采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器及其脈管制冷的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器，包括管殼、以及置于管殼內的回熱填料，所述的回熱填料為內部充注有氦氣的密封換熱結構。本發明還公開了一種采用上述深低溫回熱器的脈管制冷機。本發明利用低溫下氦氣具有較高體積比熱容的特性，將其封閉在一定的空間中作為回熱介質與作為制冷工質的氦氣進行換熱；可以根據脈管制冷機的工作壓力，選擇充注合適壓力的氦氣于該密閉空間中，以實現在深低溫區內作為回熱介質的氦氣的體積比熱容高于作為制冷工質的氦氣，實現了高效回熱，最終提高液氦溫區脈管制冷機的性能。同時與磁性回熱材料相比，本發明的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器具有價格低廉、易獲得、不受磁場影響等優點。
【專利說明】采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器及其脈管制冷機
【技術領域】
[0001]本發明涉及回熱式低溫制冷機，尤其是涉及一種采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器及其脈管制冷機。
【背景技術】
[0002]液氦溫區在國防軍事、能源醫療、航空航天、低溫物理等領域有著不可或缺的重要作用。自荷蘭物理學家Kamerlingh.0nnes于1908年首次實現氦的液化以來,液氦溫區(4K)一直是低溫工程領域研究的重點和難點。同時，特別是20世紀80年代以來，人類對深低溫制冷技術有了更高的技術和性能要求，對低溫制冷機的效率、可靠性、體積和重量，以及振動等提出了越來越苛刻的要求。
[0003]脈管制冷機由Gifford和Longsworth于1964年提出，它在冷端不存在運動部件，具有高可靠性和長壽命的潛在優勢，經過近半個世紀的發展，脈管制冷機目前已廣泛應用于航空航天、低溫超導等領域。根據驅動源的不同，脈管制冷機主要分為G-M脈管制冷機(也稱低頻脈管制冷機)和Stirling脈管制冷機(也稱高頻脈管制冷機)；G_M脈管制冷機由G-M制冷機的壓縮機驅動，其工作頻率一般為I?2Hz，Stirling脈管制冷機由線性壓縮機驅動，其工作頻率一般在30Hz。
[0004]目前G-M脈管制冷機可以獲得的最低溫度為1.3K，已實現液氦及以上溫區的商業化應用，但是其在液氦溫區的效率很低(在4.2K獲得IW的制冷量需要輸入6?1kW的電功)；而與G-M脈管制冷機相比，Stirling脈管制冷機具有結構緊湊、效率高、重量輕等一系列優勢，而且它在35K及以上溫區的技術相對成熟，目前已廣泛應用于上述溫區的航空航天任務中，但是Stirling脈管制冷機在深低溫(〈10K)的效率仍然極低，其中一個主要原因是氦氣的體積比熱容在15K以下溫區急劇增大，而常用回熱填料(如鉛丸、不銹鋼等材料)的比熱容則顯著下降，雖然磁性回熱填料(ErNi等)具有較高的體積比熱容峰值，但是該峰值也只存在其相變溫度區域內，從而引起深低溫回熱器的效率急劇減小(如圖4所示)，進而導致液氦溫區Stirling脈管制冷機效率極低，所以尋找在深低溫下(〈10K)具有高比熱容的回熱填料是解決當前液氦溫區脈管制冷機效率低下的一個關鍵。