大冷量单级G-M制冷机冷端换热器结构研究

胡子珩，王 哲，章 彬，汪桢子，汪 伟，李健伟

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 440304）

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G-M制冷机自1956年由Mcmahon等[1-2]提出并发展至今，其无负载最低制冷温度已经突破至液氦温区，应用领域逐步扩大。近年来，高温超导磁体广泛应用于电力技术方面，如高温超导变压器、高温超导限流器、高温超导滤波器、高温超导磁储能以及高温超导输电电缆等[3]。为了达到高温超导材料的转变温度，必须对其进行降温制冷，这为G-M制冷机的发展带来新的机遇——研制70 K温区200 W以上大制冷量单级G-M制冷机。

目前，对于低温制冷机回热器性能的优化方法已基本完善，而对影响制冷性能的另一个重要部件——冷端换热器的研究较少。研究表明，冷端换热器换热不完善所引起的制冷量损失可高达43%[4]，是一项不可忽视的损失，不充分的换热会影响制冷机的制冷性能。特别对于本文所研究的大制冷量、大质量流单级G-M制冷机，如何有效导出制冷量决定着制冷机性能的优劣，也是制冷机设计的关键。在冷端换热器设计过程中应从增加有效换热面积和增大工质气体与冷端换热器壁面的换热系数这两个因素考虑提高其换热性能。方良等[5]在蓄冷器外置式单级G-M制冷机中使用自行设计的烧结填料型冷端换热器，有效增加了换热面积，但是工艺复杂，同时填料与壳管之间存在接触热阻。董宇国[6]将环形紫铜网填充在冷端换热器底部，并与排出器相互配合，强化了工质气体与紫铜网的换热。……