專利名稱：一種工作在1-2k的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)，尤其涉及一種同時(shí)使用氦-4和氦-3為工質(zhì)的工作在1-2K溫區(qū)的高低頻復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)。
背景技術(shù)：
低溫制冷技術(shù)在基礎(chǔ)科學(xué)研究、低溫物理、工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)學(xué)生物、國(guó)防軍事以及空間探測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛而不可替代的應(yīng)用，與低溫相關(guān)的科學(xué)領(lǐng)域目前已成為核心或高科技的代表，如歐洲強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)等大型科學(xué)裝置。按照國(guó)際約定，低溫制冷技術(shù)涵蓋120K以下的溫度區(qū)域，當(dāng)前整個(gè)低溫溫區(qū)的制冷方式相對(duì)成熟，IK及以上溫區(qū)可采用超流氦、液氦或其他低溫液體杜瓦技術(shù)和機(jī)械式制冷技術(shù)獲得，而IK以下則有絕熱去磁制冷和稀釋制冷等技術(shù)。在低溫溫區(qū)內(nèi)，1-2K是一個(gè)非常關(guān)鍵和特殊的溫區(qū)，一方面有大量的探測(cè)器(如鍺摻鎵探測(cè)器)和超導(dǎo)設(shè)備工作在該溫區(qū)，另一方面更低的mK級(jí)溫區(qū)的高效獲得必須在該溫區(qū)被預(yù)先冷卻。當(dāng)前獲得1-2K溫區(qū)的制冷方式主要有超流氦抽空技術(shù)和機(jī)械式制冷技術(shù)。超流氦抽空技術(shù)需要大量的液氦，為保證系統(tǒng)的高效絕熱，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)異常復(fù)雜，同時(shí)為保證氦氣的高效利用，需要配備復(fù)雜的氦氣回收純化系統(tǒng)，這些均導(dǎo)致超流氦抽空技術(shù)成本高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可靠性低。機(jī)械式制冷技術(shù)采用閉式制冷循環(huán)實(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng)，制冷工質(zhì)(低溫一般為氦氣)在封閉系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，具有氦氣用量少，結(jié)構(gòu)緊湊，壽命長(zhǎng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。由于全球最大的氦氣出口國(guó)美國(guó)將氦氣作為戰(zhàn)略物資進(jìn)行出口限制，當(dāng)前全球液氦供應(yīng)日趨緊張，且成本日增，所以機(jī)械式制冷方式得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。機(jī)械式制冷技術(shù)主要有回?zé)崾街评浼夹g(shù)和間壁式制冷技術(shù),其中回?zé)崾街评浼夹g(shù)由于采用了填充有高體積比熱容回?zé)崽盍系母咝Щ責(zé)崞?，具有結(jié)構(gòu)緊湊效率高等優(yōu)點(diǎn)，在低溫物理、軍事國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。脈管制冷機(jī)，GM制冷機(jī)和斯特林制冷機(jī)是三種典型的回?zé)崾街评錂C(jī)，其中脈管制冷機(jī)在冷端沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，具有潛在的高可靠性，而據(jù)現(xiàn)有公開(kāi)文獻(xiàn)資料顯示，當(dāng)前回?zé)崾街评浼夹g(shù)中只有以氦-3為工質(zhì)的低頻脈管制冷機(jī)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(jí)低頻脈管制冷機(jī)獲得了1. 27K的最低制冷溫度，但共使用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)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?jǐn)?shù)為1. 3X 10_6%的氦-3，是一種稀有昂貴的氣體，同時(shí)加之氦-3的主要出口國(guó)美國(guó)出臺(tái)了限制氦氣出口的相關(guān)政策，導(dǎo)致近年來(lái)氦-3的價(jià)格飆升，氦-3從2007年的約200美元/標(biāo)升，漲至2009年的2000美元/標(biāo)升，當(dāng)前氦-3的價(jià)格約為10000美元/標(biāo)升，價(jià)格昂貴的同時(shí)來(lái)源不易獲得。Science雜志2009年發(fā)表題為“氦_3短缺使低溫相關(guān)研究雪上力口霜，，(Helium_3Shortage Could Put Freeze On Low-Temperature Research, A. Cho.Science, 2009, Vol. 306 :778-779.)