提供 50W100W制冷量的低温制冷机提出了迫切需求。德国和美国等国家的一些知名低温公司都设计开发了满足要求的产品2。我国的一些研究机构也已开始进行大冷量G-M制冷机的研究工作。 本实验室已开发出单级和双级的G-M制冷机，本文对样机进行了最低制冷温度和制冷量的性能测试和研究，

3、为进一步提高单级、双级G-M制冷机性能奠定基础。 1 实验方法及步骤 1.1 实验平台 本实验平台由压缩机系统、制冷机系统、温度测量系统、制冷量测量系统和真空系统组成，共有测量单级和双级G-M制冷机的平台两套。具体如图 1（以单级G-M制冷机为例）。 其中压缩机采用的是改装的日本的ANELVA CRC-870 MK氦压缩机，压缩机与制冷机之间采用金属软管连接，连接处采用自密封接头；制冷机组是自主开发的单、双级G-M制冷机，其中单级G-M制冷机采取气压驱动，双级G-M制冷机采用机械驱动；实验中的温度测量系统由数据采集仪实现采集和显示，并接入计算机，通过LabVIEW软件进行数据的储存和整理；制冷

4、量的测量是通过加热电源和加热片实现的；真空泵对整个系统进行抽真空处理。 1 压缩机组；2 高压进气管；3 低压回气管；4 单级G-M制冷机；5 电加热装置；6 温度测量装置；7 真空分子泵；8 真空罩 图1 G-M制冷机实验平台 1.2 实验仪器和设备 ANELVA CRC-870 MK型氦压缩机，恒河DC100型数据采集仪，Keithy2000万用表，GWINSTEK GPS-2303C直流电源，VARIAN Turbo-V70 真空分子泵。 1.3 实验步骤 1.3.1 制冷温度的测量 为了实时的显示制冷机运行时的制冷温度，本实验室采用恒河数据采集仪和Keithy2000万用表来显示读取制

5、冷过程中的温度值，并通过配套软件和LabVIEW软件在计算机上实现数据的显示和存储。 1.3.2 制冷量的测量 测试制冷量采用的依据是热平衡原理3。在单级G-M制冷机实验中，是在冷头上粘贴微型电阻加热片，通过真空电接头引出接入直流电源。在制冷机到达最低温度后，让电源输出一定功率，在温度稳定后，记录此时加热片上的电压和电流值，从而计算出加热功率，这一功率就是此温度下的制冷量。依次重复测量可得在不同温度时的制冷量。双级G-M制冷机实验不同的就是分别在一级和二级冷头上装了加热片来分别测量一级和二级冷头在要求温度下的制冷量。 2 实验结果及分析 2.1 双级G-M制冷机实验结果及分析 本实验室的双级G

6、-M制冷机采取机械式驱动方式，具体结构参数如表1、2。 表1 二级G-M制冷机（一级）的结构参数 气缸 内径 mm58壁厚 mm1长度 mm192活塞 行程 mm36内径 mm50蓄冷器 长度 mm86填料 mm200目磷铜网 表2二级G-M制冷机（二级）的结构参数 气缸 内径 mm25壁厚 mm0.8长度 mm165活塞 行程 mm36内径 mm18和21蓄冷器 长度 mm119填料 mm铅丸 2.1.1 实验结果 在无负荷、真空度为15Pa的情况下，开动压缩机，运行机组，以3 min为间隔测得的制冷机温度（二级冷头温度）随机组运行时间的关系见图2。二级冷头温度降至最低后，开启直流电源开始加

7、热。二级G-M制冷机的制冷量与冷头温度的关系见图3。 从图2可以看出，在运行了40 min后，降温速率明显加快，在60 min时已经下降到15K左右，然后平缓下降到最低温度10.5K。 图2 制冷温度（二级）随时间变化图 图3 二级冷量随温度变化图 从图中可以看出，二级G-M制冷机在冷头温度是20K时的制冷量大约为10W。 2.1.2 实验分析 本实验室的二级活塞中的蓄冷器填料采用的是0.2 mm的铅丸，二级活塞的两端用铜网封住。铅因其在低温下具有较高的体积热容，在80K温度下被广泛使用作为蓄冷器的填料，甚至温度在低到20K左右时，铅仍比许多其它填料都有高得多的比热容。但随着温度降低，在15K

8、温度以下时，铅的比热容会明显降低。铅在15K以下较低的比热容影响了蓄冷器的换热效率，使得制冷机的温度很难降到10K以下。研究表明，一些磁性材料在温度15K以下时通过磁质转变可以得到比同温区的铅高得多的比热容。图4给出了三种常见的磁性填料与铅和气体氦等的比热容值的比较4。 图4 三种常用的磁性填料的比热容值值 图5 制冷温度（单级）随时间变化图所以，在二级G-M制冷机的进一步实验中，准备在二级蓄冷器中填充磁性材料。现在较常使用的是Er-Ni等材料。此外，汽缸和活塞环的设计和加工技术也是影响制冷机性能的重要因素。 2.2 单级G-M制冷机实验结果及分析 本实验室的新研制的一台采用气压驱动的单级G-

9、M制冷机还在加工过程中，本文的实验样机是在双级G-M制冷机上，去掉第二级活塞和气缸，并用紫铜块将一级气缸封住，改装而成的单级G-M制冷机。我们在第一级蓄冷器中单一填充了磷青铜网作为蓄冷材料，样机采用机械驱动。 2.2.1 实验结果 在无负荷、真空度为15Pa时，运行机组，以3 min为间隔测得的制冷温度与运行时间的关系如图5。从图5可以看出，单级G-M制冷机的降温速率很快，在机组运行了约30 min时，制冷温度已降至36.5K左右，然后平缓得降到最低温度35.9K。 单级G-M制冷机的制冷量与冷头温度的关系见图6。 图6 制冷量随制冷温度变化图 在上图中，单级G-M制冷机在80K温度时的制冷量

10、约为50W。 2.2.2 实验分析 本实验的样机是由双级G-M制冷机改装而来的，所以在结构上不尽合理。 （1）冷头结构不合理。本实验中仅仅用紫铜块简单的将一级气缸封住，这样的冷头换热能力不足，换热不充分，从而引起传热损失。在新研发的单级G-M制冷机上，采用了填料型冷头的形式来增强换热。 （2）蓄冷器的容积不足和填料材料。实验中的蓄冷器原为双级G-M制冷机的一级活塞，容积明显不满足大冷量的单级G-M制冷机所要求的蓄冷器容积，所以进一步的实验将采用内径更大，长度更长的活塞来满足大容积蓄冷器的要求；本实验仅仅填充单一的磷铜网，而随着温度的降低，铜的比热容下降很快，则在进一步的实验中，准备混合填充铜网和铅丸。二者的比例也将是一个需要解决的问题。 3 结语 本文通过分析已有的单级、双级G-M制冷机的实验结果，发现仍存在的一些问题，为以后的进一步提高制冷机的性能，为研制出4W/12K双级G-M制冷机和100W/80K单级G-M制冷机打下基础。 参 考 文 献 1. 方志春 苏小陶 龚领会 张亮大冷量单级G-M型制冷机的研制低温工