王 哲，胡子珩，章 彬，汪桢子，汪 伟，李健伟，李 奥，何韩军

（1.南方电网深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；2.中船重工鹏力（南京）超低温技术有限公司，南京 211100）

0 引言

G-M制冷机由Mcmahon等[1]于1956年提出。该制冷机通过配气阀门周期性地完成西蒙膨胀过程来获得低温。G-M制冷机使用方便、结构简单、运行可靠、制造成本低，已在超导磁体冷却领域得到了广泛的应用。近年来，高温超导磁体在电力技术，如高温超导电缆、高温超导变压器、高温超导限流器、高温超导磁储能等方面的应用日益广泛[2]，这些应用对G-M制冷机的制冷量、效率及质量提出了比传统应用更高的要求，常规的单、双级G-M制冷机已经无法满足如高温超导磁体等所需的冷量要求。美国Cryomech公司相继推出了237 W@70 K（功耗7 kW）和500 W@70 K（功耗11.5 kW）两种大冷量单级G-M制冷机[3]。据文献报道，国内尚无制冷量200 W@70 K以上的G-M制冷机。表1为本文研制目标与国内外同级别G-M制冷机的性能比较[3-5]。

表1 国内外大冷量G-M制冷机性能对比Tab.1 Performance comparison of G-M cryocooler with large cooling capacity

大冷量G-M制冷机不是中小冷量G-M制冷机结构的简单放大。对于回热器，由于尺寸的增加，质量增大，施加于旋转电机的负载加大；另外，当回热器直径较大时，径向温度呈现非均匀性，由此产生直流损失[6]，限制了大冷量G-M制冷机的发展。

回热器是回热式制冷机的关键核心部件，回热器损失占回热式低温制冷机总损失的60%以上，优化回热器结构尺寸及填料是提高制冷量和制冷效率的主要途径。国内学者陈长琦等[7]对单级20 K温区G-M制冷机进行实验研究，测试了不同进排气角度、蓄冷材料、压比对制冷性能的影响，取得了70 W@70 K的制冷量。……