國內(nèi)大冷量G-M制冷機的研究與開發(fā)現(xiàn)狀

朱建民，施駿業(yè)，陳江平，張金喜

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

國內(nèi)大冷量G-M制冷機的研究與開發(fā)現(xiàn)狀

朱建民*1，施駿業(yè)1，陳江平1，張金喜2

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

隨著高溫超導(dǎo)、空間環(huán)境模擬等技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，對能提供大制冷量的高性能G-M制冷機提出了迫切需求。本文從制冷機結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新型蓄冷材料應(yīng)用、制冷機運行參數(shù)優(yōu)化等方面總結(jié)了國內(nèi)大冷量G-M制冷機的研究與開發(fā)進展，旨在為下一步的研究與開發(fā)工作提供參考。

大冷量；G-M制冷機；冷頭換熱器；蓄冷器

0　引言

G-M制冷機是由Gifford W E和McMahon H O［1-2］在1959年發(fā)明的一種低溫回?zé)崾綒怏w制冷機，具有結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)可靠、性能穩(wěn)定、操作方便、使用壽命長等優(yōu)點，是國際上唯一得到工業(yè)化大批量生產(chǎn)的低溫制冷機。它被作為小型低溫冷源廣泛應(yīng)用于低溫真空泵、低溫電子學(xué)、核磁共振成像儀、強電超導(dǎo)等需要穩(wěn)定低溫條件的場合。尤其是隨著近年來高溫超導(dǎo)技術(shù)在電工領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用，如高溫超導(dǎo)變壓器、高溫超導(dǎo)限流器、高溫超導(dǎo)輸電電纜、高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)等，對工作在 20 K～40 K溫區(qū)并能提供20 W～100 W制冷量的大冷量G-M制冷機提出了迫切的需求［3］。

國外在20世紀90年代就開始了大冷量低溫制冷機的研究與開發(fā)工作，因此關(guān)于大冷量G-M制冷機的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝已經(jīng)臻于成熟。德國Leybold公司，美國Cryomech、CTI、CVI公司,日本住友公司等國外主要低溫制冷機廠家的相關(guān)商業(yè)化產(chǎn)品見表1。我國對G-M制冷機的理論研究已基本與世界水平相當(dāng)，但由于基礎(chǔ)實驗設(shè)備、設(shè)計手段和基礎(chǔ)工藝水平的限制，在大冷量G-M制冷機的研制方面與國外仍有較大差距。因此有必要對我國G-M制冷機的研究與開發(fā)進展進行總結(jié)，為大冷量G-M制冷機下一步的研究與開發(fā)工作提供參考和建議。

表1　國外主要大冷量G-M制冷機的性能

1　G-M制冷機簡介

圖1為單級G-M制冷機的結(jié)構(gòu)［4］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、冷卻器），膨脹機（包括氣缸、推移活塞），配氣機構(gòu)（包括驅(qū)動機構(gòu)、進氣閥、排氣閥），蓄冷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，進、排氣閥都處于室溫下，由機械/氣壓驅(qū)動控制其啟閉，以控制通過蓄冷器與膨脹機的氣流、循環(huán)壓力及容積。蓄冷器內(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，起到貯存和回收冷量的作用。冷頭換熱器的作用是輸出冷量。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。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(gòu)組合在一起，由一個微型電動機帶動。進排氣閥的開啟和關(guān)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)。

圖1　單級G-M制冷機結(jié)構(gòu)簡圖

G-M 制冷機是通過西蒙膨脹（絕熱放氣原理）來實現(xiàn)制冷的，其理想熱力循環(huán)［5］可以分為4個過程：絕熱升壓、等壓進氣、絕熱放氣和等壓排氣。其中西蒙膨脹產(chǎn)生冷量，蓄冷器起到實現(xiàn)冷熱氣流間換熱的作用，以獲得盡可能低的制冷溫度，同時活塞往復(fù)移動控制冷腔體積變化及壓力波動之間的相位，以獲得盡量大的制冷量。但由于實際循環(huán)中各種冷量損失的存在，使得G-M制冷機的實際制冷量低于理想工況，同時降低了制冷效率。

