国内大冷量G-M制冷机的研究与开发现状

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）

国内大冷量G-M制冷机的研究与开发现状

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）

随着高温超导、空间环境模拟等技术的不断发展和应用，对能提供大制冷量的高性能G-M制冷机提出了迫切需求。本文从制冷机结构优化、新型蓄冷材料应用、制冷机运行参数优化等方面总结了国内大冷量G-M制冷机的研究与开发进展，旨在为下一步的研究与开发工作提供参考。

大冷量；G-M制冷机；冷头换热器；蓄冷器

0　引言

G-M制冷机是由Gifford W E和McMahon H O［1-2］在1959年发明的一种低温回热式气体制冷机，具有结构简单、运转可靠、性能稳定、操作方便、使用寿命长等优点，是国际上唯一得到工业化大批量生产的低温制冷机。它被作为小型低温冷源广泛应用于低温真空泵、低温电子学、核磁共振成像仪、强电超导等需要稳定低温条件的场合。尤其是随着近年来高温超导技术在电工领域日益广泛的应用，如高温超导变压器、高温超导限流器、高温超导输电电缆、高温超导储能系统等，对工作在 20 K～40 K温区并能提供20 W～100 W制冷量的大冷量G-M制冷机提出了迫切的需求［3］。

国外在20世纪90年代就开始了大冷量低温制冷机的研究与开发工作，因此关于大冷量G-M制冷机的最优化结构设计和制造工艺已经臻于成熟。德国Leybold公司，美国Cryomech、CTI、CVI公司,日本住友公司等国外主要低温制冷机厂家的相关商业化产品见表1。我国对G-M制冷机的理论研究已基本与世界水平相当，但由于基础实验设备、设计手段和基础工艺水平的限制，在大冷量G-M制冷机的研制方面与国外仍有较大差距。因此有必要对我国G-M制冷机的研究与开发进展进行总结，为大冷量G-M制冷机下一步的研究与开发工作提供参考和建议。

表1　国外主要大冷量G-M制冷机的性能

1　G-M制冷机简介

图1为单级G-M制冷机的结构［4］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、冷却器），膨胀机（包括气缸、推移活塞），配气机构（包括驱动机构、进气阀、排气阀），蓄冷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，进、排气阀都处于室温下，由机械/气压驱动控制其启闭，以控制通过蓄冷器与膨胀机的气流、循环压力及容积。蓄冷器内填充磷铜网、铅球等蓄冷材料，冷热气流周期性交替地通过它，起到贮存和回收冷量的作用。冷头换热器的作用是输出冷量。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。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。

图1　单级G-M制冷机结构简图

G-M 制冷机是通过西蒙膨胀（绝热放气原理）来实现制冷的，其理想热力循环［5］可以分为4个过程：绝热升压、等压进气、绝热放气和等压排气。其中西蒙膨胀产生冷量，蓄冷器起到实现冷热气流间换热的作用，以获得尽可能低的制冷温度，同时活塞往复移动控制冷腔体积变化及压力波动之间的相位，以获得尽量大的制冷量。但由于实际循环中各种冷量损失的存在，使得G-M制冷机的实际制冷量低于理想工况，同时降低了制冷效率。

2　G-M制冷机研发进展

从80年代初开始，我国对G-M制冷机开展了一系列理论、实验和应用研究工作，并取得了一定的成果。在理论研究方面，中科院低温技术研究中心和西安交通大学等［6-10］针对液氦温区G-M制冷机，特别是其低温蓄冷器具有的与常规蓄冷器的迥异特性，进行了深入的热力过程分析及数值计算研究，所得到的诸多有价值的结论成功地指导了高性能液氦温区G-M制冷机的研制，也为大冷量G-M制冷机的研制提供了参考方向。在实验研究方面，经过几年的研究发展，使二级G-M制冷机的最低制冷温度达到了2.6 K，制冷量达到580 mW/4.2 K。在应用研究方面，近些年国内开展了液氦温区G-M制冷机用作低温回热材料比热容测量的冷源、大冷量G-M制冷机应用于高温超导磁体的冷却等研究。

为了满足实际应用的需求，目前主要采用以下方法来提高单、双级G-M制冷机的制冷量及制冷性能：1）改进制冷机结构，包括改进冷头换热器的结构及材料、改进蓄冷器的结构及布置方式、改进低温活塞环的结构及密封方式、改进配气机构的结构及控制方式等；2）采用新型磁性蓄冷材料，优化蓄冷材料填充形式；3）优化压缩机转速、运行压力、运行频率等运行工况。下面将从不同研发方向对国内大冷量G-M制冷机的研究进展进行总结，为后续工作提供方向性的参考。

