可能用于超导系统冷却的脉管制冷技术

    1引  言

    在当今科学技术发展中,低温技术常常起着关键作用.小型低温制冷机作为低温技术的重要分支,其应用遍及军事、航空航天、低温电子学、低温医学、气象等诸多领域.目前,低温制冷机存在的主要问题有:可靠性差、效率低以及尺寸、重量、振动和价格等问题,其中可靠性差一直是影响大多数商业应用的最主要问题.造成这些缺陷的症结在于常规的回热式制冷机冷腔中均有移动部件,存在密封材料的磨损现象,限制了其不维修时间的进一步提高.脉管制冷机没有常规回热式制冷机的低温区运动部件,从根本上解决了常规回热式低温制冷机普遍存在的冷腔振动、磨损等突出问题,可望实现长寿命运行,因而在空间技术、超导应用、通讯、电力等高科技领域中有着巨大的应用潜力.自二十世纪八十年代小孔型脉管制冷机发明以来,先后出现了双向进气型、双活塞型、四阀型、主动气库型等多种方式,其性能也随着脉管热端调相机构的改进而不断提高.目前,单级及多级脉管制冷机的整机性能已可以与G-M、Stirling制冷机相媲美,并逐步进入了实用化阶段.本文将主要介绍浙江大学制冷与低温研究所在脉管制冷领域的最新成果.

    2单级脉管制冷机研究

    脉管制冷机中的工作流体以交变流动为特征.当脉管制冷机处于双向进气模式工作时,在流经脉管、回热器的闭合回路中会引起直流.直流的存在不仅增加了冷端换热器负载,降低制冷机的性能,同时还是引起制冷温度不稳定的重要原因.因此,直流的控制和调节对于提高脉管制冷机性能具有十分重要的意义.我们利用双向进气阀流量系数的方向性,采用两个并联排列、指示箭头方向相反的阀门,称之为/双阀双向进气结构0对直流进行控制,成功地解决了脉管制冷机地直流问题,并在自行研制的单级脉管制冷机上获得了理想的制冷性能.图1给出了该制冷机的结构简图,图中DIV1为阀门箭头指向从回热器到脉管,DIV2则相反.图2给出了不同压缩机驱动时的制冷量曲线.用Leybold RW2(额定输入功率1.7kW)和Leybold CP4000(额定输入功率4.0 kW)压缩机驱动时分别获得了18.4K和14.7K的最低制冷温度,对应在30K的制冷量为11.5W和29.5W.从目前公开发表的文献上看,14.7K是目前单级脉管制冷机获得的最低制冷温度记录[1].此外,我们还采用了6kW压缩机CP6000对制冷机性能进行了实验研究,从图2可以看出,此时制冷机性能与采用CP4000时相比,几乎没有什么提高,这时由于采用CP6000驱动,气量过大,导致脉管内压比过高,压缩气体无法完全膨胀的缘故,其对应的COP迅速降低.

    3二级脉管制冷机研究与应用

    在过去几年中,4K脉管制冷机的制冷性能有了较大提高.美国APD-SHI公司生产的脉管制冷机在压缩机输入功率为7kW时在4.2K温度下有1W制冷量,同时在48K温度下有30W制冷量.4.2K时的COP为1.43×10^-4[2].美国Cryomech公司的脉管制冷机在压缩机输入功率为8kW时在4.2K温度下获得1.05W制冷量,同时在56K温度下有28W制冷量,4.2K时相应的COP为1.31×10^-4[3].相对于那些设计精良的4.2K G-M制冷机,4K脉管制冷机的COP偏低.我们试图从其他类型4K制冷机发展中寻找规律以便提高脉管制冷机的效率.研究发现,4K G-M与索尔文制冷机的性能改善不仅在于采用了低温下高比热的磁性回热材料,而且还来自其核心部件及操作参数优化等方面.为此,我们首先完善了脉管制冷机性能评价标准,发展了以目标函数为基础的脉管制冷机性能优化方法,之后系统地研究了液氦温区脉管制冷机的频率特性、压力特性、脉管制冷机内部质量分布规律以及进排气时序特性等,取得了突破性进展[4~6].图3给出了二级脉管制冷机及其冷却的超导约瑟夫逊效应电压标准的结构简图.图4给出了该制冷机第一、二级分别带有30W,500mW的情况下结合频率优化的脉管制冷机冷量负荷图,此时制冷机的工作频率为1.2Hz.我们分别在70K和4.2K获得了30W和500mW的制冷量.2001年,与德国专家合作,在国际上首次采用二级脉管制冷机直接冷却由8192个超导约瑟夫逊结组成的电压标准,获得成功[7].在驱动微波频率为75GHz的条件下,获得了1.27V稳定的电压,其步宽及临界电流分别为0.7和1.9mA.最近,通过脉管制冷机冷端换热器的结构优化,我们大幅度提高了液氦温区脉管制冷机的性能.在第一级没有制冷负荷时,相同脉管制冷机在4.2K温度下的制冷量由390mW增加到760mW.4.2K下的COP相应的提高到1.58×10^-4,优于目前市售同类二级脉管制冷机达20%.通过提高系统的氦平均压力,在第一级没有负荷和第一级负荷为5W的情况下制冷机在4.2K的制冷量分别达到了900mW和960mW(见图5).图6给出了最新4K脉管制冷机和4KG-M制冷机之间的COP比较,图中可见4K脉管制冷机在4.2K温度下的COP已经可以和4KG-M制冷机的COP相媲美,这无疑将进一步拓展脉管制冷机的潜在应用范围.