2　G-M制冷機研發(fā)進展

從80年代初開始，我國對G-M制冷機開展了一系列理論、實驗和應(yīng)用研究工作，并取得了一定的成果。在理論研究方面，中科院低溫技術(shù)研究中心和西安交通大學(xué)等［6-10］針對液氦溫區(qū)G-M制冷機，特別是其低溫蓄冷器具有的與常規(guī)蓄冷器的迥異特性，進行了深入的熱力過程分析及數(shù)值計算研究，所得到的諸多有價值的結(jié)論成功地指導(dǎo)了高性能液氦溫區(qū)G-M制冷機的研制，也為大冷量G-M制冷機的研制提供了參考方向。在實驗研究方面，經(jīng)過幾年的研究發(fā)展，使二級G-M制冷機的最低制冷溫度達到了2.6 K，制冷量達到580 mW/4.2 K。在應(yīng)用研究方面，近些年國內(nèi)開展了液氦溫區(qū)G-M制冷機用作低溫回?zé)岵牧媳葻崛轀y量的冷源、大冷量G-M制冷機應(yīng)用于高溫超導(dǎo)磁體的冷卻等研究。

為了滿足實際應(yīng)用的需求，目前主要采用以下方法來提高單、雙級G-M制冷機的制冷量及制冷性能：1）改進制冷機結(jié)構(gòu)，包括改進冷頭換熱器的結(jié)構(gòu)及材料、改進蓄冷器的結(jié)構(gòu)及布置方式、改進低溫活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)及密封方式、改進配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及控制方式等；2）采用新型磁性蓄冷材料，優(yōu)化蓄冷材料填充形式；3）優(yōu)化壓縮機轉(zhuǎn)速、運行壓力、運行頻率等運行工況。下面將從不同研發(fā)方向?qū)鴥?nèi)大冷量G-M制冷機的研究進展進行總結(jié)，為后續(xù)工作提供方向性的參考。

2.1冷頭換熱器性能優(yōu)化

冷頭換熱器是G-M制冷機對外輸出冷量的關(guān)鍵部件，其不完全換熱損失是G-M制冷機的主要冷量損失之一，研究表明液氦溫區(qū)下冷頭換熱器的換熱不完善所引起的制冷量損失可高達43%［11］，故其換熱性能的優(yōu)劣會直接影響到制冷機冷量的輸出，在設(shè)計中至關(guān)重要。目前國內(nèi)從換熱器結(jié)構(gòu)、材料、焊接工藝等方面進行了一系列研究工作，研制出了幾種不同結(jié)構(gòu)類型的新型冷頭換熱器。

2.1.1填料型冷頭換熱器

由于填料型冷頭換熱器采用多孔填充介質(zhì)構(gòu)成換熱表面，其比換熱表面積很大，可以提高換熱效率及結(jié)構(gòu)緊湊性，有利于減少制冷機的流阻損失從而使制冷量得到充分釋放。

方良等［12］設(shè)計開發(fā)出填料型冷頭換熱器，通過將其安裝在氣缸冷端和蓄冷器之間的連接管路上，在一臺蓄冷器外置式單級G-M制冷機上進行了初步實驗，在100 min內(nèi)將溫度降到30 K以下，在20 K可提供4.4 W的制冷量，相當(dāng)于常規(guī)冷頭換熱器的雙級G-M制冷機的效果，且其流動阻力比相應(yīng)的間隙換熱器小。

方志春等［13］通過采用填料導(dǎo)熱型換熱器，經(jīng)理論計算優(yōu)化蓄冷器中磷青銅網(wǎng)和鉛球的填充比例，在單級G-M制冷機上得到了17 K的最低制冷溫度，30 K時可提供27 W的制冷量。

孫衛(wèi)佳等［14］采用新型的填料燒結(jié)型換熱器作為脈沖管制冷機的冷頭，在減少固體導(dǎo)熱熱阻的同時保證了較高的填充率，大大提高了冷端換熱效率（見圖2）。使制冷機每溫升1.5 K約有1 W的制冷量，在80 K時的制冷量為35 W，而常規(guī)冷頭換熱器的脈管制冷機需每溫升2 K才有1 W的制冷量，在80 K時的制冷量只有25 W。