的評(píng)論文章，文章分析了當(dāng)前氦_3供應(yīng)緊張會(huì)給低溫物理等領(lǐng)域帶來(lái)顯著而嚴(yán)重的影響，基于上述分析可知，發(fā)掘新型的不使用氦-3或者盡量少使用氦-3的1-2K溫區(qū)制冷技術(shù)對(duì)推進(jìn)低溫相關(guān)科學(xué)研究的快速發(fā)展，減輕氦-3短缺對(duì)全球相關(guān)領(lǐng)域的影響至關(guān)重要，所以急需新型的且具有較高可行性的1-2K溫區(qū)制冷技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)，通過(guò)不同制冷方式的耦合可以在使用非常少量氦-3的前提下獲得1-2K的制冷溫度，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。脈管制冷機(jī)的相關(guān)理論指出提高運(yùn)行頻率可以顯著減小制冷系統(tǒng)的體積，所以提高運(yùn)行頻率可以顯著減少氦-3的用量，但是由于頻率提高使回?zé)崞髦械臍怏w和填料之間的換熱變得不充分，引起回?zé)崞餍始眲∠陆?，?dǎo)致高頻脈管在低溫溫區(qū)的效率極低且無(wú)法獲得1-2K的制冷溫度，當(dāng)前高頻脈管制冷機(jī)采用氦-3工質(zhì)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(jī)需要更多的級(jí)數(shù)和更低的預(yù)冷溫度(< 10K)，更低預(yù)冷溫度難以獲得的同時(shí)制冷機(jī)系統(tǒng)也會(huì)變得異常復(fù)雜，若將高頻脈管制冷機(jī)與可在較低溫度(< 10K)提供較大預(yù)冷量的低頻脈管制冷機(jī)耦合起來(lái)，將成為一種新型的可獲得1-2K制冷溫區(qū)的復(fù)合型脈管制冷機(jī)，由于低頻脈管制冷機(jī)可以采用氦-4為制冷工質(zhì)，所以這種復(fù)合型脈管制冷機(jī)只需在具有較小體積的高頻脈管制冷機(jī)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。本發(fā)明提出的1-2K復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)中，預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)采用傳統(tǒng)的氦-4為工質(zhì)，可在4K及4K以上溫區(qū)提供較大的預(yù)冷量，而在高頻脈管制冷機(jī)部分采用氦-3為工質(zhì)，如前所述，由于該部分運(yùn)行頻率較高，結(jié)構(gòu)非常緊湊，與低頻脈管制冷機(jī)相t匕，其所需的氦-3將小于10標(biāo)升，從而可以實(shí)現(xiàn)使用少量氦-3便可獲得1-2K溫區(qū)的目標(biāo)；由于預(yù)冷級(jí)的預(yù)冷量足夠大，可使低溫慣性管和氣庫(kù)冷卻至較低的溫度從而獲得更大的調(diào)相角度，進(jìn)而為高頻脈管制冷機(jī)提供更優(yōu)的相角(質(zhì)量流和壓力之間的相角)；為增大高頻脈管制冷機(jī)的冷端壓比，可在高頻脈管制冷機(jī)不同溫度段的回?zé)崞髦g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(diào)相方式，最終使整機(jī)高效地獲得1-2K的制冷溫度?；谏鲜龇治龊陀懻?，本發(fā)明提供幾種預(yù)冷型技術(shù)方案，下述幾種復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)均能在使用較少氦-3工質(zhì)的前提下高效獲得1-2K的制冷溫度。第一種方案為本發(fā)明的基本方案，具體如下一種工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)，包括以氦-4為工質(zhì)的預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元和以氦-3為工質(zhì)的低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)單元，所述預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元為兩級(jí)低頻脈管制冷機(jī)；所述的低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)單元包括低溫級(jí)壓縮機(jī)、以及與低溫級(jí)壓縮機(jī)出口依次連通的低溫級(jí)回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞?、低溫?jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞?、低溫?jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、低溫級(jí)第二級(jí)聲壓放大器、低溫級(jí)低溫段回?zé)崞?