本發明專利技術公開了一種利用富余冷量的1-2K復合型多級脈管制冷機，包括使用氦-4工質的預冷級低頻脈管制冷機和使用氦-3工質的低溫級高頻脈管制冷機，本發明專利技術通過高頻脈管制冷機和低頻脈管制冷機的耦合，可以在使用較少氦-3的條件下獲得1-2K的制冷溫度，從所述預冷級低頻脈管制冷機回熱器的中部提取富余冷量，從而提高預冷級脈管制冷機的冷量利用率。與傳統的使用氦-3為工質的兩級低頻脈管制冷機相比，本發明專利技術可以顯著的減少獲得1-2K溫度所需氦-3氣體的用量，具有成本低，獲得方便的優點，同時保留了脈管制冷機結構緊湊、壽命長和可靠性高的優點。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種復合型多級脈管制冷機，尤其涉及一種利用富余冷量的同時使用氦-4和氦-3為工質的1-2K高低頻復合型多級脈管制冷機。
技術介紹
低溫制冷技術在基礎科學研究、低溫物理、工業應用、醫學生物、國防軍事以及空間探測等領域有著廣泛而不可替代的應用，與低溫相關的科學領域目前已成為核心或高科技的代表，如歐洲強子對撞機等大型科學裝置。按照國際約定，低溫制冷技術涵蓋120K以下的溫度區域，當前整個低溫溫區的制冷方式相對成熟，IK及以上溫區可采用超流氦、液氦或其他低溫液體杜瓦技術和機械式制冷技術獲得，而IK以下則有絕熱去磁制冷和稀釋制冷等技術。在低溫溫區內，1-2K是一個非常關鍵和特殊的溫區，一方面有大量的探測器(如鍺摻鎵探測器)和超導設備工作在該溫區，另一方面更低的mK級溫區的高效獲得必須在該溫區被預先冷卻。當前獲得1-2K溫區的制冷方式主要有超流氦抽空技術和機械式制冷技術。超流氦抽空技術需要大量的液氦，為保證系統的高效絕熱，系統結構設計異常復雜，同時為保證氦氣的高效利用，需要配備復雜的氦氣回收純化系統，這些均導致超流氦抽空技術成本高，系統結構復雜且可靠性低。機械式制冷技術采用閉式制冷循環實現制冷效應，制冷工質(低溫一般為氦氣)在封閉系統內循環流動，具有氦氣用量少，結構緊湊，壽命長和可靠性高等優點。由于全球最大的氦氣出口國美國將氦氣作為戰略物資進行出口限制，當前全球液氦供應日趨緊張，且成本日增，所以機械式制冷方式得到了快速發展和廣泛應用。機械式制冷技術主要有回熱式制冷技術和間壁式制冷技術,其中回熱式制冷技術由于采用了填充有高體積比熱容回熱填料的高效回熱器，具有結構緊湊效率高等優點，在低溫物理、軍事國防、航空航天等領域得到了廣泛的應用。脈管制冷機，GM制冷機和斯特林制冷機是三種典型的回熱式制冷機，其中脈管制冷機在冷端沒有運動部件，具有潛在的高可靠性，而據現有公開文獻資料顯示，當前回熱式制冷技術中只有以氦-3為工質的低頻脈管制冷機獲得1-2K的制冷溫度，但是其需要大量的氦-3，蔣寧等(Jiang N, etal. Cryogenics, 2004,44 :809.)采用兩級低頻脈管制冷機獲得了1. 27K的最低制冷溫度，但共使用標準狀態下的氦-3228升。氦-3是氦氣同位素中的一種，其在自然界中的含量極少，正常的氦氣中僅含體積分數為1. 3X 10_6%的氦-3，是一種稀有昂貴的氣體，同時加之氦-3的主要出口國美國出臺了限制氦氣出口的相關政策，導致近年來氦-3的價格飆升，氦-3從2007年的約200美元/標升，漲至2009年的2000美元/標升，當前氦-3的價格約為10000美元/標升，價格昂貴的同時來源不易獲得。Science雜志2009年發表題為“Helium_3Shortage CouldPut FreezeOn Low-Temperature Research,氦 _3 短缺使低溫相關研究雪上加霜”(A. Cho.Science, 2009, Vol. 306 :778-779.)的評論文章，文章分析了當前氦_3供應緊張會給低溫物理等領域帶來顯著而嚴重的影響?；谏鲜龇治隹芍?，發掘新型的不使用氦-3或者盡量少使用氦-3的1-2K溫區制冷技術對推進低溫相關科學研究的快速發展，減輕氦-3短缺對全球相關領域的影響至關重要，為此提供一種可以顯著減少氦-3用量的1-2K復合型多級脈管制冷機迫在眉睫。