圖2　填料型冷頭換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

董宇國等［15］設(shè)計加工了一種用于單級大冷量G-M制冷機的填料型冷頭換熱器，與上述冷頭換熱器不同的是，該冷頭換熱器是在紫銅制作的冷頭中填充環(huán)形紫銅網(wǎng)，與推移活塞配合，通過活塞的小孔縫隙和100目紫銅網(wǎng)強化了換熱（見圖3）。

圖3　環(huán)形填料型冷頭換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2狹縫式冷頭換熱器

對于大冷量G-M制冷機，采用常規(guī)的狹縫式冷頭換熱器會出現(xiàn)單位面積熱負荷過大，導(dǎo)致傳熱溫差變大而使冷量不能有效地傳輸出來，使制冷量大大減低。因此必須采取措施來增加其換熱面積，減少傳熱溫差。

遲永偉等［16］設(shè)計了一種新型狹縫式冷頭換熱器，在將冷頭內(nèi)部做成網(wǎng)孔或粉末燒結(jié)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在冷頭上線切割出多道環(huán)形狹縫，使換熱面積比以往結(jié)構(gòu)有所增加（見圖 4）。采用該冷頭換熱器的單級G-M制冷機取得的最低溫度為20 K，在30 K時的制冷量為20 W。

圖4　環(huán)形狹縫式冷頭換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

何超峰等［17］設(shè)計了一種縫隙式冷頭換熱器，可以保證足夠的換熱面積，但由于該結(jié)構(gòu)形式熱阻較大，造成換熱器上溫差偏大，冷頭換熱器不完全換熱損失較大。針對以上問題，何超峰等通過減少溫差集中的收縮段長度、重新設(shè)計狹縫布置方式等措施，增大了換熱面積的同時減小了冷頭換熱器的熱阻，并使得換熱溫差小于設(shè)計溫差 0.8 K，保證了制冷機冷量的充分利用（見圖5）。

圖5　改進前/后縫隙式冷頭換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.3減少冷頭的導(dǎo)熱熱阻

陳國邦等［18］在傳統(tǒng)制冷機冷頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將冷頭和膨脹空間氣缸壁做成一體，或者采用銅制帶翅片的排出器頭和帶翅片的冷頭結(jié)構(gòu)。計算表明，這兩種冷頭結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率分別為改進前的4.2倍和10.7倍，在 4.2 K時制冷機的實測制冷量分別為2.7 W和3.0 W。

席有民等［19］提出了一種爆炸焊銅-不銹鋼復(fù)合材料與激光焊結(jié)合的冷頭焊接工藝（見圖 6），解決了高熱導(dǎo)率的銅制冷缸堵頭與薄壁不銹鋼冷缸的焊接難題，在提高焊接合格率的同時減少了冷頭導(dǎo)熱熱阻。

圖6　冷缸堵頭用爆炸焊復(fù)合材料

2.2蓄冷器性能優(yōu)化

蓄冷器（也稱回?zé)崞鳎┦荊-M制冷機中實現(xiàn)冷熱氣流熱量交換的關(guān)鍵部件，通過它傳遞的熱量要比制冷機自身的制冷量大（10～50）倍，其回?zé)釗p失更是制冷機最主要的冷量損失，因此蓄冷器性能的優(yōu)劣對G-M制冷機性能起著決定性的影響，必須保證蓄冷器效率在99%以上。為了提高蓄冷器的性能，國內(nèi)主要從蓄冷器結(jié)構(gòu)及布置方式的改進、新型磁性蓄冷材料及填料配比研究、內(nèi)部流動特性研究及優(yōu)化等方面開展了一系列研究工作。

2.2.1蓄冷器結(jié)構(gòu)及布置方式的改進

內(nèi)置式填料型蓄冷器是G-M制冷機中使用最廣泛的蓄冷器類型，該類型蓄冷器是在推移活塞內(nèi)部空間放入金屬網(wǎng)片、鉛球等蓄冷材料，與活塞形成了一體化結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點。但蓄冷材料填充量受到活塞尺寸的限制，制冷量的提升及內(nèi)部流動特性研究等工作難以得到突破，為此國內(nèi)學(xué)者對不同結(jié)構(gòu)類型的蓄冷器進行了研究。