、低溫?jí)冷端換熱器、低溫級(jí)脈管、低溫級(jí)脈管熱端換熱器和低溫級(jí)調(diào)相部件；所述預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元和低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)單元之間通過(guò)連接在預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元的第一級(jí)冷端換熱器、預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元的第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器以及低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器之間的第一級(jí)熱橋進(jìn)行一次熱耦合；通過(guò)連接在預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元的第二級(jí)冷端換熱器以及低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器的第二級(jí)熱橋進(jìn)行二次熱耦合；所述第二級(jí)聲壓放大器為長(zhǎng)頸管，長(zhǎng)頸管的長(zhǎng)度為其所處溫度和壓力下氦-3氣體對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4，且第二級(jí)聲壓放大器同時(shí)與第二級(jí)橋連接。為降低氦-3的使用成本，作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案所述低溫級(jí)調(diào)相部件可選擇慣性管，且所述低溫級(jí)脈管熱端換熱器和慣性管同時(shí)與第二熱橋相連。低溫級(jí)調(diào)相部件選擇慣性管，與選用其他調(diào)相部件相比，進(jìn)一步降低了氦-3的用量。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)制冷性能，作為第二種優(yōu)選的技術(shù)方案所述低溫級(jí)調(diào)相部件為慣性管以及與慣性管連通的氣庫(kù)，且低溫級(jí)脈管熱端換熱器、慣性管和氣庫(kù)同時(shí)與第二級(jí)熱橋連通。為進(jìn)一步增大低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)單元的冷端壓比，進(jìn)而使低溫級(jí)高頻脈管制冷單元高效的獲得1-2K的制冷溫度，作為對(duì)第一種技術(shù)方案的優(yōu)選，所述低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)單元內(nèi)低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器和低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞髦g通過(guò)第一級(jí)聲壓放大器相互連通，第一級(jí)聲壓放大器為長(zhǎng)徑管，該長(zhǎng)徑管的長(zhǎng)度為其所在溫度和壓力下氦-3波長(zhǎng)1/4。作為對(duì)該技術(shù)方案的優(yōu)化，所述低溫級(jí)調(diào)相部件為慣性管，且所述低溫級(jí)脈管熱端換熱器和慣性管同時(shí)與第二熱橋相連。或者，為提高系統(tǒng)性能，所述低溫級(jí)調(diào)相部件為慣性管以及與慣性管連通的氣庫(kù)，且低溫級(jí)脈管熱端換熱器、慣性管和氣庫(kù)同時(shí)與第二級(jí)熱橋連通。所述預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元可選擇氣耦合或熱耦合的兩級(jí)低頻脈管制冷機(jī)。選擇氣耦合的兩級(jí)低頻脈管制冷機(jī)時(shí)，制冷機(jī)整體結(jié)構(gòu)較為緊湊，占用空間相對(duì)較?。贿x用熱耦合的兩級(jí)低頻脈管制冷機(jī)時(shí)，制冷機(jī)參數(shù)控制方便，便于實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的最優(yōu)化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在與現(xiàn)有的采用氦-3作為工質(zhì)的1-2K兩級(jí)低頻脈管制冷機(jī)相比，本發(fā)明提出的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)采用工質(zhì)為氦-4的兩級(jí)低頻脈管制冷機(jī)預(yù)冷一臺(tái)工質(zhì)為氦-3的單級(jí)高頻脈管制冷機(jī)，由于頻率的提高可以顯著的減小脈管制冷機(jī)冷頭和壓縮機(jī)的體積，所以本結(jié)構(gòu)可以顯著的減少氦-3的用量，據(jù)初步估算，本發(fā)明提出的復(fù)合型結(jié)構(gòu)獲得1-2K制冷溫度所需的氦-3在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積小于10升，遠(yuǎn)小于本說(shuō)明書(shū)背景技術(shù)部分體積的228升，所以本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)具有成本低、易于獲得等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也保持了脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有巨大潛在應(yīng)用前景的新型1-2K溫區(qū)機(jī)械式制冷結(jié)構(gòu)。