技術實現思路
本專利技術提供了一種利用富余冷量的1-2K復合型多級脈管制冷機，通過不同制冷方式的耦合和富余冷量的提取利用，可以在使用非常少量氦-3的前提下高效獲得1-2K的制冷溫度，同時結構緊湊，可靠性高。理論分析和實驗研究均發現低溫脈管制冷機中不僅在回熱器冷端具有制冷量，在回熱器靠近冷端的部分也可以輸出制冷量，而且在一定的制冷量范圍內，該額外輸出的冷量對脈管制冷機的最低制冷溫度以及制冷量的影響非常小，一般稱作富余冷量，該部分冷量可以用來冷卻更高溫區的應用對象，或者用來為多級脈管制冷機高溫段回熱器提供預冷。而脈管制冷機的相關理論指出提高運行頻率可以顯著減小制冷系統的體積，所以提高運行頻率可以顯著減少氦-3的用量，但是由于頻率提高使回熱器中的氣體和填料之間的換熱變得不充分，引起回熱器效率急劇下降，導致高頻脈管在低溫溫區的效率極低且無法獲得1-2K的制冷溫度，當前高頻脈管制冷機采用氦-3工質的最低制冷溫度僅為3K，為獲得1-2K的制冷溫度，高頻脈管制冷機需要更多的級數和更低的預冷溫度(< 15K)，更低預冷溫度難以獲得的同時制冷機系統也會變得異常復雜，若將高頻脈管制冷機與可在較低溫度(< 15K)提供較大預冷量的低頻脈管制冷機耦合起來，同時利用低溫脈管制冷機中回熱器中的富余冷量來為高頻脈管制冷機較高溫區提供預冷，這種利用富余冷量的復合型多級脈管制冷機將成為一種新型的可獲得1-2K制冷溫區的復合型脈管制冷機，由于低頻脈管制冷機可以采用氦-4為制冷工質，所以這種復合型脈管制冷機只需在具有較小體積的高頻脈管制冷機部分采用氦-3，即采用少量的氦-3氣體便可以獲得1-2K的制冷溫度，同時由于利用了低頻脈管制冷機中的富余冷量，所以整機將具有較高的效率，同時僅用單級低頻脈管制冷機預冷便可獲得1-2K的溫度，具有結構緊湊，長壽命等優點。本專利技術提出的利用富余冷量的1-2K復合型多級脈管制冷機中，預冷級低頻脈管制冷機采用傳統的氦-4為工質，可在IOK及以上溫區提供較大的預冷量，同時其回熱器中部的富余冷量可用來在更高的溫區提供預冷。高頻脈管制冷機部分采用氦-3為工質，如前所述，由于該部分運行頻率較高，結構非常緊湊，與低頻脈管制冷機相比，其所需的氦-3將小于10標升，從而可以實現使用少量氦-3便可獲得1-2K溫區的目標；由于預冷級的預冷量足夠大，可使低溫慣性管和氣庫冷卻至較低的溫度從而獲得更大的調相角度，進而為高頻脈管制冷機提供更優的相角(質量流和壓力之間的相角)；為增大高頻脈管制冷機的冷端壓比，可在低溫高頻脈管制冷機不同溫度段的回熱器之間布置可以增大壓比的聲壓放大器；為減小氦-3的用量，可以選擇單純使用低溫慣性管作為調相方式，最終使整機高效地獲得1-2K的制冷溫度。基于上述分析和討論，本專利技術提供幾種預冷型技術方案，下述幾種復合型多級脈管制冷機結構均能在使用較少氦-3工質的前提下高效獲得1-2K的制冷溫度。