40 W/30 K大冷量单级G-M制冷机的研制及性能测试

朱建民，施骏业，陈江平，张金喜

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-沃姆制冷设备（上海）有限公司，上海 201401）

40 W/30 K大冷量单级G-M制冷机的研制及性能测试

朱建民*1，施骏业1，陈江平1，张金喜2

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-沃姆制冷设备（上海）有限公司，上海 201401）

为满足高温超导设备的冷却需求，本文对40 W/30 K大冷量单级G-M制冷机进行了理论计算、结构设计和制冷性能测试。测试结果表明，在采用磷青铜网和铅球组成的复合蓄冷材料时，研制的制冷机样机可以获得19.2 K的最低制冷温度，在30 K时能提供38.8 W的制冷量，基本符合了设计目标要求。

G-M制冷机；大冷量；单级；复合蓄冷材料

0　引言

G-M制冷机是由GIFFORDW E和MCMAHONH O［1-2］在1959年发明的一种小型低温回热式气体制冷机。自从面世以来，就因为它具有结构简单、性能稳定、运转可靠、使用寿命长等优点，被广泛应用到低温真空泵、核磁共振成像仪、低温电子学、强电超导等需要稳定低温条件的场合。特别是随着高温超导技术在电工领域日益广泛的应用，诸如高温超导变压器、高温超导限流器、高温超导输电电缆等，对工作在（20～40）K温区并能提供（20～100）W制冷量的G-M制冷机提出了迫切的需求［3］。但常规的单级G-M制冷机只能提供（10～60）W/77 K制冷量和30K最低制冷温度，无法满足用于高温超导磁体冷却的需要。因此，本文的目标是设计出制冷量为 40 W/30 K、 130 W/77 K，最低制冷温度小于 20 K的大冷量单级G-M制冷机，并对试制样机进行性能测试。

1　G-M制冷机设计

1.1制冷机的结构介绍

图1为单级G-M制冷机的结构简图。G-M制冷机主要由压缩机组（包括氦气压缩机、低压储气罐、高压储气罐和冷却器），膨胀机（包括气缸和推移活塞），配气机构（包括驱动机构、进气阀和排气阀），回热器和冷头换热器组成。压缩机组的部件之间通过管道相连接，膨胀机的气缸和推移活塞通过活塞环来密封配合，防止冷热腔间的气体发生串气。进、排气阀都处于室温下，由机械/气压驱动控制其启闭，用来控制通过回热器与膨胀机的气流、循环压力及容积。推移活塞的上下移动由一个小曲轴控制，它和进、排气阀的控制机构组合在一起，由一个微型电动机带动。进排气阀的开启和关闭与推移活塞的移动位置之间按照一定的相位角配合，以保证制冷机的热力循环。回热器内填充磷铜网、铅球等蓄冷材料，冷热气流周期性交替地通过它，实现冷热气流的热量交换。冷头换热器起到输出冷量的作用［4］。

图1　单级G-M制冷机结构简图

1.2制冷机的结构参数

G-M 制冷机的设计计算主要是膨胀机相关尺寸的计算和其他热力参数的选择与计算［5］，经过反复试算和筛选，得到较为理想的单级 G-M制冷机样机的结构参数见表1。图2为试制的单级G-M制冷机实物图。在假设热端温度为 300 K、冷端温度为30 K情况下，单级G-M制冷机样机的制冷量及各种损失计算见表2。

表1　制冷机的结构参数

图2　试制的单级G-M制冷机实物图

表2　制冷机的制冷量和各种损失计算（单位：W）

从表2可以看出，G-M制冷机的主要冷量损失是示功图损失和回热损失，二者损失之和占总冷量损失的79.1%。而且回热损失会随着制冷温度的降低而迅速增大，甚至可以达到总冷量损失的60%以上［6］。因此可以从减少示功图损失（通过优化进排气阀相位角、降低流动阻力损失等）和提高回热器效率两方面着手，进一步提高制冷机的有效制冷量。

2　测试平台及方法

2.1测试平台

本测试平台由压缩机系统、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，具体如图3所示［7-8］。压缩机采用的是南京柯德KDC6000氦压缩机，配备一套冷水机组用于冷却压缩机。高压进气、低压回气管路之间安装了一个DW6微量调节针型阀，用于调节高、低压力。低压回气端安装了氦气流量计，用于观察测试过程中制冷机耗气量的变化情况。温度控制仪可以自动采集温度传感器的数据，并实时显示冷头温度的读数。通过控制环形加热器的加热功率来实现制冷量的测量。机械真空泵用于在实验前对系统进行抽真空处理，尽量减少真空杜瓦中气体对流和导热造成制冷机冷头的冷量损失，真空度通过电阻真空计的读数显示。

图3　单级G-M制冷机性能测试平台

2.2测试仪器和设备

南京柯德KDC6000氦压缩机，AK-LUGB-32氦气流量计，Lake Shore RF-100铑铁电阻温度传感器，SRS温度控制仪，KEITHY2000数字万用表，KYKY RVP-6机械真空泵，ZDR-I电阻式真空计。

其中氦气流量计的测量范围为（15～150）m3/h，精度为±1%；铑铁电阻温度传感器的测量范围为（1～300）K，精度为±10 mK；电阻真空计的测量范围为（10-1～105）Pa，精度为±15%。