圖1為本發(fā)明的工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)的一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)的另一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)的第三種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)的第四種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。上述附圖中Cl為第一級(jí)壓縮機(jī)、ACl為第一級(jí)級(jí)后冷卻器、LVl為第一級(jí)壓縮機(jī)低壓控制閥、HVl為第一級(jí)壓縮機(jī)高壓控制閥、RGl為第一級(jí)回?zé)崞?、HX2為第一級(jí)冷端換熱器、PTl為第一級(jí)脈管、HX3為第一級(jí)脈管熱端換熱器、DOl為第一級(jí)雙向進(jìn)氣閥、01為第一級(jí)小孔閥、Rl為第一級(jí)氣、C2為第二級(jí)壓縮機(jī)、AC2為第二級(jí)級(jí)后冷卻器、LV2為第二級(jí)壓縮機(jī)低壓控制閥、HV2為第二級(jí)壓縮機(jī)高壓控制閥、RG21為第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞鳌X5為第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、RG22為第二級(jí)低溫段回?zé)崞鳌X6為第二級(jí)冷端換熱器、PT2為第二級(jí)脈管、HX7為第二級(jí)脈管熱端換熱器、D02為第二級(jí)雙向進(jìn)氣閥、02為第二級(jí)小孔閥和R2為第二級(jí)氣庫(kù)、C3為低溫級(jí)壓縮機(jī)、HX8為低溫級(jí)回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、RG31為低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞?、HX9為低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、RG32為低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞?、HXlO為低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、PA2為第二級(jí)聲壓放大器、RG33為低溫級(jí)低溫段回?zé)崞鳌Xll為低溫級(jí)冷端換熱器、PT3為低溫級(jí)脈管、HX12為低溫級(jí)脈管熱端換熱器、13為低溫級(jí)慣性管、TBl為第一級(jí)熱橋、TB2為第二級(jí)熱橋、R3為低溫級(jí)氣庫(kù)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 :如圖1所示，一種工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)，包括預(yù)冷級(jí)第一級(jí)低頻脈管制冷機(jī)、預(yù)冷級(jí)第二級(jí)低頻脈管制冷機(jī)、第一級(jí)熱橋TB1、第二級(jí)熱橋TB2和低溫級(jí)高頻低溫脈管制冷機(jī)，預(yù)冷級(jí)第一級(jí)低頻脈管制冷機(jī)和預(yù)冷級(jí)第二級(jí)低頻脈管制冷機(jī)組成預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元，通過(guò)第一級(jí)熱橋TBl和第二級(jí)熱橋TB2為低溫級(jí)高頻低溫脈管制冷機(jī)提供預(yù)冷。其中預(yù)冷級(jí)第一級(jí)低頻脈管制冷機(jī)由第一級(jí)壓縮機(jī)Cl、第一級(jí)級(jí)后冷卻器AC1、第一級(jí)壓縮機(jī)低壓控制閥LV1、第一級(jí)壓縮機(jī)高壓控制閥HV1、第一級(jí)回?zé)崞鱎G1、第一級(jí)冷端換熱器HX2、第一級(jí)脈管PT1、第一級(jí)脈管熱端換熱器HX3、第一級(jí)雙向進(jìn)氣閥D01、第一級(jí)小孔閥01、第一級(jí)氣庫(kù)Rl組成。預(yù)冷級(jí)第二級(jí)低頻脈管制冷機(jī)由第二級(jí)壓縮機(jī)C2、第二級(jí)級(jí)后冷卻器AC2、第二級(jí)壓縮機(jī)低壓控制閥LV2、第二級(jí)壓縮機(jī)高壓控制閥HV2、第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞鱎G21、第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5、第二級(jí)低溫段回?zé)崞鱎G22、第二級(jí)冷端換熱器HX6、第二級(jí)脈管PT2、第二級(jí)脈管熱端換熱器HX7、第二級(jí)雙向進(jìn)氣閥D02、第二級(jí)小孔閥02和第二級(jí)氣庫(kù)R2組成。低溫級(jí)高頻低溫脈管制冷機(jī)包括低溫級(jí)壓縮機(jī)C3、低溫級(jí)回?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX8、低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞鱎G31、低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9、低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32、低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX10、第二級(jí)聲壓放大器PA2、低溫級(jí)低溫段回?zé)崞鱎G33、低溫級(jí)冷端換熱器HX11、低溫級(jí)脈管PT3、低溫級(jí)脈管熱端換熱器HX12和低溫級(jí)慣性管13。