陳曦等［20］根據(jù)填料填充方式的不同，將填料型回?zé)崞鞣譃閷盈B金屬絲網(wǎng)式、平行金屬絲式、堆疊金屬珠式、平行金屬片式、隨機絲式、金屬絲網(wǎng)和金屬珠混合填充式等六類，總結(jié)對比了不同填充方式回?zé)崞鞯膬?yōu)缺點，并提出了一種新型徑軸向混合填充式結(jié)構(gòu)回?zé)崞?，可同時降低軸向?qū)釗p失和流動阻力損失。

劉立強等［21］研制了一種蓄冷器外置式雙級G-M制冷機，將二級蓄冷器放置在二級活塞與氣缸之外，采用管道連接。同時通過在二級冷頭外增加一個銅套形成雙狹縫冷頭換熱器的形式，克服了蓄冷器外置后帶來的狹縫換熱器換熱面積減少的缺點。實驗顯示，蓄冷器外置式的G-M制冷機最低制冷溫度（5.2 K）已達到液氦溫區(qū)，并具有磁噪音小、流阻小、尺寸可變、便于蓄冷器全面測試的優(yōu)點。

鄭建耀等［22］介紹了一種第二級蓄冷器固定的二級G-M制冷機，第一級活塞置于一級氣缸內(nèi)，第二級蓄冷器固定在一級冷頭下部，并與平行配置的二級氣缸及推移活塞相連。因采用二級蓄冷器靜止的結(jié)構(gòu)形式，避免了往復(fù)運動對外產(chǎn)生磁干擾，有利于在嚴格限制磁干擾的場合下應(yīng)用（見圖7）。

圖7　蓄冷器外置式G-M制冷機

梁文清等［23］研究了一種新型的G-M制冷機，采用可逆間壁式換熱器代替了傳統(tǒng)的蓄冷器（見圖8），通過旋轉(zhuǎn)閥實現(xiàn)周期性配氣，使制冷機的壓力交替變化只發(fā)生在氣缸之內(nèi)，避免了蓄冷器中空容積對制冷效率造成的不利影響，提高了制冷機效率。同時免除了昂貴的高比熱蓄冷材料的使用，大大降低了制冷機成本。

圖8　間壁換熱器式G-M制冷機

王海洲等［24］對采用規(guī)格為 100、150、200和400 目的磷銅網(wǎng)和直徑為0.05、0.10和0.20 mm的鉛球作為填料的單級G-M制冷機回?zé)崞鬟M行了研究，得出了回?zé)崞髦睆?、回?zé)崞鏖L度、銅絲網(wǎng)目數(shù)、鉛球直徑與回?zé)崞餍手g的關(guān)系曲線，可以在特定的回?zé)崞髁鲃雍蛪毫l件下為選擇效率最優(yōu)化的回?zé)崞鞒叽缂疤盍蠀?shù)提供有益的參考。

2.2.2新型磁性蓄冷材料及填充形式的研究

在常規(guī)G-M制冷機［25］中，由于磷青銅網(wǎng)/不銹鋼絲網(wǎng)、鉛球分別在50 K以上、（20～50）K溫區(qū)比其他材料具有更高的單位體積比熱容，故一般分別作為以上兩個溫區(qū)的蓄冷材料。然而在 15 K以下的低溫區(qū)，鉛的單位體積比熱容隨著溫度降低而迅速下降，而氦氣的單位體積比熱容卻逐漸上升，使得蓄冷器效率大大降低，甚至發(fā)生失效，以至于最低制冷溫度難以突破10 K。而且以鉛球為蓄冷材料的蓄冷器在 15 K以下溫區(qū)，回?zé)釗p失會隨溫度降低而迅速增大，導(dǎo)致制冷機性能下降。因此，必須尋找在低溫下具有較大單位體積比熱容的新型蓄冷材料，研究蓄冷材料較優(yōu)的填充形式，保證蓄冷器在整個工作溫區(qū)都具有較高的比熱容峰值。

