30 K温区大功率高频回热制冷机理研究

High-power high-frequency pulse tube refrigeration is an ideal choice for cooling the high magnetic field HTS devices, such as HTS generators and motors, etc. The study of the operating mechanism of the high-power regenerative refrigeration with high-frequency oscillating flow can greatly improve the efficiency and reliability of the high-power high-frequency pulse tube cryocoolers at 30 K or below. This project is aimed at further improving the performance of the high-power high-frequency pulse tube cryocoolers in the temperature range of 30 K. The magnitudes and relationships of enthalpy flow, entropy flow, and acoustic power flow will be studied to explore the sources of the irreversible losses and the mechanisms of the internal acoustic streaming instability in high-power cryogenic regenerators, and finally find an effective way to improve the regenerative efficiency. The effects of the interstage coupling modes on the interstage gas mass flow distribution, and energy conversion and distribution will be studied to explore novel structures of high-power high-frequency pulse tube cryocoolers. The extraction methods and characterization of the cooling power of the high-power cryocoolers will be studied, and efforts will be put to explore the optimal structure of the cold end heat exchanger for the regenerator of high-power high-frequency pulse tube cryocoolers. Novel phase adjusting methods will be studied to explore an effective way to recover the acoustic power entering the pulse tube of the high-power high-frequency pulse tube cryocooler and improve the system's efficiency. This project will lay a good foundation for the large scale practical application of efficient and reliable high-power high-frequency pulse tube cryocoolers theoretically and experimentally.

大功率高频脉管制冷方法是高温超导发电机和电动机等强磁场高温超导装置冷却的理想选择，高频交变流动条件下的大功率回热制冷机理研究可望大大提高大功率高频脉管制冷机在30 K及以下温区的效率和可靠性。本课题以进一步提高大功率高频脉管制冷机在30 K温区的性能为目标，研究回热器内焓流、熵流、声功流的大小和相互作用关系，探究回热器内不可逆损失的根源，寻找提高回热效率的有效途径；揭示大功率高频低温回热器声流不稳定的发生机理；研究级间耦合方式对回热器级间气体质量分配和能量转化与分配的影响规律，探索新型的大功率高频脉管制冷机结构型式；研究大功率低温制冷机的冷量引出方式和表征方法，探究大功率高频脉管制冷机回热器冷端换热器的最优结构；研究新型的相位调节方式，探索高效回收大功率高频脉管制冷机进入脉冲管内声功的方法，有效提高制冷机系统的效率。为30 K温区高效、可靠大功率高频脉管制冷机的实用化奠定理论和实验基础。

大冷量回热式低温制冷机是超导冷却和小规模气体液化的关键支撑技术。本课题以进一步提高大功率制冷机性能为目标，建立数学物理模型，研究回热器内焓流、熵流、声功流的大小和相互作用关系，探明回热器内不可逆损失的根源，探寻提高回热效率的有效途径。设计并搭建了一台大冷量曲柄连杆式斯特林制冷机，系统地研究了其内部工作特性以及各种能量损失，并对其制冷模块进行了结构和尺寸的优化。在此基础上研究大功率低温制冷机的冷端换热器的最优结构及冷量引出方式，有效地提高了制冷机的效率。该制冷机可以在液氮温度77 K下提供1050 W制冷量，COP为12.04 %，相对卡诺效率高达33.28 %，是已经公开报道的该类型制冷机所能达到的最佳性能。制冷机的最低制冷温度达到了30K温区。.在高效回热制冷机理研究成果的基础上，开展了基于大冷量斯特林制冷机的液化天然气BOG再液化回收技术的应用研究，并率先成功应用于国内多处天然气加气站，目前该套BOG回收系统能够实现20~50 L/h的天然气液化量。这一工作为国家的节能减排服务，使低温技术直接应用于有机挥发物和温室气体的回收减排，变废为宝，经济和社会效益显著。.值得指出的是，30K温区大冷量回热式低温制冷机对于超导应用至关重要，基于本课题的研究成果，一方面已经在国内率先研发出液氮温区的1kW~4.5kW大冷量斯特林低温制冷机，，为高温超导体（特别是线缆、限流器等）的冷却提供冷源；另一方面，30K温区的低温制冷机可以为超导电机提供冷源，这一温区的研究成果已经成功应用于MRI（磁共振成像仪）的磁体加速预冷却，可以利用循环冷氦气将磁体快速冷却到40K以下温区，替代从国外进口的低温制冷机。.总之，通过本课题的研究，不但完成了基础研究内容，在回热式低温制冷机理方面取得了良好的研究成果。特别地，研究团队积极将研究成果应用于小规模气体液化和超导磁体的冷却应用中，替代了进口产品，为国家节省了外汇，取得了很好的经济价值，也为国家的节能减排做出了应有的贡献，社会效益显著。