上述各部件的連接關(guān)系如下第一級(jí)壓縮機(jī)Cl、第一級(jí)級(jí)后冷卻器AC1、第一級(jí)壓縮機(jī)高壓控制閥HVl和第一級(jí)壓縮機(jī)低壓控制閥LVl依次串連形成第一級(jí)低頻壓縮機(jī)組的循環(huán)回路；第一級(jí)回?zé)崞鱎Gl的入口與第一級(jí)壓縮機(jī)高壓控制閥HVl和第一級(jí)壓縮機(jī)低壓控制閥LVl之間的管路連通；第一級(jí)回?zé)崞鱎Gl的出口通過(guò)管路依次與第一級(jí)冷端換熱器HX2、第一級(jí)脈管PT1、第一級(jí)脈管熱端換熱器HX3、第一級(jí)小孔閥Ol以及第一級(jí)氣庫(kù)Rl進(jìn)口連通；第一級(jí)雙向進(jìn)氣閥DOl 一端與第一級(jí)回?zé)崞鱎Gl與第一級(jí)低頻壓縮機(jī)組之間的管路連通，第一級(jí)雙向進(jìn)氣閥DOl另一端與第一級(jí)小孔閥01與第一級(jí)脈管熱端換熱器HX3之間的管路連通。第二級(jí)壓縮機(jī)C2、第二級(jí)級(jí)后冷卻器AC2、第二級(jí)壓縮機(jī)高壓控制閥HV2和第二級(jí)壓縮機(jī)低壓控制閥LV2依次連通形成第二級(jí)低頻壓縮機(jī)組的循環(huán)回路；第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞鱎G21的入口與第二級(jí)壓縮機(jī)高壓控制閥HV2和第二級(jí)壓縮機(jī)低壓控制閥LV2之間的管路連通；第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞鱎G21的出口通過(guò)管路依次與第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5、第二級(jí)低溫段回?zé)崞鱎G22、第二級(jí)冷端換熱器HX6、第二級(jí)脈管PT2、第二級(jí)脈管熱端換熱器HX7、第二級(jí)小孔閥02和第二級(jí)氣庫(kù)R2連通；第二級(jí)雙向進(jìn)氣閥D02 —端與第二級(jí)低頻壓縮機(jī)組與第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞鱎G21之間的管路連通，第二級(jí)雙向進(jìn)氣閥D02的另一端與第二級(jí)小孔閥02與第二級(jí)脈管熱端換熱器HX7之間的管路連通；低溫級(jí)壓縮機(jī)C3的出口通過(guò)管路依次與低溫級(jí)回?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX8、低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞鱎G31、低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9、低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32、低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX10、第二級(jí)聲壓放大器PA2、低溫級(jí)低溫段回?zé)崞鱎G33、低溫級(jí)冷端換熱器HX11、低溫級(jí)脈管PT3、低溫級(jí)脈管熱端換熱器HX12、低溫級(jí)慣性管13連通。第一級(jí)冷端換熱器HX2、第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5以及低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9分別與第一級(jí)熱橋TBl連接，第二級(jí)預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元的第二級(jí)冷端換熱器HX6、低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX10、低溫級(jí)脈管熱端換熱器HX12和低溫級(jí)慣性管13分別與第二級(jí)熱橋TB2連接。本實(shí)施方式的1-2K復(fù)合型脈管制冷機(jī)的運(yùn)行過(guò)程為初始階段，第一級(jí)壓縮機(jī)低壓調(diào)節(jié)閥LV1、第一級(jí)壓縮機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥HVl均處于關(guān)閉狀態(tài)，氣體經(jīng)過(guò)第一級(jí)壓縮機(jī)Cl壓縮后變成高溫高壓氣體，高溫高壓氣體流經(jīng)第一級(jí)級(jí)后冷卻器ACl后冷卻至室溫，當(dāng)氣體壓力高于設(shè)定值時(shí)，第一級(jí)壓縮機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥HVl開(kāi)啟，高壓室溫氣體從第一級(jí)壓縮機(jī)高壓閥HVl處流出并分成兩股，一股通過(guò)第一級(jí)回?zé)崞鱎Gl并與其中的填料進(jìn)行換熱溫度降低進(jìn)入后續(xù)相關(guān)部件中，另一股通過(guò)第一級(jí)雙向進(jìn)氣閥DOl進(jìn)入后續(xù)的相關(guān)部件中，使整個(gè)系統(tǒng)均處于高壓狀態(tài)，然后第一級(jí)壓縮機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥HVl關(guān)閉，第一級(jí)壓縮機(jī)低壓調(diào)節(jié)閥LVl開(kāi)啟，氣體從第一級(jí)氣庫(kù)Rl經(jīng)第一級(jí)小孔閥01分成兩股，一股從第一級(jí)雙向進(jìn)氣閥DOl通過(guò)第一級(jí)壓縮機(jī