与传统的低温制冷机相比,如G-M和斯特林制冷机,脉管制冷机在低温端无运动部件,具有结构简单、可靠性高,长寿命等优点。随着液氢无损储存、新型超导体MgB2及低温泵等技术的快速发展,20K温区单级G-M型脉管制冷机有着广泛的应用前景。本文介绍了当前G-M型脉管制冷机实用化现状,并对一台单级G-M型脉管制冷机进行了理论和实验研究,以提高其在20K温区的效率和制冷量并达到实用化要求。主要内容包括以下几方面:1.基于REGEN3.3的单级G-M型脉管制冷机数值计算和分析。计算分析了低频情况下,相位角、回热器长度、质量流量、铅丸直径、充气压力和工作频率对回热器性能的影响,得出了能够指导试验的有益结论。2.单级G-M型脉管制冷机试验研究。对回热器长度、回热器中80K以下温区回热材料布置形式、制冷机工作频率和充气压力进行了优化。经优化,在输入功率7.5kW时,该制冷机最低制冷温度达到10.6K,这是目前国内外公开报道的单级脉管制冷机最低制冷温度。该制冷机在20.6K可提供20W的制冷量。并且该制冷机在长时间运行过程中温度波动为0.4K,性能稳定,可基本满足实用化要求。3.平面旋转阀阀芯的改进。为了进一步提高平面旋转阀的可靠性,本文提出了在阀芯与底盘的接触面上引入四个气室的改进方案,在不影响制冷机性能的情况下,能够降低阀芯的磨损以及阀芯旋转所需要的扭矩,从而有助于提高制冷机的寿命。