2.1冷头换热器性能优化

冷头换热器是G-M制冷机对外输出冷量的关键部件，其不完全换热损失是G-M制冷机的主要冷量损失之一，研究表明液氦温区下冷头换热器的换热不完善所引起的制冷量损失可高达43%［11］，故其换热性能的优劣会直接影响到制冷机冷量的输出，在设计中至关重要。目前国内从换热器结构、材料、焊接工艺等方面进行了一系列研究工作，研制出了几种不同结构类型的新型冷头换热器。

2.1.1填料型冷头换热器

由于填料型冷头换热器采用多孔填充介质构成换热表面，其比换热表面积很大，可以提高换热效率及结构紧凑性，有利于减少制冷机的流阻损失从而使制冷量得到充分释放。

方良等［12］设计开发出填料型冷头换热器，通过将其安装在气缸冷端和蓄冷器之间的连接管路上，在一台蓄冷器外置式单级G-M制冷机上进行了初步实验，在100 min内将温度降到30 K以下，在20 K可提供4.4 W的制冷量，相当于常规冷头换热器的双级G-M制冷机的效果，且其流动阻力比相应的间隙换热器小。

方志春等［13］通过采用填料导热型换热器，经理论计算优化蓄冷器中磷青铜网和铅球的填充比例，在单级G-M制冷机上得到了17 K的最低制冷温度，30 K时可提供27 W的制冷量。

孙卫佳等［14］采用新型的填料烧结型换热器作为脉冲管制冷机的冷头，在减少固体导热热阻的同时保证了较高的填充率，大大提高了冷端换热效率（见图2）。使制冷机每温升1.5 K约有1 W的制冷量，在80 K时的制冷量为35 W，而常规冷头换热器的脉管制冷机需每温升2 K才有1 W的制冷量，在80 K时的制冷量只有25 W。

图2　填料型冷头换热器结构示意图

董宇国等［15］设计加工了一种用于单级大冷量G-M制冷机的填料型冷头换热器，与上述冷头换热器不同的是，该冷头换热器是在紫铜制作的冷头中填充环形紫铜网，与推移活塞配合，通过活塞的小孔缝隙和100目紫铜网强化了换热（见图3）。

图3　环形填料型冷头换热器结构示意图

2.1.2狭缝式冷头换热器

对于大冷量G-M制冷机，采用常规的狭缝式冷头换热器会出现单位面积热负荷过大，导致传热温差变大而使冷量不能有效地传输出来，使制冷量大大减低。因此必须采取措施来增加其换热面积，减少传热温差。

迟永伟等［16］设计了一种新型狭缝式冷头换热器，在将冷头内部做成网孔或粉末烧结结构的基础上，在冷头上线切割出多道环形狭缝，使换热面积比以往结构有所增加（见图 4）。采用该冷头换热器的单级G-M制冷机取得的最低温度为20 K，在30 K时的制冷量为20 W。

图4　环形狭缝式冷头换热器结构示意图

何超峰等［17］设计了一种缝隙式冷头换热器，可以保证足够的换热面积，但由于该结构形式热阻较大，造成换热器上温差偏大，冷头换热器不完全换热损失较大。针对以上问题，何超峰等通过减少温差集中的收缩段长度、重新设计狭缝布置方式等措施，增大了换热面积的同时减小了冷头换热器的热阻，并使得换热温差小于设计温差 0.8 K，保证了制冷机冷量的充分利用（见图5）。

图5　改进前/后缝隙式冷头换热器结构示意图

2.1.3减少冷头的导热热阻

陈国邦等［18］在传统制冷机冷头结构的基础上，将冷头和膨胀空间气缸壁做成一体，或者采用铜制带翅片的排出器头和带翅片的冷头结构。计算表明，这两种冷头结构的热导率分别为改进前的4.2倍和10.7倍，在 4.2 K时制冷机的实测制冷量分别为2.7 W和3.0 W。

席有民等［19］提出了一种爆炸焊铜-不锈钢复合材料与激光焊结合的冷头焊接工艺（见图 6），解决了高热导率的铜制冷缸堵头与薄壁不锈钢冷缸的焊接难题，在提高焊接合格率的同时减少了冷头导热热阻。