申請號為CN200910100286.X的專利文獻公開了一種采用不銹鋼纖維回熱材料的高頻回熱器及其制冷機，采用不銹鋼纖維回熱材料的高頻回熱器是在不銹鋼管內填充有絲徑為2mm-15mm的不銹鋼纖維構成高頻回熱器，在300-80K溫區的工作頻率為150HZ-1000HZ，在80K-35K溫區的工作頻率為100HZ-1000HZ。這種新型的高頻回熱器不僅可以應用于80K溫區單級脈管制冷機，也可以應用在35K溫區多級熱耦合或氣耦合脈管制冷機。不銹鋼纖維具有比傳統不銹鋼絲網更小的絲徑，能夠形成更小的流體通道，可以使得回熱器在300K-80K溫區，150-1000HZ的高頻工況下，或者在80K-35K溫區，100-1000HZ的高頻工況下，高效工作。但是如上所述，在深低溫下(〈10K)該回熱材料的比熱容則會顯著下降，則大大影響了回熱器和脈管制冷機的制冷效率。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器，通過采用充注有氦氣的密封換熱結構的回熱填料，顯著提高了回熱材料在深低溫下(〈10K)下的比熱容，提高了回熱器和脈管制冷機的制冷效率。
[0006]本發明還提供另一種采用上述深低溫回熱器的脈管制冷機，該制冷機均能高效達到1K及更低的工作溫區。
[0007]—種采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器，包括帶有熱端流孔口和冷端流孔的管殼、以及置于所述管殼內的回熱填料，回熱填料內具有將熱端流孔口和冷端流孔連通的氣體流道，所述的回熱填料為內部充注有氦氣的密封換熱結構。
[0008]所述密封換熱結構可選用多種結構，為便于安裝和加工，作為優選，所述密封換熱結構包括:
[0009]若干組用于充注氦氣的換熱管；
[0010]用于將每組換熱管一端密封固定的多個第一固定件，用于將每組換熱管另一端密封固定的多個第二固定件；
[0011]所述第一固定件和第二固定件上設有將對應組換熱管內各換熱管相互連通的連接通道。通過在第一固定件和第二固定件上設置連接通道，保證一組換熱管內各個換熱器形成一個整體。所述連接通道可采用溝槽結構，也可采用設置管道結構。例如，所述第一固定件和第二固定件可采用帶有空腔的管狀結構，此時，在管狀結構上加工與換熱管對應的槽口，利用焊接等固定方式將換熱管的端部側壁與槽口的孔壁密封固定。
[0012]作為優選，每組換熱管呈環形布置，若干組環形布置的換熱管同心設置，相鄰組換熱管之間留有所述的氣體流道。采用該技術方案時，保證回熱器內換熱均勻，提高了換熱效率。
[0013]作為優選，所述密封換熱結構還包括:將所有第一固定件或者將所有第二固定件相互定的至少一個連接臂，且至少有一個連接臂內設有將所有連接通道連通的充氣管路，通過充氣管路實現對所有換熱管的充氣。連接臂實現了對多個第一個固定件或者對多個第二固定件的固定，同時充氣管路的設置保證各組換熱管形成一個整體，便于系統參數的控制。
[0014]作為另一種優選方案，所述密封換熱結構為:在管殼軸向上呈迂回狀設置、在管殼周向上呈螺旋線布置的換熱管，該換熱管上至少設有一個充氣口。
[0015]為提高換熱性能，作為優選，所述換熱管為銅管。銅管在深低溫下(〈10K)下換熱系數依然較高，進一步提高了回熱器的換熱性能。
[0016]氦氣在不同溫度和壓力下的體積比熱容如圖5所示，從圖中可以看出不同壓力下氦氣的體積比熱容存在一個峰值，同時該峰值對應一個臨界溫度，在該臨界溫度以下，氦氣的體積比熱容隨著溫度的升高而升高，在該臨界溫度以上，氦氣的體積比熱容隨著溫度的升高而降低；同時從圖5中可以看出，氦氣的體積比熱容的峰值隨著壓力的降低而升高，且峰值遠高于圖4中的磁性回熱材料。
