4K高效大冷量G-M制冷机二级回热器性能研究

Trong bối cảnh phát triển của低温物理、磁共振成像（MRI）系统、无液氦超导磁体系统及稀有气体纯化液化等领域，对液氦温区制冷机的制冷性能提出了更高的要求。4K双级GM制冷机因其结构简单、性能可靠和低成本，在上述领域得到了广泛的应用。然而，目前国内针对填充GOS（硫氧化钆）材料回热器的应用集中于5K以上温区和斯特林型脉管制冷机，液氦温区双级GM制冷机回热器采用GOS材料的研究有所缺失。本文旨在通过数值模拟和实验的方法，研究4K双级GM制冷机二级回热器在3-10K温区工作条件下，GOS材料填充比例、粒子直径对二级回热器性能的影响规律，并揭示二级回热器热端温度与回热器损失的规律。\n

二级回热器的重要性

二级回热器采用Pb（铅）、HoCu2（钬铜）等球状填料，是制冷机的核心部件，对液氦温区下的制冷性能有至关重要的影响。在液氦温区下，二级回热器损失迅速增加，是导致4K时制冷量低下的关键因素之一。如何减小二级回热器损失、提高制冷量是本研究的主要目的。\n

二级回热器的主要损失

二级回热器的主要损失包括压降损失、不完全换热损失、轴向导热损失和实际气体损失。在3-10K低温下，不完全换热损失是回热器的主要损失。这是因为大多数蓄冷材料的体积比热容随着温度的降低而迅速下降，这会造成蓄冷材料与制冷工质换热不充分。二级回热器按温度分布分段填充，能够增大蓄冷材料在低温下的体积比热容，可以有效减少不完全换热损失。

填料颗粒尺寸的影响

填料颗粒尺寸对回热器的性能同样有直接的影响。过小的粒子直径会增大流阻，使制冷机的功耗增加；过大的粒子直径，降低氦气工质与蓄冷材料间的换热效率。因此，在设计和优化二级回热器时，需要综合考虑填料颗粒尺寸对制冷性能的影响。

研究方法与结论

本研究通过数值模拟和实验的方法，对4K双级GM制冷机二级回热器进行了深入研究。结果表明，GOS材料填充比例和粒子直径对二级回热器的性能有显著影响。通过优化GOS材料填充比例和粒子直径，可以有效提高二级回热器的制冷性能，降低制冷机的功耗。

总结

本研究对4K双级GM制冷机二级回热器进行了深入研究，揭示了GOS材料填充比例和粒子直径对二级回热器性能的影响规律。研究结果为优化二级回热器设计、提高制冷机的制冷性能提供了理论依据和实践指导。\n

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