图6　冷缸堵头用爆炸焊复合材料

2.2蓄冷器性能优化

蓄冷器（也称回热器）是G-M制冷机中实现冷热气流热量交换的关键部件，通过它传递的热量要比制冷机自身的制冷量大（10～50）倍，其回热损失更是制冷机最主要的冷量损失，因此蓄冷器性能的优劣对G-M制冷机性能起着决定性的影响，必须保证蓄冷器效率在99%以上。为了提高蓄冷器的性能，国内主要从蓄冷器结构及布置方式的改进、新型磁性蓄冷材料及填料配比研究、内部流动特性研究及优化等方面开展了一系列研究工作。

2.2.1蓄冷器结构及布置方式的改进

内置式填料型蓄冷器是G-M制冷机中使用最广泛的蓄冷器类型，该类型蓄冷器是在推移活塞内部空间放入金属网片、铅球等蓄冷材料，与活塞形成了一体化结构，具有结构紧凑的特点。但蓄冷材料填充量受到活塞尺寸的限制，制冷量的提升及内部流动特性研究等工作难以得到突破，为此国内学者对不同结构类型的蓄冷器进行了研究。

陈曦等［20］根据填料填充方式的不同，将填料型回热器分为层叠金属丝网式、平行金属丝式、堆叠金属珠式、平行金属片式、随机丝式、金属丝网和金属珠混合填充式等六类，总结对比了不同填充方式回热器的优缺点，并提出了一种新型径轴向混合填充式结构回热器，可同时降低轴向导热损失和流动阻力损失。

刘立强等［21］研制了一种蓄冷器外置式双级G-M制冷机，将二级蓄冷器放置在二级活塞与气缸之外，采用管道连接。同时通过在二级冷头外增加一个铜套形成双狭缝冷头换热器的形式，克服了蓄冷器外置后带来的狭缝换热器换热面积减少的缺点。实验显示，蓄冷器外置式的G-M制冷机最低制冷温度（5.2 K）已达到液氦温区，并具有磁噪音小、流阻小、尺寸可变、便于蓄冷器全面测试的优点。

郑建耀等［22］介绍了一种第二级蓄冷器固定的二级G-M制冷机，第一级活塞置于一级气缸内，第二级蓄冷器固定在一级冷头下部，并与平行配置的二级气缸及推移活塞相连。因采用二级蓄冷器静止的结构形式，避免了往复运动对外产生磁干扰，有利于在严格限制磁干扰的场合下应用（见图7）。

图7　蓄冷器外置式G-M制冷机

梁文清等［23］研究了一种新型的G-M制冷机，采用可逆间壁式换热器代替了传统的蓄冷器（见图8），通过旋转阀实现周期性配气，使制冷机的压力交替变化只发生在气缸之内，避免了蓄冷器中空容积对制冷效率造成的不利影响，提高了制冷机效率。同时免除了昂贵的高比热蓄冷材料的使用，大大降低了制冷机成本。

图8　间壁换热器式G-M制冷机

王海洲等［24］对采用规格为 100、150、200和400 目的磷铜网和直径为0.05、0.10和0.20 mm的铅球作为填料的单级G-M制冷机回热器进行了研究，得出了回热器直径、回热器长度、铜丝网目数、铅球直径与回热器效率之间的关系曲线，可以在特定的回热器流动和压力条件下为选择效率最优化的回热器尺寸及填料参数提供有益的参考。

2.2.2新型磁性蓄冷材料及填充形式的研究

在常规G-M制冷机［25］中，由于磷青铜网/不锈钢丝网、铅球分别在50 K以上、（20～50）K温区比其他材料具有更高的单位体积比热容，故一般分别作为以上两个温区的蓄冷材料。然而在 15 K以下的低温区，铅的单位体积比热容随着温度降低而迅速下降，而氦气的单位体积比热容却逐渐上升，使得蓄冷器效率大大降低，甚至发生失效，以至于最低制冷温度难以突破10 K。而且以铅球为蓄冷材料的蓄冷器在 15 K以下温区，回热损失会随温度降低而迅速增大，导致制冷机性能下降。因此，必须寻找在低温下具有较大单位体积比热容的新型蓄冷材料，研究蓄冷材料较优的填充形式，保证蓄冷器在整个工作温区都具有较高的比热容峰值。