)低壓調(diào)節(jié)閥LVl回到第一級(jí)壓縮機(jī)Cl，另一股經(jīng)過(guò)第一級(jí)脈管PT1、第一級(jí)回?zé)崞鱎Gl最終通過(guò)第一級(jí)壓縮機(jī)低壓調(diào)節(jié)閥LVl回到第一級(jí)壓縮機(jī)Cl，由此完成一個(gè)循環(huán)，在循環(huán)過(guò)程中，進(jìn)出第一級(jí)冷端換熱器HX2的氣體存在溫差，由此產(chǎn)生制冷效應(yīng)，第一級(jí)冷量通過(guò)第一級(jí)熱橋TBl從第一級(jí)冷端換熱器HX2中取出用以預(yù)冷進(jìn)入第二級(jí)預(yù)冷低頻脈管制冷機(jī)低溫段回?zé)崞鱎G22和低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32的氣體。初始階段，第二級(jí)壓縮機(jī)低壓調(diào)節(jié)閥LV2、第二級(jí)壓縮機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥HV2均處于關(guān)閉狀態(tài)，氣體經(jīng)過(guò)第二級(jí)壓縮機(jī)C2壓縮后變成高溫高壓氣體，高溫高壓氣體流經(jīng)第二級(jí)級(jí)后冷卻器AC2后冷卻至室溫，當(dāng)氣體壓力高于設(shè)定值時(shí)，第二級(jí)壓縮機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥HV2開(kāi)啟，高壓室溫氣體從第二級(jí)壓縮機(jī)高壓閥HV2處流出并分成兩股，一股通過(guò)第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞鱎G21并在其冷端被與第二級(jí)熱橋TB連接的第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5冷卻至第一級(jí)的制冷溫度，然后進(jìn)入后續(xù)相關(guān)部件中，另一股通過(guò)第二級(jí)雙向進(jìn)氣閥D02進(jìn)入后續(xù)的相關(guān)部件中，使整個(gè)系統(tǒng)均處于高壓狀態(tài)，然后第二級(jí)壓縮機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥HV2關(guān)閉，第二級(jí)壓縮機(jī)低壓調(diào)節(jié)閥LV2開(kāi)啟，氣體從第二級(jí)氣庫(kù)R2經(jīng)第二級(jí)小孔閥02分成兩股，一股從第二級(jí)雙向進(jìn)氣閥D02通過(guò)第二級(jí)壓縮機(jī)低壓調(diào)節(jié)閥LV2回到第二級(jí)壓縮機(jī)C2，另一股經(jīng)過(guò)第二級(jí)脈管PT2、第二級(jí)低溫段回?zé)崞鱎G22、第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞鱎G21最終通過(guò)第二級(jí)壓縮機(jī)低壓調(diào)節(jié)閥LV2回到第二級(jí)壓縮機(jī)C2，由此完成一個(gè)循環(huán)，在循環(huán)過(guò)程中，進(jìn)出第二級(jí)冷端換熱器HX6的氣體存在溫差，由此產(chǎn)生制冷效應(yīng)。第二級(jí)冷量通過(guò)第二級(jí)熱橋TB2從第二級(jí)冷端換熱器HX6中取出用以預(yù)冷進(jìn)入低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)低溫段回?zé)崞鱎G33的氣體和低溫級(jí)脈管熱端換熱器HX12和低溫級(jí)慣性管13。在高壓階段，經(jīng)過(guò)低溫級(jí)壓縮機(jī)C3壓縮的高溫高壓氣體流經(jīng)低溫級(jí)回?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX8后冷卻至室溫，然后與低溫級(jí)低溫高頻脈管第一預(yù)冷段回?zé)崞鱎G31中的回?zé)崽盍线M(jìn)行換熱，溫度降低，在低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9處冷卻至第一級(jí)脈管制冷機(jī)的冷端溫度，然后氣體進(jìn)入低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32并與其中的回?zé)崽盍线M(jìn)行換熱，溫度降低，在低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HXlO處冷卻至第二級(jí)脈管制冷機(jī)的冷端溫度，然后依次流經(jīng)第二級(jí)聲壓放大器PA2、低溫級(jí)低溫段回?zé)崞鱎G33、低溫級(jí)冷端換熱器HX11、低溫級(jí)脈管PT3、低溫級(jí)脈管熱端換熱器HX12進(jìn)入低溫級(jí)慣性管13 ;然后進(jìn)入低壓周期，氣體從低溫級(jí)慣性管13依次經(jīng)過(guò)低溫級(jí)脈管熱端換熱器HX12、低溫級(jí)脈管PT3、低溫級(jí)冷端換熱器HX11、低溫級(jí)低溫段回?zé)崞鱎G33、第二級(jí)聲壓放大器PA2、低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX10、低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32、低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9、低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞鱎G31、低溫級(jí)回?