第一種方案為本專利技術的基本方案，具體如下一種利用富余冷量的1-2K復合型多級脈管制冷機，包括預冷級低頻脈管制冷機單元和低溫級高頻脈管制冷機單元，所述預冷級低頻脈管制冷機單元為單級低頻脈管制冷機，其使用的工質為氦-4 ；所述低溫級高頻脈管制冷機單元包括低溫級壓縮機、以及通過管路依次與低溫級壓縮機出口連通的低溫級回熱器熱端換熱器、低溫級第一預冷段回熱器、低溫級第一預冷段回熱器冷端換熱器、低溫級第二預冷段回熱器、低溫級第二預冷段回熱器冷端換熱器、低溫級低溫段回熱器、低溫級冷端換熱器、低溫級脈管、低溫級脈管熱端換熱器和低溫級調相機構；所述低溫級高頻脈管制冷機單元采用的制冷工質為氦-3 ；所述預冷級低頻脈管制冷機單元和低溫級高頻脈管制冷機單元通過連接在低溫級第一預冷段回熱器冷端換熱器和預冷級低頻脈管制冷機單元的回熱器靠近冷端部分的第一本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種利用富余冷量的1?2K復合型多級脈管制冷機，包括預冷級低頻脈管制冷機單元和低溫級高頻脈管制冷機單元，所述預冷級低頻脈管制冷機單元為單級低頻脈管制冷機，其使用的工質為氦?4；其特征在于，所述低溫級高頻脈管制冷機單元包括低溫級壓縮機(C2)、以及通過管路依次與低溫級壓縮機(C2)出口連通的低溫級回熱器熱端換熱器(HX4)、低溫級第一預冷段回熱器(RG21)、低溫級第一預冷段回熱器冷端換熱器(HX5)、低溫級第二預冷段回熱器(RG22)、低溫級第二預冷段回熱器冷端換熱器(HX6)、低溫級低溫段回熱器(RG23)、低溫級冷端換熱器(HX7)、低溫級脈管(PT2)、低溫級脈管熱端換熱器(HX8)和低溫級調相機構；所述低溫級高頻脈管制冷機單元采用的制冷工質為氦?3；所述預冷級低頻脈管制冷機單元和低溫級高頻脈管制冷機單元通過連接在低溫級第一預冷段回熱器冷端換熱器(HX5)和預冷級低頻脈管制冷機單元的回熱器靠近冷端部分的第一級熱橋(TB1)進行一次熱耦合；通過連接在低溫級第二預冷段回熱器冷端換熱器(HX6)以及預冷級低頻脈管制冷機單元的冷端換熱器之間的第二級熱橋(TB2)進行二次熱耦合。
【技術特征摘要】
1.一種利用富余冷量的1-2K復合型多級脈管制冷機，包括預冷級低頻脈管制冷機單元和低溫級高頻脈管制冷機單元，所述預冷級低頻脈管制冷機單元為單級低頻脈管制冷機，其使用的工質為氦-4 ;其特征在于， 所述低溫級高頻脈管制冷機單元包括低溫級壓縮機(C2)、以及通過管路依次與低溫級壓縮機(C2)出口連通的低溫級回熱器熱端換熱器(HX4)、低溫級第一預冷段回熱器(RG21)、低溫級第一預冷段回熱器冷端換熱器(HX5)、低溫級第二預冷段回熱器(RG22)、低溫級第二預冷段回熱器冷端換熱器(HX6)、低溫級低溫段回熱器(RG23)、低溫級冷端換熱器(HX7)、低溫級脈管(PT2)、低溫級脈管熱端換熱器(HX8)和低溫級調相機構；所述低溫級高頻脈管制冷機單元采用的制冷工質為氦-3 ； 所述預冷級低頻脈管制冷機單元和低溫級高頻脈管制冷機單元通過連接在低溫級第一預冷段回熱器冷端換熱器(HX5)和預冷級低頻脈管制冷機單元的回熱器靠近冷端部分的第一級熱橋(TBl)進行一次熱 耦合；通過連接在低溫級第二預冷段回熱器冷端換熱器(HX6)以及預冷級低頻脈管制冷機單元的冷端換熱器之間的第二級熱橋(TB2)進行二次熱耦合。2.根據權利要求1所述的利用富余冷量的1-2K復合型多級脈管制冷機，其特征在于，所述低溫級調相機構為慣性管，且該慣性管和低溫級脈管熱端換熱器(HX8)同時與所述第二級熱橋(TB2)連接。3.根據權利要求1所述的利用富余冷量的1-2K復合型多級脈管制冷機，其特征在于，所述低溫級調相機構為慣性管以及與慣性管連通的氣庫，且所述慣性管、氣庫和低溫級脈管熱端換熱器(HX8)同時與所述第二級熱橋(TB2)...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王博，王龍一，劉東立，甘智華，張學軍，張小斌，汪偉偉，劉雨夢，吳鎂，宋豫京，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：
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