赵玉强等［26］对七类新型磁性蓄冷材料（简单稀土金属间化合物、稀土金属间伪二元化合物、稀土吸氢化合物、陶瓷磁性蓄冷材料、RTAl类化合物、块状金属玻璃BMGs材料和其他磁性蓄冷材料）进行了调研和比热容分析，结果显示Er-Ni类稀土金属间化合物以及它们之间复合的伪二元化合物是目前实用性较强的低温高比热磁性蓄冷材料。

龚领会等［27］在1993年对一级蓄冷器热端填充约2/3总填充高度的不锈钢丝网，冷端填充铅球，二级蓄冷器分别采用Er3Ni和铅球作为蓄冷材料的双级G-M制冷机进行了性能实验，结果显示Er3Ni比铅球的制冷机性能有显著改善（在60 r/min下，前者二级最低温度为6.1 K，后者为8.5 K），且Er3Ni制冷机在36 r/min时取得4.28 K的极限温度。龚领会等［28］在1997年设计了一台液氦温区双级G-M制冷机，一级蓄冷器填充250目不锈钢丝网，二级蓄冷器填充直径为（0.18～0.35）mm的 ErNi2颗粒，取得了 3.0 K的最低温度，在 4.2 K的制冷量为515 mW（转速为60 r/min，输入功率为5.47 kW）。

朱建炳等［29］在 1997年通过对一台 10 W/20 K双级G-M制冷机进行结构改进，在一级蓄冷器热端填充317目不锈钢丝网，冷端填充少量铅球，二级蓄冷器热端填充 1/3蓄冷器体积的直径为（0.2～0.3）mm的铅球，冷端填充直径为（0.3～0.4）mm的Er3Ni颗粒，在转速为40 r/min时，二级最低制冷温度达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年对一台大制冷量两级G-M制冷机进行了实验研究，在一级蓄冷器填充317目不锈钢丝网，冷端填充铅球，二级蓄冷器热端填充直径为（0.2～0.4）mm的Er3Ni颗粒，冷端填充直径为（0.2～0.4）mm的ErNi2颗粒，在转速为40 r/min时，二级最低制冷温度达 7.8 K，取得了5.4 W/10 K、14.5 W/20 K的制冷量。

张亮等［31］研制了一台4.2 K液氦温区双级G-M制冷机，采用200目磷青铜网作为一级蓄冷器填料，二级蓄冷器热端、冷端填料分别采用直径为（0.2～0.3）mm的铅球和ErNi2颗粒，通过对制冷机结构和材料进行反复试验和改进，其最低制冷温度达到2.6 K，制冷量达到580 mW/4.2 K，并成功应用到小型超导磁体冷却和低温蓄冷材料比热容测量中。

董宇国等［32］通过在一级蓄冷器填充磷青铜网，二级蓄冷器分别填充ErNi和HoCu2等磁性蓄冷材料，经过不同工况的一系列实验，在转速为60 r/min下，达到了7.2 K的最低制冷温度和4.3 W/12 K的制冷量。

王莉等［33］建立了较完善的液氦温区多层填料型低温蓄冷器的模拟方法，研究了常用蓄冷材料Pb、Er3Ni、ErNi2、ErNi、ErNi0.9Co0.1等不同组合对制冷机性能的影响，提出了不同填料的最优组合确定原则，为合理设计高性能液氦温区低温蓄冷器提供了参考依据。

2.2.3内部流动特性研究及优化

王仑等［34-36］通过理论模型和低温交变流动蓄冷器流动阻力的动态测试实验台的建立，重点研究了液氮温区下蓄冷器交变流动的阻力特性，得出了丝网目数、充气压力、运行频率等参数对蓄冷器流动阻力的作用，并给出了低温交变流动蓄冷器的压降因子和液氮温区交变流动蓄冷器摩擦系数的拟合公式，为低温蓄冷器的设计提供了参考。

沈清清等［37］基于不同丝网孔径的低温回热器在不同运行频率下的实验结果，得到了交变流动回热器的阻力拟合关联式，并结合其他拟合关联式提出了2个含有无量纲量的关系式，与相关拟合关联式的最大相对标准差均小于 5%，可较为准确地预测不同工况下交变流动回热器的阻力特性。

郝熙欢等［38］设计了一套10 K温区双级G-M制冷机回热器的整流元件，实验表明回热器中加装整流元件有利于改善回热器内部的气流分布，提高制冷机的降温速率和制冷量，其二级冷端温度在低于40 K后降温速度明显加快，在 12 K时制冷量从2.6 W提高到3.5 W。而且加装整流元件对制冷机性能提高的影响会随着氦气质量流量的增加而增大。