趙玉強等［26］對七類新型磁性蓄冷材料（簡單稀土金屬間化合物、稀土金屬間偽二元化合物、稀土吸氫化合物、陶瓷磁性蓄冷材料、RTAl類化合物、塊狀金屬玻璃BMGs材料和其他磁性蓄冷材料）進行了調(diào)研和比熱容分析，結(jié)果顯示Er-Ni類稀土金屬間化合物以及它們之間復(fù)合的偽二元化合物是目前實用性較強的低溫高比熱磁性蓄冷材料。

龔領(lǐng)會等［27］在1993年對一級蓄冷器熱端填充約2/3總填充高度的不銹鋼絲網(wǎng)，冷端填充鉛球，二級蓄冷器分別采用Er3Ni和鉛球作為蓄冷材料的雙級G-M制冷機進行了性能實驗，結(jié)果顯示Er3Ni比鉛球的制冷機性能有顯著改善（在60 r/min下，前者二級最低溫度為6.1 K，后者為8.5 K），且Er3Ni制冷機在36 r/min時取得4.28 K的極限溫度。龔領(lǐng)會等［28］在1997年設(shè)計了一臺液氦溫區(qū)雙級G-M制冷機，一級蓄冷器填充250目不銹鋼絲網(wǎng)，二級蓄冷器填充直徑為（0.18～0.35）mm的 ErNi2顆粒，取得了 3.0 K的最低溫度，在 4.2 K的制冷量為515 mW（轉(zhuǎn)速為60 r/min，輸入功率為5.47 kW）。

朱建炳等［29］在 1997年通過對一臺 10 W/20 K雙級G-M制冷機進行結(jié)構(gòu)改進，在一級蓄冷器熱端填充317目不銹鋼絲網(wǎng)，冷端填充少量鉛球，二級蓄冷器熱端填充 1/3蓄冷器體積的直徑為（0.2～0.3）mm的鉛球，冷端填充直徑為（0.3～0.4）mm的Er3Ni顆粒，在轉(zhuǎn)速為40 r/min時，二級最低制冷溫度達5.5 K，取得了5.6 W/10 K、15.4 W/20 K的制冷量。朱建炳等［30］在 1999年對一臺大制冷量兩級G-M制冷機進行了實驗研究，在一級蓄冷器填充317目不銹鋼絲網(wǎng)，冷端填充鉛球，二級蓄冷器熱端填充直徑為（0.2～0.4）mm的Er3Ni顆粒，冷端填充直徑為（0.2～0.4）mm的ErNi2顆粒，在轉(zhuǎn)速為40 r/min時，二級最低制冷溫度達 7.8 K，取得了5.4 W/10 K、14.5 W/20 K的制冷量。

張亮等［31］研制了一臺4.2 K液氦溫區(qū)雙級G-M制冷機，采用200目磷青銅網(wǎng)作為一級蓄冷器填料，二級蓄冷器熱端、冷端填料分別采用直徑為（0.2～0.3）mm的鉛球和ErNi2顆粒，通過對制冷機結(jié)構(gòu)和材料進行反復(fù)試驗和改進，其最低制冷溫度達到2.6 K，制冷量達到580 mW/4.2 K，并成功應(yīng)用到小型超導(dǎo)磁體冷卻和低溫蓄冷材料比熱容測量中。

董宇國等［32］通過在一級蓄冷器填充磷青銅網(wǎng)，二級蓄冷器分別填充ErNi和HoCu2等磁性蓄冷材料，經(jīng)過不同工況的一系列實驗，在轉(zhuǎn)速為60 r/min下，達到了7.2 K的最低制冷溫度和4.3 W/12 K的制冷量。

王莉等［33］建立了較完善的液氦溫區(qū)多層填料型低溫蓄冷器的模擬方法，研究了常用蓄冷材料Pb、Er3Ni、ErNi2、ErNi、ErNi0.9Co0.1等不同組合對制冷機性能的影響，提出了不同填料的最優(yōu)組合確定原則，為合理設(shè)計高性能液氦溫區(qū)低溫蓄冷器提供了參考依據(jù)。

2.2.3內(nèi)部流動特性研究及優(yōu)化

王侖等［34-36］通過理論模型和低溫交變流動蓄冷器流動阻力的動態(tài)測試實驗臺的建立，重點研究了液氮溫區(qū)下蓄冷器交變流動的阻力特性，得出了絲網(wǎng)目數(shù)、充氣壓力、運行頻率等參數(shù)對蓄冷器流動阻力的作用，并給出了低溫交變流動蓄冷器的壓降因子和液氮溫區(qū)交變流動蓄冷器摩擦系數(shù)的擬合公式，為低溫蓄冷器的設(shè)計提供了參考。