[0017]上述特性表明作為制冷工質的氦氣本身是一種極其理想的回熱介質，通過合理的結構設計，可將氦氣密封在封閉的空間結構中(如銅管內)，該空間結構便可當作高效回熱填料使用，其中的氦氣作為回熱介質與作為制冷工質的氦氣進行換熱，即可實現高效的回熱性能。同時，還可以根據脈管制冷機的充氣壓力，選擇充注合適壓力的氦氣于該密閉空間結構中，以實現在工作溫區內，作為回熱介質的氦氣的體積比熱容高于作為制冷工質的氦氣。例如，液氦溫區脈管制冷機常用的充氣壓力如I?1.5MPa,以1.0MPa為例，從圖4中可以看出，1.0MPa下氦氣體積比熱容峰值對應的溫度約為7.5K，通過試驗測量和數值模擬，可以獲得回熱器中的溫度分布，在溫度低于7K的溫區內，可以選擇充注壓力低于1.0MPa的氦氣作為回熱介質，因為在此溫區內氦氣的體積比熱容隨著壓力的下降而升高，在高于7K的溫度，選擇充注壓力高于1.0MPa的氦氣作為回熱介質，因為在此溫度內氦氣的體積比熱容隨著壓力的升高而升高，使得在整個溫區(4-10K)內作為回熱介質的氦氣的體積比熱容高于作為制冷工質的氦氣，從而實現高效回熱，最終提高液氦溫區脈管制冷機的性能。同時與液氦溫區常用的磁性回熱材料相比，氦氣具有價格低廉、易獲取、不受磁場影響等優點。
[0018]基于上述采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器以及現有脈管制冷機技術，本發明提供了兩種脈管制冷機，下述兩種脈管制冷機的制冷效率均較高，均能高效達到1K及更低的工作溫區。
[0019]一種脈管制冷機，包括第一級預冷脈管制冷機單元和第二級低溫脈管制冷機單元，第一級預冷脈管制冷機單元和第二級低溫脈管制冷機單元內均采用低頻壓縮機組；所述第二級低溫脈管制冷機單元的回熱器包括依次連通的第二級預冷段回熱器、第二級預冷段回熱器冷端換熱器、第二級中溫段回熱器和第二級低溫段回熱器；所述第一級預冷脈管制冷機單元和第二級低溫脈管制冷機單元之間通過連接在第一級預冷脈管制冷機單元的第一級冷端換熱器和第二級預冷段回熱器冷端換熱器之間的熱橋進行熱耦合；所述第二級低溫段回熱器為上述任一技術方案所述的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器。低頻壓縮機組的組成為現有技術，一般包括壓縮機、級后冷卻器、低壓控制閥和高壓控制閥等。
[0020]所述第一級預冷脈管制冷機單元包括依次連接的第一級低頻壓縮機組、第一級回熱器、第一級冷端換熱器、第一級脈管、第一級脈管熱端換熱器以及第一級調相機構，所述第一級調相機構包括:第一級氣庫，通過管路與所述第一級脈管熱端換熱器的連通；第一級小孔閥，設于所述第一級氣庫與所述第一級脈管熱端換熱器之間的管路上；第一級雙向進氣閥，一端與所述第一級低頻壓縮機組與第一級回熱器之間的管路連通，另一端與第一級小孔閥與所述第一級脈管熱端換熱器之間的管路連通。
[0021]所述第二級低溫脈管制冷機單元包括依次連接的第二級低頻壓縮機組、第二級預冷段回熱器、第二級預冷段回熱器冷端換熱器、第二級中溫段回熱器、第二級低溫段回熱器、第二級冷端換熱器、第二級脈管、第二級脈管熱端換熱器以及第二級調相機構，所述第二級調相機構包括:第二級氣庫，通過管路與所述第二級脈管熱端換熱器的連通；第二級小孔閥，設于所述第二級氣庫與所述第二級脈管熱端換熱器之間的管路上；第二級雙向進氣閥，一端與所述第二級低頻壓縮機組與第二級預冷段回熱器之間的管路連通，另一端與第二級小孔閥與所述第二級脈管熱端換熱器之間的管路連通。