2.3低温活塞环结构及密封方式的改进

传统双级G-M制冷机的二级活塞与气缸之间一般采用活塞环密封方式，用来在80 K以下低温区防止二级活塞与气缸壁之间的气体发生串气，引起密封漏气、穿梭损失等冷量损失，从而影响到制冷机的极限制冷温度［39］。但这种方式对活塞环、涨圈和气缸的加工精度要求很高，制冷机长期运行容易造成活塞环与气缸壁间的磨损，使活塞环密封处产生泄漏。因此必须对低温活塞环的结构及密封方式进行改进，提高G-M制冷机可靠性和制冷性能，而使用迷宫密封方式取代二级活塞环是目前的研究重点。

王少刚等［40］通过在一台10 KG-M制冷机的二级活塞外表面均匀车制环槽，形成了环槽与二级气缸内壁的迷宫密封结构，代替了传统的二级活塞环密封。在一级蓄冷器填充250目磷青铜网，在二级蓄冷器中填充直径为（0.355～0.45）mm的铅球，得到了7 K的最低制冷温度，在20 K时有7.2 W的制冷量，二级冷头在停止加热后的复温速度很快。说明了直通型迷宫密封方式的有效性，并且通过加长二级活塞长度，增强了密封性的同时增大了二级蓄冷器的蓄冷能力，获得了较大的制冷量。

图9　迷宫式密封活塞结构示意图

上述文献的迷宫式密封活塞采用胶木外壳和不锈钢內壳制成，可以减少胶木活塞与不锈钢气缸壁之间在低温下由于材料收缩率不同而造成的漏气间隙，但其结构相对复杂，不利于活塞的加工和装配。

郝熙欢等［41］设计了一套不锈钢迷宫式密封活塞，可以保证其在低温下与气缸具有相同的收缩率。通过实验对比了不锈钢迷宫式活塞密封、传统活塞环密封、玻璃钢外壳+不锈钢內壳的迷宫式活塞密封对制冷机性能的影响，结果表明，采用不锈钢材料的迷宫式活塞在低温下的密封性能最佳，最低制冷温度可达14.6 K，在20 K时制冷量有3.7 W；系统充气压力对迷宫式活塞密封性能影响较小，但适当增加充气压力有利提高制冷量。

陆奕骥等［42］在一台10 K温区双级G-M制冷机上通过改变迷宫密封式活塞槽道的齿形（矩形、正梯形和倒梯形），分析了在双向运动的直通型迷宫活塞中齿形对制冷机性能的影响。实验结果表明，采用矩形槽道的直通型迷宫活塞在低温下的密封性能最好，制冷机的性能最佳。

丁学俊等［43］应用 Fluent软件模拟计算了迷宫间隙、齿厚、空腔深度和齿型对迷宫密封流场和泄漏量的影响。计算结果表明，迷宫密封泄漏量随着间隙宽度和空腔深度的增加而增大，随着齿厚的增加而减少；半圆形密封齿的泄漏量最大，其次是弧形齿，在实际应用中应尽量使用直齿、梯形齿和三角齿。

刘立强等［44］对采用迷宫式活塞密封的液氦温区G-M制冷机进行了实验研究，在迷宫环槽槽背与气缸壁间的径向间隙分别为0.02 mm和0.04 mm的条件下给出了制冷机的降温和制冷量曲线，指出在0.02 mm～0.06 mm之间存在最佳间隙。

2.4配气机构的控制方式及结构优化

进、排气阀是G-M制冷机的关键部件之一，其启闭时间对制冷机的性能有重要影响。传统控制进、排气阀的方式，是根据推移活塞的运动规律和所试验的配气相位角，通过改变偏心轮的结构参数来确定最佳进、排气角，既费时费力又不能进行连续调角。目前的旋转配气阀一般由钢制阀座与填充聚四氟乙烯的旋转阀芯组成，精度要求较高，在制冷机长期运行时易造成阀芯配气腔磨损而发生串气现象，不利于制冷机的运行可靠性。

张智勇等［45-46］建立了一套使用电磁阀控制G-M制冷机进排气的软硬件控制系统，可以方便地连续调节进、排气角。控制装置主要包括：测量制冷机进排气和冷热腔压力的压力测量系统、活塞位移测量系统和电磁阀控制系统。采用电磁阀来调节制冷机的配气角后，只要进、排气期间的配气死角大于4°，就不会引起进、排气之间的串气。