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX8回到低溫級(jí)壓縮機(jī)C3中完成一個(gè)循環(huán)，在循環(huán)過(guò)程中進(jìn)出低溫級(jí)冷端換熱器HXll的氣體存在溫差，從而在低溫級(jí)冷端換熱器HXll處獲得1-2K的制冷溫度并產(chǎn)生制冷效應(yīng)。實(shí)施例1中，第二級(jí)聲壓放大器PA2為長(zhǎng)頸管，長(zhǎng)頸管的長(zhǎng)度為其所處溫度和壓力下氦-3氣體對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4，可選擇自行加工而成，或者根據(jù)需要選擇市售的金屬管。本實(shí)施例中所提及的其他元件的結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)有技術(shù)，再次不再詳述。實(shí)施例2 如圖2所示，一種工作在1-2K的復(fù)合型脈管制冷機(jī)，與實(shí)施例1的區(qū)別在于其低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)的調(diào)相方式為低溫級(jí)慣性管13和低溫級(jí)氣庫(kù)R3的組合，且低溫級(jí)氣庫(kù)R3布置在第二級(jí)熱橋TB2上，通過(guò)使用低溫級(jí)氣庫(kù)R3，可以在低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)中獲得更優(yōu)的調(diào)相角度，最終進(jìn)一步提高低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)在1-2K的制冷效率。實(shí)施例3:如圖3所示，一種工作在1-2K的復(fù)合型脈管制冷機(jī)，與實(shí)施例1的區(qū)別在于低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9和低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32之間布置了一個(gè)用來(lái)放大低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藟罕鹊牡谝患?jí)聲壓放大器PA1，第一級(jí)聲壓放大器PAl可以使低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)的冷端壓比進(jìn)一步放大，從而使其在1-2K溫區(qū)具有更高的效率。實(shí)施例4 如圖4所示，一種工作在1-2K的復(fù)合型脈管制冷機(jī)，與實(shí)施例2的區(qū)別在于低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9和低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32之間布置了一個(gè)用來(lái)放大低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藟罕鹊牡谝患?jí)聲壓放大器PA1，第一級(jí)聲壓放大器PAl可以使低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)的冷端壓比進(jìn)一步放大，從而使其在1-2K溫區(qū)具有更高的效率。
權(quán)利要求
1.一種工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)，包括以氦-4為工質(zhì)的預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元和以氦-3為工質(zhì)的低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)單元，所述預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元為兩級(jí)低頻脈管制冷機(jī)；其特征在于 所述的低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)單元包括低溫級(jí)壓縮機(jī)(C3)、以及與低溫級(jí)壓縮機(jī)出口依次連通的低溫級(jí)回?zé)崞鳠岫藫Q熱器(HX8)、低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞?RG31)、低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HX9)、低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞?RG32)、低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HXlO)、低溫級(jí)第二級(jí)聲壓放大器(PA2)、低溫級(jí)低溫段回?zé)崞?RG33)、低溫級(jí)冷端換熱器(HXll)、低溫級(jí)脈管(PT3)、低溫級(jí)脈管熱端換熱器(HX12)和低溫級(jí)調(diào)相部件； 