[0022]第一級調相機構和第二級調相機構也可采用其他具有相同調相功能的調相機構，用于相應回熱器內的質量流和壓力波相位的調整，保證系統的穩定高效運行。
[0023]為進一步提高制冷性能，所述熱橋(TB)同時對所述第二級低溫脈管制冷機單元的調相機構和脈管熱端換熱器進行預冷。
[0024]當采用低頻壓縮機組時，一般采用兩級結構即可達到1K及1K以下的工作溫區。當采用高頻壓縮機組時，例如當采用線性壓縮機時，目前條件下，兩級結構很難達到1K及1K以下的工作溫區，所以為了保證本發明的回熱器更有效的工作，作為優選，一種脈管制冷機，包括第一級預冷脈管制冷機單元、第二級預冷脈管制冷機單元和第三級低溫脈管制冷機單元；所述第二級預冷脈管制冷機單元包括依次連通的第二級預冷段回熱器、第二級預冷段回熱器冷端換熱器、第二級低溫段回熱器；所述第三級低溫脈管制冷機單元內的回熱器包括依次連通的第三級第一預冷段回熱器、第三級第一預冷段回熱器冷端換熱器、第三級第二預冷段回熱器、第三級第二預冷段回熱器冷端換熱器、第三級低溫段回熱器；所述第一級預冷脈管制冷機單元、第二級預冷脈管制冷機單元和第三級低溫脈管制冷機單元通過連接在第一級預冷脈管制冷機單元的第一級冷端換熱器、第二級預冷段回熱器冷端換熱器以及第三級第一預冷段回熱器冷端換熱器之間的第一級熱橋進行一次熱耦合，通過連接在第三級第二預冷段回熱器冷端換熱器以及第二級預冷脈管制冷機單元的第二級冷端換熱器的第二級熱橋進行二次熱耦合；所述第三級低溫段回熱器為上述技術方案中任一技術方案所述的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器。
[0025]所述的第一級預冷脈管制冷機單元、第二級預冷脈管制冷機單元和第三級低溫脈管制冷機單元均包括一調相機構，該調相機構均由一氣庫以及設于該氣庫與相應的脈管熱端換熱器之間的慣性管組成。
[0026]為進一步降低第三級低溫脈管制冷機單元低溫段的工作溫區，作為優選，所述第三級低溫脈管制冷機單元內的脈管熱端換熱器和調相機構同時與第二級熱橋連通。
[0027]作為進一步優選，所述第一熱橋(TBl)同時對第二級預冷脈管制冷機單元的調相機構和脈管熱端換熱器進行預冷；所述第二熱橋(TB2)同時對第三級低溫脈管制冷機單元的調相機構和脈管熱端換熱器進行預冷。
[0028]與現有技術相比，本發明的有益效果體現在:
[0029]本發明的深低溫回熱器，利用氦氣在1K及1K以下溫區時，具有較高的體積比熱容，采用封閉空間中充注的氦氣作為回熱介質，與使用傳統回熱填料(如稀土類磁性回熱材料等)的深低溫回熱器相比，本發明可以實現液氦溫區的高效換熱，且具有價格低，易獲取，不受磁場影響等優點，使得采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器可以獲得具有更高的效率，從而提高了深低溫脈管制冷機的性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1a為本發明的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器的一種實施方式的結構示意圖。
[0031]圖1b為圖1a所示深低溫回熱器的下端蓋的結構示意圖。
[0032]圖2為本發明的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器的脈管制冷機的一種實施方式的結構示意圖。
