10 [email protected] K GM/J-T制冷机关键技术研究

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小型氦制冷机能够为超导设备提供液氦温区制冷量,推动超导研究的发展。实验室正在研制一台用于紧凑型同步加速器的超导磁体,需要配套一台[email protected] K GM/J-T制冷机进行冷却。本文以基于GM/J-T制冷机的10 [email protected] K研究装置(简称,研究装置)为研究对象,用于GM/J-T制冷机关键技术前期研究。参考GM/J-T制冷机及其他预冷型J-T氦制冷机的预冷循环模式,设计系统参数并建立研究装置,通过研究装置的设计、制造及测试,研究10 [email protected] K GM/J-T制冷机节流换热级、预冷级、换热器等关键部件参数及相关工艺要点。论文工作首先设计了10 W冷量GM/J-T制冷机流程图,计算了系统循环参数并进行了热力学分析。结果表明,当制冷量达到10 W时,GM/J-T制冷机需要两台两级GM制冷机提供预冷冷量。考虑到GM/J-T制冷机的研究成本、实验效率,以及设计和操作的复杂性,设计了一台研究装置用于GM/J-T制冷机关键技术的前期研究。研究装置采用改进的系统流程图及预冷级,以冷氦气预冷级代替GM制冷机预冷,有利于加快系统预冷降温速率,提高实验研究的效率。论文工作构建了研究装置的预冷级参数计算模型,计算得到预冷级进出口参数及理论预冷氦气质量流量。并对研究装置和GM/J-T制冷系统的制冷系数COP和循环性能进行了对比分析,得到两者循环性能相同、COP接近的情况下,研究装置在结构简洁性和经济性上更有优势的结论。之后,根据研究装置的循环参数对换热器、预冷级、液氦罐等进行了设计计算,并对研究装置进行了三维设计,完成系统绝热设计和测量系统设计。系统漏热计算结果表明,预冷级4.5 K温区理论漏热为1.201 W,主回路4.5 K温区理论漏热小于0.4336 W,考虑系统漏热后研究装置理论制冷量为10.16 W,满足10 W冷量设计要求。根据相关设计加工并装配完成研究装置,对研究装置进行调试并改进。以研究装置为基础搭建具备冷量测试及系统循环参数测试的实验平台,完成研究装置系统静态漏热实验,实验结果表明,预冷级4.5 K静态漏热为1.187 W,与理论计算结果一致。进一步搭建实验平台进行了制冷降温实验,通过制冷实验,测试系统节流换热级性能,测试结果表明节流换热级节流制冷效应良好,测试得到不同阀前压力、阀门开度与主回路流量关系,系统关键部件运行良好。
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