沈清清等［37］基于不同絲網(wǎng)孔徑的低溫回?zé)崞髟诓煌\行頻率下的實驗結(jié)果，得到了交變流動回?zé)崞鞯淖枇M合關(guān)聯(lián)式，并結(jié)合其他擬合關(guān)聯(lián)式提出了2個含有無量綱量的關(guān)系式，與相關(guān)擬合關(guān)聯(lián)式的最大相對標準差均小于 5%，可較為準確地預(yù)測不同工況下交變流動回?zé)崞鞯淖枇μ匦浴?/p>

郝熙歡等［38］設(shè)計了一套10 K溫區(qū)雙級G-M制冷機回?zé)崞鞯恼髟?，實驗表明回?zé)崞髦屑友b整流元件有利于改善回?zé)崞鲀?nèi)部的氣流分布，提高制冷機的降溫速率和制冷量，其二級冷端溫度在低于40 K后降溫速度明顯加快，在 12 K時制冷量從2.6 W提高到3.5 W。而且加裝整流元件對制冷機性能提高的影響會隨著氦氣質(zhì)量流量的增加而增大。

2.3低溫活塞環(huán)結(jié)構(gòu)及密封方式的改進

傳統(tǒng)雙級G-M制冷機的二級活塞與氣缸之間一般采用活塞環(huán)密封方式，用來在80 K以下低溫區(qū)防止二級活塞與氣缸壁之間的氣體發(fā)生串氣，引起密封漏氣、穿梭損失等冷量損失，從而影響到制冷機的極限制冷溫度［39］。但這種方式對活塞環(huán)、漲圈和氣缸的加工精度要求很高，制冷機長期運行容易造成活塞環(huán)與氣缸壁間的磨損，使活塞環(huán)密封處產(chǎn)生泄漏。因此必須對低溫活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)及密封方式進行改進，提高G-M制冷機可靠性和制冷性能，而使用迷宮密封方式取代二級活塞環(huán)是目前的研究重點。

王少剛等［40］通過在一臺10 KG-M制冷機的二級活塞外表面均勻車制環(huán)槽，形成了環(huán)槽與二級氣缸內(nèi)壁的迷宮密封結(jié)構(gòu)，代替了傳統(tǒng)的二級活塞環(huán)密封。在一級蓄冷器填充250目磷青銅網(wǎng)，在二級蓄冷器中填充直徑為（0.355～0.45）mm的鉛球，得到了7 K的最低制冷溫度，在20 K時有7.2 W的制冷量，二級冷頭在停止加熱后的復(fù)溫速度很快。說明了直通型迷宮密封方式的有效性，并且通過加長二級活塞長度，增強了密封性的同時增大了二級蓄冷器的蓄冷能力，獲得了較大的制冷量。

圖9　迷宮式密封活塞結(jié)構(gòu)示意圖

上述文獻的迷宮式密封活塞采用膠木外殼和不銹鋼內(nèi)殼制成，可以減少膠木活塞與不銹鋼氣缸壁之間在低溫下由于材料收縮率不同而造成的漏氣間隙，但其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，不利于活塞的加工和裝配。

郝熙歡等［41］設(shè)計了一套不銹鋼迷宮式密封活塞，可以保證其在低溫下與氣缸具有相同的收縮率。通過實驗對比了不銹鋼迷宮式活塞密封、傳統(tǒng)活塞環(huán)密封、玻璃鋼外殼+不銹鋼內(nèi)殼的迷宮式活塞密封對制冷機性能的影響，結(jié)果表明，采用不銹鋼材料的迷宮式活塞在低溫下的密封性能最佳，最低制冷溫度可達14.6 K，在20 K時制冷量有3.7 W；系統(tǒng)充氣壓力對迷宮式活塞密封性能影響較小，但適當(dāng)增加充氣壓力有利提高制冷量。