[0033]圖3為本發明的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器的脈管制冷機的另一種實施方式的結構示意圖。
[0034]圖4為多種回熱器填料的體積比熱容與溫度之間的關系。
[0035]圖5為不同溫度和壓力下氦氣的體積比熱容。
[0036]上述附圖中:
[0037]SC、管殼；UC、上端蓋；T、換熱管；DC、下端蓋；FC、氣體流道；CP、充氣管路；1、熱端流孔；2、冷端流孔；3、槽口 ；4、第一固定件；5、第二固定件；6、連接臂；7、連接通道；
[0038]Cl、第一級壓縮機；C2、第二級壓縮機；C3、第三級壓縮機；AC1、第一級級后冷卻器；AC2、第二級級后冷卻器；LV1、第一級壓縮機低壓控制閥；LV2、第二級壓縮機低壓控制閥；第取1、一級壓縮機高壓控制閥；HV2、第二級壓縮機高壓控制閥；D01、第一級雙向進氣閥；D02、第二級雙向進氣閥；01、第一級小孔閥；02、第二級小孔閥；R1、第一級氣庫；R2、第二級氣庫組成；R3、第三級氣庫；HX1、第一級回熱器熱端換熱器；HX2、第一級冷端換熱器；HX3、第一級脈管熱端換熱器；HX4、第二級回熱器熱端換熱器；HX5、第二級預冷段回熱器冷端換熱器；HX6、第二級冷端換熱器；HX7、第二級脈管熱端換熱器；HX8、第三級回熱器熱端換熱器；HX9、第三級第一預冷段回熱器冷端換熱器；HX10、第三級第二預冷段回熱器冷端換熱器；HX11、第三級冷端換熱器；HX12、第三級脈管熱端換熱器；He-Re、深低溫回熱器；He-Re2、第二級低溫段回熱器；He-Re3、第三級低溫段回熱器；RG1、第一級回熱器；RG21、第二級預冷段回熱器；RG22、第二級中溫段回熱器；RG23、第二級低溫段回熱器；RG31、第三級第一預冷段回熱器；RG32、第三級第二預冷段回熱器；PT1、第一級脈管；ΡΤ2、第二級脈管；ΡΤ3、第三級脈管；ΤΒ、熱橋；ΤΒ1、第一級熱橋；ΤΒ2、第二級熱橋；11、第一級慣性管；12、第二級慣性管；13、第三級慣性管。
【具體實施方式】
[0039]實施例1
[0040]如圖1a和圖1b所示:一種采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器He-Re包括:帶有熱端流孔I和冷端流孔2的管殼SC、以及置于管殼SC內的回熱填料，回熱填料內具有將熱端流孔I和冷端流孔2連通的氣體流道FC，回熱填料為內部充注有氦氣的密封換熱結構。管殼SC為不銹鋼管。
[0041]密封換熱結構包括:上端蓋UC、下端蓋DC、以及固定在上端蓋UC、下端蓋DC之間的若干組用于充注氦氣的換熱管T。換熱管T為銅管。每組換熱管T呈環形設置；多組環形的換熱管T同心布置。相鄰兩組換熱管T之間為氣體流道Fe。
[0042]如圖1(b)所示，下端蓋DC由環形的第二固定件5、以及將多個環形的第二固定件5相互固定的連接臂6組成，連接臂6為周向均勻設置的四個；每個第二固定件5用于固定一組環形的換熱管3，第二固定件5內設有將該組換熱管T中各換熱管T相互連通的連接通道7，第二固定件5頂面設有與連接通道7連通的槽口 3，槽口 3的數量與換熱管T的數量對應，安裝時換熱管T底端側壁與槽口 3邊緣通過焊接密封固定；相鄰兩個第二固定件5之間形成冷端流孔2。
[0043]上端蓋UC的結構與下端蓋DC的結構基本相同，上端蓋UC上設有第一固定件4，第一固定件4與第二固定件5結構相同，用于與換熱管T頂部密封固定；兩個相鄰第一固定件4之間形成熱端流孔I ;為便于完成充氣，下端蓋DC上的其中一個連接臂6內設有將所有連接通道連通的充氣管路CP。