所述預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元和低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)單元之間通過(guò)連接在預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元的第一級(jí)冷端換熱器(HX2)、預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元的第二級(jí)預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HX5)以及低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HX9)之間的第一級(jí)熱橋(TBl)進(jìn)行一次熱耦合；通過(guò)連接在預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元的第二級(jí)冷端換熱器(HX6)以及低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HXlO)的第二級(jí)熱橋(TB2)進(jìn)行二次熱耦合； 所述第二級(jí)聲壓放大器(PA2)為長(zhǎng)頸管，長(zhǎng)頸管的長(zhǎng)度為其所處溫度和壓力下氦-3氣體對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4，且第二級(jí)聲壓放大器(PA2)同時(shí)與第二級(jí)橋(TB2)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)，其特征在于所述低溫級(jí)調(diào)相部件為慣性管，且所述低溫級(jí)脈管熱端換熱器(HX12)和慣性管同時(shí)與第二熱橋(TB2)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)，其特征在于所述低溫級(jí)調(diào)相部件為慣性管以及與慣性管連通的氣庫(kù)，且低溫級(jí)脈管熱端換熱器(HX12)、慣性管和氣庫(kù)同時(shí)與第二級(jí)熱橋(TB2)連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)，其特征在于所述低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)單元內(nèi)低溫級(jí)第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HX9)和低溫級(jí)第二預(yù)冷段回?zé)崞?RG32)之間通過(guò)第一級(jí)聲壓放大器(PAl)相互連通，第一級(jí)聲壓放大器(PAl)為長(zhǎng)徑管，該長(zhǎng)徑管的長(zhǎng)度為其所在溫度和壓力下氦-3波長(zhǎng)1/4。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)，其特征在于所述低溫級(jí)調(diào)相部件為慣性管，且所述低溫級(jí)脈管熱端換熱器(HX12)和慣性管同時(shí)與第二熱橋(TB2)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)，其特征在于所述低溫級(jí)調(diào)相部件為慣性管以及與慣性管連通的氣庫(kù)，且低溫級(jí)脈管熱端換熱器(HX12)、慣性管和氣庫(kù)同時(shí)與第二級(jí)熱橋(TB2)連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6任一權(quán)利要求所述的工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)，其特征在于所述預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元為氣耦合的兩級(jí)低頻脈管制冷機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 6任一權(quán)利要求所述的工作在1-2K的復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)，其特征在于所述預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)單元為熱耦合的兩級(jí)低頻脈管制冷機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種1-2K復(fù)合型多級(jí)脈管制冷機(jī)，包括使用氦-4工質(zhì)的預(yù)冷級(jí)低頻脈管制冷機(jī)和使用氦-3工質(zhì)的低溫級(jí)高頻脈管制冷機(jī)，本發(fā)明通過(guò)高頻脈管制冷機(jī)和低頻脈管制冷機(jī)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。與傳統(tǒng)的使用氦-3為工質(zhì)的兩級(jí)低頻脈管制冷機(jī)相比，本發(fā)明可以顯著的減少氦-3氣體的用量，具有成本低，獲得方便的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)保留了脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F25B9/14GK103017395SQ201310017578
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月17日
發(fā)明者甘智華, 王博, 劉東立, 王龍一, 張小斌, 張學(xué)軍, 汪偉偉, 劉雨夢(mèng), 吳鎂, 朱佳凱 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)