陸奕驥等［42］在一臺10 K溫區(qū)雙級G-M制冷機上通過改變迷宮密封式活塞槽道的齒形（矩形、正梯形和倒梯形），分析了在雙向運動的直通型迷宮活塞中齒形對制冷機性能的影響。實驗結(jié)果表明，采用矩形槽道的直通型迷宮活塞在低溫下的密封性能最好，制冷機的性能最佳。

丁學(xué)俊等［43］應(yīng)用 Fluent軟件模擬計算了迷宮間隙、齒厚、空腔深度和齒型對迷宮密封流場和泄漏量的影響。計算結(jié)果表明，迷宮密封泄漏量隨著間隙寬度和空腔深度的增加而增大，隨著齒厚的增加而減少；半圓形密封齒的泄漏量最大，其次是弧形齒，在實際應(yīng)用中應(yīng)盡量使用直齒、梯形齒和三角齒。

劉立強等［44］對采用迷宮式活塞密封的液氦溫區(qū)G-M制冷機進行了實驗研究，在迷宮環(huán)槽槽背與氣缸壁間的徑向間隙分別為0.02 mm和0.04 mm的條件下給出了制冷機的降溫和制冷量曲線，指出在0.02 mm～0.06 mm之間存在最佳間隙。

2.4配氣機構(gòu)的控制方式及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

進、排氣閥是G-M制冷機的關(guān)鍵部件之一，其啟閉時間對制冷機的性能有重要影響。傳統(tǒng)控制進、排氣閥的方式，是根據(jù)推移活塞的運動規(guī)律和所試驗的配氣相位角，通過改變偏心輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)來確定最佳進、排氣角，既費時費力又不能進行連續(xù)調(diào)角。目前的旋轉(zhuǎn)配氣閥一般由鋼制閥座與填充聚四氟乙烯的旋轉(zhuǎn)閥芯組成，精度要求較高，在制冷機長期運行時易造成閥芯配氣腔磨損而發(fā)生串氣現(xiàn)象，不利于制冷機的運行可靠性。

張智勇等［45-46］建立了一套使用電磁閥控制G-M制冷機進排氣的軟硬件控制系統(tǒng)，可以方便地連續(xù)調(diào)節(jié)進、排氣角?？刂蒲b置主要包括：測量制冷機進排氣和冷熱腔壓力的壓力測量系統(tǒng)、活塞位移測量系統(tǒng)和電磁閥控制系統(tǒng)。采用電磁閥來調(diào)節(jié)制冷機的配氣角后，只要進、排氣期間的配氣死角大于4°，就不會引起進、排氣之間的串氣。

劉向農(nóng)等［47］根據(jù)G-M制冷機中閥切換式蓄冷器和推移活塞的運動規(guī)律，采用分步式建模和仿真的研究方法研究了進、排氣閥的相位配置特性，仿真結(jié)果表明低壓時進氣閥的提起關(guān)閉和排氣閥的提前開啟影響遠大于高壓情況，應(yīng)著重于低壓過程的相位選擇、控制及優(yōu)化。

嚴善倉等［48］對單級G-M制冷機的不同的壓力波、位移波、組合相位與相應(yīng)的示功圖進行了研究，分析表明當(dāng)壓力和位移分別為鋸齒波和方波，或者都為梯形波時，可形成理想的矩形P-V圖，而實際循環(huán)中最易接近的是梯形壓力和位移波。

蘇小陶等［49］通過采用 ZrO2基高韌性陶瓷材料制備出G-M制冷機的金屬-陶瓷復(fù)合旋轉(zhuǎn)閥座和陶瓷旋轉(zhuǎn)閥芯，代替了傳統(tǒng)的鋼制閥座和聚四氟乙烯旋轉(zhuǎn)閥芯。由于ZrO2基陶瓷具有高強度和良好自潤滑性能，因此大為減少了閥芯配氣腔的磨損，提高了旋轉(zhuǎn)閥摩擦副的氣密性，從而提高了旋轉(zhuǎn)配氣閥的壽命，保證了制冷機的可靠性。

2.5制冷機運行參數(shù)優(yōu)化

G-M 制冷機的運行參數(shù)不僅影響到理論制冷量，同時也影響到制冷機的各類冷量損失，因此必須對運行參數(shù)進行優(yōu)化，以取得最大的實際制冷量以及較高的制冷效率。