[0044]充注氦氣時，通過充氣管路CP向換熱管T內部充注，當氦氣壓力穩定時，將充氣管路CP的端部進行密封即可。
[0045]實施例2
[0046]如圖2所示，一種采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器的兩級低頻脈管制冷機包括:由第一級壓縮機Cl、第一級級后冷卻器ACl、第一級壓縮機低壓控制閥LVl、第一級壓縮機高壓控制閥HV1、第一級回熱器RG1、第一級冷端換熱器HX2、第一級脈管PT1、第一級脈管熱端換熱器HX3、第一級雙向進氣閥D01、第一級小孔閥01、第一級氣庫Rl組成的第一級預冷脈管制冷機單元，熱橋TB，以及由第二級壓縮機C2、第二級級后冷卻器AC2、第二級壓縮機低壓控制閥LV2、第二級壓縮機高壓控制閥HV2、第二級預冷段回熱器RG21、第二級預冷段回熱器冷端換熱器HX5、第二級中溫段回熱器RG22、第二級低溫段回熱器He-Re2、第二級冷端換熱器HX6、第二級脈管PT2、第二級脈管熱端換熱器HX7、第二級雙向進氣閥D02、第二級小孔閥02和第二級氣庫R2組成的第二級低溫脈管制冷機單元。
[0047]第二級低溫段回熱器He-Re2與實施例1中采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器He-Re結構相同，第二級低溫段回熱器He-Re2工作溫區為1K及1K以下，其中充注有作為回熱介質的氦氣。
[0048]上述各部件的連接關系如下:
[0049]第一級壓縮機Cl、第一級級后冷卻器AC1、第一級壓縮機高壓控制閥HVl和第一級壓縮機低壓控制閥LVl依次串連形成第一級低頻壓縮機組的循環回路；第一級回熱器RGl的入口與第一級壓縮機高壓控制閥HVl和第一級壓縮機低壓控制閥LVl之間的管路連通；第一級回熱器RGl的出口依次通過管路與第一級冷端換熱器HX2、第一級脈管PT1、第一級脈管熱端換熱器HX3、第一級小孔閥01以及第一級氣庫Rl進口連通；第一級雙向進氣閥DOl 一端與第一級回熱器RGl與第一級低頻壓縮機組之間的管路連通，第一級雙向進氣閥DOl另一端與第一級小孔閥01與第一級脈管熱端換熱器HX3之間的管路連通。
[0050]第二級壓縮機C2、第二級級后冷卻器AC2、第二級壓縮機高壓控制閥HV2和第二級壓縮機低壓控制閥LV2依次連通形成第二級低頻壓縮機組；第二級預冷段回熱器RG21通過管路依次與第二級預冷段回熱器冷端換熱器HX5、第二級中溫段回熱器RG22、第二級低溫段回熱器He-Re2、第二級冷端換熱器HX6、第二級脈管PT2、第二級脈管熱端換熱器HX7、第二級小孔閥02和第二級氣庫R2連通；第二級雙向進氣閥D02 —端與第二級低頻壓縮機組與第二級預冷段回熱器RG21之間的管路連通，第二級雙向進氣閥D02的另一端與第二級小孔閥02與第二級脈管熱端換熱器HX7之間的管路連通。
[0051]第一級預冷脈管制冷機單元與第二級低溫脈管制冷機單元之間通過連接在第一級冷端換熱器HX2、第二級預冷段回熱器冷端換熱器HX5的熱橋TB進行熱耦合，實現第一級冷端換熱器HX2對第二級預冷段回熱器冷端換熱器HX5的預冷。
[0052]本實施方式的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器的兩級低頻脈管制冷機的運行過程為:
[0053]初始階段，第一級壓縮機低壓調節閥LV1、第一級壓縮機高壓調節閥HVl均處于關閉狀態，氣體經過第一級壓縮機Cl壓縮后變成高溫高壓氣體，高溫高壓氣體流經第一級級后冷卻器ACl后冷卻至室溫，當氣體壓力高于設定值時，第一級壓縮機高壓調節閥HVl開啟，高壓室溫氣體從第一級壓縮機高壓閥HVl處流出并分成兩股，一股通過第一級回熱器RGl并與其中的填料進行換熱溫度降低進入后續相關部件中，另一股通過第一級雙向進氣閥DOl進入后續的相關部件中，使整個系統均處于高壓狀態，然后第一級壓縮機高壓調節閥HVl關閉，第一級壓縮機低壓調節閥LVl開啟，氣體從第一級氣庫Rl經第一級小孔閥01分成兩股，一股從第一級雙向進氣閥DOl通過第一級壓縮機低壓調節閥LVl回到第一級壓縮機Cl，另一股經過第一級脈管PT1、第一級回熱器RGl最終通過第一級壓縮機低壓調節閥LVl回到第一級壓縮機Cl，由此完成一個循環，在循環過程中，進出第一級冷端換熱器HX2的氣體存在溫差，由此產生制冷效應，第一級冷量通過熱橋TB從第一級冷端換熱器HX2中取出用以預冷進入第二級低溫段回熱器的氣體。
[0054]初始階段，第二級壓縮機低壓調節閥LV2、第二級壓縮機高壓調節閥HV2均處于關閉狀態，氣體經過第二級壓縮機C2壓縮后變成高溫高壓氣體，高溫高壓氣體流經第二級級后冷卻器AC2后冷卻至室溫，當氣體壓力高于設定值時，第二級壓縮機高壓調節閥HV2開啟，高壓室溫氣體從第二級壓縮機高壓閥HV2處流出并分成兩股，一股通過第二級預冷段回熱器RG21并在其冷端被與熱橋TB連接的第二級預冷段回熱器冷端換熱器HX5冷卻至第一級的制冷溫度，然后進入后續相關部件中，另一股通過第二級雙向進氣閥D02進入后續的相關部件中，使整個系統均處于高壓狀態，然后第二級壓縮機高壓調節閥HV2關閉，第二級壓縮機低壓調節閥LV2開啟，氣體從第二級氣庫R2經第二級小孔閥02分成兩股，一股從第二級雙向進氣閥D02通過第二級壓縮機低壓調節閥LV2回到第二級壓縮機C2，另一股經過第二級脈管PT2、第二級低溫段回熱器He-Re2、第二級中溫段回熱器RG22、第二級預冷段回熱器冷端換熱器HX5、第二級預冷段回熱器RG21最終通過第二級壓縮機低壓調節閥LV2回到第二級壓縮機C2，由此完成一個循環，在循環過程中，進出第二級冷端換熱器HX6的氣體存在溫差，由此產生制冷效應。
[0055]實施例3
[0056]如圖3所示，一種采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器的高頻脈管制冷機包括由第一級壓縮機Cl、第一級回熱器熱端換熱器HX1、第一級回熱器RG1、第一級冷端換熱器HX2、第一級脈管PT1、第一級脈管熱端換熱器HX3、第一級慣性管I1、第一級氣庫Rl組成的第一級預冷脈管制冷機單元，第一級熱橋TB1，由第二級壓縮機C2、第二級回熱器熱端換熱器HX4、第二級預冷段回熱器RG21、第二級預冷段回熱器冷端換熱器HX5、第二級低溫段回熱器RG23、第二級冷端換熱器HX6、第二級脈管PT2、第二級脈管熱端換熱器HX7、第二級慣性管12、第二級氣庫R2組成的第二級預冷脈管制冷機單元，第二級熱橋TB2，以及由第三級壓縮機C3、第三級回熱器熱端換熱器HX8、第三級第一預冷段回熱器RG31、第三級第一預冷段回熱器冷端換熱器HX9、第三級第二預冷段回熱器RG32、第三級第二預冷段回熱器冷端換熱器HX10、第三級低溫段回熱器He-Re3、第三級冷端換熱器HX11、第三級脈管PT3、第三級脈管熱端換熱器HX12、第三級慣性管13、第三級氣庫R3組成的第三級低溫脈管制冷機單