2.3测试方法

2.3.1制冷温度的测量

制冷温度的测量［9-10］是通过将温度传感器与温度控制仪相连接，由温度控制仪采集温度传感器输出的电压信号后转换成相对应的温度值，并实时显示出某一状态点稳定后的温度值。

温度传感器采用四线制接法，并采用DGH型高精度恒流源为其提供1mA恒定工作电流。同时为了减少测温误差，特别加工了紫铜热沉并使用螺钉将其固定在冷头上。温度传感器的温度探头插入安装到热沉小孔中，并在其表面涂抹Al2O3粉末和真空脂混合物，保证温度探头与热沉的紧密接触及传热效果。

2.3.2制冷量的测量

制冷量的测量使用热平衡原理。当制冷机降温至最低制冷温度并保持一段时间后，使用稳压电源给环形加热器提供一个给定工作电压，待冷头温度稳定后，读取加热器两端的电压和电流，计算出的加热功率就是该稳定温度下制冷机的制冷量。

环形加热器安装在冷头底部，并在两者的接触面上加装铟片以保证传热效果。同时为了减少测量误差，采用四线法来测量加热器两端的温度和电流。

3　测试结果及分析

本次制冷机性能测试条件为：采用 KDC6000氦压缩机，输入功率为6.5 kW，PH为2.3 MPa，PL为0.6 MPa，电机转速为60 r/min，开机前对制冷机抽真空至2.0 Pa以下。回热器填充材料分别采用：1）980片规格为 250目的单一磷青铜网；2）705片规格为250目的磷青铜网加600 g直径为0.28 mm的铅球。

3.1制冷机的降温曲线

在无负荷、初始温度为290.6 K的情况下，以2 min为间隔测得采用不同蓄冷材料时的制冷温度随机组运行时间的关系曲线，如图4所示。从图4可以看出，采用单一磷青铜网和（磷青铜网+铅球）作为蓄冷材料时，制冷机的降温时间、降温速率并无明显差别，但采用（磷青铜网+铅球）时获得了更低的制冷温度。

采用单一磷青铜网作为蓄冷材料时，在前24 min内制冷机以10.74 K/min的平均降温速率近似线性地降温至 33 K左右，之后冷头进入缓慢降温过程，在35 min左右进入温度稳定阶段，稳定的最低制冷温度为 23.5 K。采用（磷青铜网+铅球）复合蓄冷材料时，在前 26 min内制冷机以10.09 K/min的平均降温速率降温至28 K左右，在38 min左右取得稳定的最低制冷温度为19.2 K。

图4　制冷机降温曲线图

3.2制冷机的制冷量曲线

在冷头温度降至最低并保持1 h后，开启加热器进入热负载过程。通过调节加热功率，测得采用不同蓄冷材料时的某一稳定制冷温度下的制冷量曲线，如图5所示。从图5可以看出，采用不同蓄冷材料会对制冷量产生很大的影响，采用（磷青铜网+铅球）复合蓄冷材料在40 K温区以下有更大的制冷量，但在 40 K温区以上采用单一磷青铜网反而能获得较大的制冷量。而且由于各种冷量损失的存在，制冷量与制冷温度之间并不是线性关系，而是随着制冷温度的上升，制冷量的增长速率逐渐降低。

图5　制冷量随制冷温度变化曲线图

采用单一磷青铜网作为蓄冷材料时，制冷机在30 K时的制冷量为31.7 W，在77 K时的制冷量为128.3 W。采用（磷青铜网+铅球）复合蓄冷材料时，制冷机在 30 K和 77 K制冷温度下分别获得了38.8 W和119.5 W的制冷量。

从以上测试结果可知，由磷青铜网和铅球组成的复合蓄冷材料可以使得制冷机的最低制冷温度到达 20 K以下，而采用单一磷青铜网只能达到约24 K的最低制冷温度。在40 K以下的温度区间，前者的制冷性能要优于后者，这是因为在温度低于50 K时，磷青铜网的容积比热会迅速下降，而此时铅球的容积比热会大于磷青铜网，在这个温区内铅球有更强的储热及换热能力。但由于铅球在 50 K温区以上的容积比热要远小于磷青铜网，导致制冷机在该温区的制冷能力有所下降。

4　总结和展望

高温超导技术的发展对大冷量单级 G-M制冷机的研制提出了迫切需求。在数值计算结果的指导下，研制的制冷机样机在采用（磷青铜网+铅球）复合蓄冷材料的情况下可以达到 19.2 K的最低制冷温度，在30 K、77 K时可以分别提供38.8 W、119.5 W 的制冷量，基本符合了设计目标要求。为了进一步提高制冷机的制冷性能，可以从优化制冷机结构及运行参数、优化铅球和磷青铜网的填充比例等方面开展下一步的工作，研制出完全符合设计目标要求的大冷量单级G-M制冷机。

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［2］ GIFFORDWE，MCMAHON HO. A new low temperature gas expansion cycle， Part 1［J］. Adv. in Cryo. Eng.， 1960，5: 360.

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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，在读硕士研究生。研究方向：制冷与低温。联系地址：上海市闵行区东川路800号，邮编：200240。

联系电话：15102133372。Email：782228561@qq.com。