閆輝等［50］對制冷機的熱力參數(shù)進行了 fortran編程計算，通過熱力學(xué)分析了高低壓比及運行頻率對制冷機性能的影響。分析結(jié)果指出，當(dāng)高低壓比增大時，理論制冷量增大，同時制冷機效率降低，應(yīng)根據(jù) ε·Qco達到最大值來選擇壓比；當(dāng)循環(huán)頻率增大時，理論制冷量增大，同時循環(huán)質(zhì)量效率降低，循環(huán)頻率一般選擇在2 Hz左右。

方蕾［51］利用模擬仿真的方法研究了壓縮機壓比、工作頻率和平均壓力對回?zé)崞餍阅艿挠绊?。結(jié)果表明，工作頻率一定時，回?zé)崞餍孰S著壓比的增大而升高，但效率增長速率隨著壓比的升高而減緩，效率在壓比大于1.6之后基本已達極限；頻率越高，回?zé)崞餍孰S壓比變化越緩慢，而且頻率對凈制冷量的影響不大；工作頻率一定時回?zé)崞餍孰S著平均壓力的增大先增大后減小，存在最佳平均壓力為（0.5～0.6）MPa。

朱建炳等［29］在一臺雙級G-M制冷機上研究了制冷機轉(zhuǎn)速對無負荷溫度的影響。分析表明，降低轉(zhuǎn)速會減少蓄冷器單位時間處理的氣量，有利于減少流阻和提高制冷機效率，但同時也降低了理論制冷量，因此不同制冷機的一級和二級存在不同的最佳轉(zhuǎn)速。試驗樣機的一級和二級最佳轉(zhuǎn)速分別為50 r/min和40 r/min，相應(yīng)的無負荷溫度分別為36 K和5 K。

郝熙歡等［38］在一臺10 K溫區(qū)雙級G-M制冷機上研究了充氣壓力和輸入功率對制冷機性能的影響。實驗結(jié)果表明，隨著充氣壓力的升高，制冷機的最低制冷溫度逐漸下降，制冷量逐漸提高，樣機最佳充氣壓力范圍為（1.65～1.70）MPa；隨著輸入功率的增大，降溫速率加快，最低制冷溫度下降，制冷量提升，但制冷機效率有所降低，應(yīng)綜合考慮以上性能指標來進行輸入功率和壓比的選取。

除了以上5個主要研究方向外，許多國內(nèi)學(xué)者［52-53］還從壓縮機油分離技術(shù)、新型制冷工質(zhì)的使用、蓄冷器流動及換熱性能模擬仿真等不同方向來提高G-M制冷機的性能，但大都處于研究初始階段，相關(guān)有價值的文獻較少。

3　總結(jié)和展望

高溫超導(dǎo)、空間環(huán)境模擬等技術(shù)的不斷發(fā)展，對大冷量G-M制冷機提出了迫切的需求。為提高G-M制冷機的性能，滿足實際應(yīng)用對制冷量和制冷溫度的要求，國內(nèi)學(xué)者主要從改進制冷機結(jié)構(gòu)、應(yīng)用新型蓄冷材料、優(yōu)化制冷機運行參數(shù)等方面開展了一系列的研究工作。雖然經(jīng)過近些年的發(fā)展，取得了一定的研究成果，但理論研究水平、研發(fā)實驗條件以及工藝制造水平與國外相比還有較大差距，必須在堅持上述方向進一步研究的同時拓寬研究范圍，特別是要注重基礎(chǔ)理論的研究，才能更好地指導(dǎo)大冷量G-M制冷機的研制工作。

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Research and Development Progress of Domestic 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）

Along with the continuous development and application of high temperature superconducting techniques, space environment simulation techniques and so on, the stringent demand of high performance G-M cryocooler that can provide large refrigerating capacity has been presented. In order to provide some reference for the future research and development, the research and development progress of large refrigerating capacity domestic G-M cryocooler has been summarized from the structural optimization of cryocooler, the application of new type regenerative materials, the optimization of operation parameters and other aspects.

Large refrigerating capacity； G-M cryocooler； Cold head heat exchanger； Regenerator

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.202

*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。E-mail：782228561@qq.com。