刘向农等［47］根据G-M制冷机中阀切换式蓄冷器和推移活塞的运动规律，采用分步式建模和仿真的研究方法研究了进、排气阀的相位配置特性，仿真结果表明低压时进气阀的提起关闭和排气阀的提前开启影响远大于高压情况，应着重于低压过程的相位选择、控制及优化。

严善仓等［48］对单级G-M制冷机的不同的压力波、位移波、组合相位与相应的示功图进行了研究，分析表明当压力和位移分别为锯齿波和方波，或者都为梯形波时，可形成理想的矩形P-V图，而实际循环中最易接近的是梯形压力和位移波。

苏小陶等［49］通过采用 ZrO2基高韧性陶瓷材料制备出G-M制冷机的金属-陶瓷复合旋转阀座和陶瓷旋转阀芯，代替了传统的钢制阀座和聚四氟乙烯旋转阀芯。由于ZrO2基陶瓷具有高强度和良好自润滑性能，因此大为减少了阀芯配气腔的磨损，提高了旋转阀摩擦副的气密性，从而提高了旋转配气阀的寿命，保证了制冷机的可靠性。

2.5制冷机运行参数优化

G-M 制冷机的运行参数不仅影响到理论制冷量，同时也影响到制冷机的各类冷量损失，因此必须对运行参数进行优化，以取得最大的实际制冷量以及较高的制冷效率。

闫辉等［50］对制冷机的热力参数进行了 fortran编程计算，通过热力学分析了高低压比及运行频率对制冷机性能的影响。分析结果指出，当高低压比增大时，理论制冷量增大，同时制冷机效率降低，应根据 ε·Qco达到最大值来选择压比；当循环频率增大时，理论制冷量增大，同时循环质量效率降低，循环频率一般选择在2 Hz左右。

方蕾［51］利用模拟仿真的方法研究了压缩机压比、工作频率和平均压力对回热器性能的影响。结果表明，工作频率一定时，回热器效率随着压比的增大而升高，但效率增长速率随着压比的升高而减缓，效率在压比大于1.6之后基本已达极限；频率越高，回热器效率随压比变化越缓慢，而且频率对净制冷量的影响不大；工作频率一定时回热器效率随着平均压力的增大先增大后减小，存在最佳平均压力为（0.5～0.6）MPa。

朱建炳等［29］在一台双级G-M制冷机上研究了制冷机转速对无负荷温度的影响。分析表明，降低转速会减少蓄冷器单位时间处理的气量，有利于减少流阻和提高制冷机效率，但同时也降低了理论制冷量，因此不同制冷机的一级和二级存在不同的最佳转速。试验样机的一级和二级最佳转速分别为50 r/min和40 r/min，相应的无负荷温度分别为36 K和5 K。

郝熙欢等［38］在一台10 K温区双级G-M制冷机上研究了充气压力和输入功率对制冷机性能的影响。实验结果表明，随着充气压力的升高，制冷机的最低制冷温度逐渐下降，制冷量逐渐提高，样机最佳充气压力范围为（1.65～1.70）MPa；随着输入功率的增大，降温速率加快，最低制冷温度下降，制冷量提升，但制冷机效率有所降低，应综合考虑以上性能指标来进行输入功率和压比的选取。

除了以上5个主要研究方向外，许多国内学者［52-53］还从压缩机油分离技术、新型制冷工质的使用、蓄冷器流动及换热性能模拟仿真等不同方向来提高G-M制冷机的性能，但大都处于研究初始阶段，相关有价值的文献较少。

3　总结和展望

高温超导、空间环境模拟等技术的不断发展，对大冷量G-M制冷机提出了迫切的需求。为提高G-M制冷机的性能，满足实际应用对制冷量和制冷温度的要求，国内学者主要从改进制冷机结构、应用新型蓄冷材料、优化制冷机运行参数等方面开展了一系列的研究工作。虽然经过近些年的发展，取得了一定的研究成果，但理论研究水平、研发实验条件以及工艺制造水平与国外相比还有较大差距，必须在坚持上述方向进一步研究的同时拓宽研究范围，特别是要注重基础理论的研究，才能更好地指导大冷量G-M制冷机的研制工作。

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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。E-mail：782228561@qq.com。