J Li ο
[0057]第三級低溫段回熱器He-Re3與實施例1中采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器He-Re結構相同，第三級低溫段回熱器He-Re3工作溫區在1K及1K以下，其中充注有作為回熱介質的氦氣。
[0058]上述各部件的連接關系如下:
[0059]第一級壓縮機Cl通過管路依次與第一級回熱器熱端換熱器HX1、第一級回熱器RG1、第一級冷端換熱器HX2、第一級脈管PT1、第一級脈管熱端換熱器HX3、第一級慣性管Il和第一級氣庫Rl連通；
[0060]第二級壓縮機C2通過管路依次與第二級回熱器熱端換熱器HX4、第二級預冷段回熱器RG21、第二級預冷段回熱器冷端換熱器HX5、第二級低溫段回熱器RG23、第二級冷端換熱器HX6、第二級脈管PT2、第二級脈管熱端換熱器HX7、第二級慣性管12和第二級氣庫R2連通；
[0061]第三級壓縮機C3通過管路依次與第三級回熱器熱端換熱器HX8、第三級第一預冷段回熱器RG31、第三級第一預冷段回熱器冷端換熱器HX9、第三級第二預冷段回熱器RG32、第三級第二預冷段回熱器冷端換熱器HX10、第三級低溫段回熱器He-Re3、第三級冷端換熱器HX11、第三級脈管PT3、第三級脈管熱端換熱器HX12、第三級慣性管13和第三級氣庫R3連通。
[0062]第一級冷端換熱器HX2、第二級預冷段回熱器冷端換熱器HX5以及第三級第一預冷段回熱器冷端換熱器HX9分別第一級熱橋TBl連接，第三級第二預冷段回熱器冷端換熱器HXlO和第二級預冷脈管制冷機單元的第二級冷端換熱器HX6分別與第二級熱橋TB2連接。
[0063]該實施方式的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器的高頻脈管制冷機的工作過程為:
[0064]在高壓階段，經過第一級壓縮機Cl壓縮的高溫高壓氣體流經第一級回熱器熱端換熱器HXl后冷卻至室溫，然后與第一級回熱器RGl中的回熱填料進行換熱，溫度降低，然后依次流經第一級冷端換熱器HX2、第一級脈管PT1、第一級脈管熱端換熱器HX3、第一級慣性管Il進入第一級氣庫Rl ;然后進入低壓周期，氣體從第一級氣庫Rl依次經過第一級慣性管I1、第一級脈管熱端換熱器HX3、第一級脈管PT1、第一級冷端換熱器HX2、第一級回熱器RGl回到第一級壓縮機Cl中完成一個循環，在循環過程中進出第一級冷端換熱器HX2的氣體存在溫差，從而在第一級冷端換熱器HX2處產生制冷效應，該處的制冷量通過分別與第一級熱橋TBl連接的第二級預冷段回熱器冷端換熱器HX5和第三級第一預冷段回熱器冷端換熱器HX9為第二級脈管制冷機和第三級脈管制冷機提供預冷。
[0065]在高壓階段，經過第二級壓縮機C2壓縮的高溫高壓氣體流經第二級回熱器熱端換熱器HX4后冷卻至室溫，然后與第二級預冷段回熱器RG21中的回熱填料進行換熱，溫度降低，然后在第二級預冷段回熱器冷端換熱器HX5處冷卻至第一級脈管制冷機的冷端溫度，然后低溫氣體依次流經第二級低溫段回熱器RG23、第二級冷端換熱器HX6、第二級脈管PT2、第二級脈管熱端換熱器HX7、第二級慣性管12進入第二級氣庫R2 ;然后進入低壓周期，氣體從第二級氣庫R2依次經過第二級慣性管12、第二級脈管熱端換熱器HX7、第二級脈管PT2、第二級冷端換熱器HX6、第二級低溫段回熱器RG23、第二級預冷段回熱器冷端換熱器HX5、第二級預冷段回熱器RG21回到第二級壓縮機C2中完成一個循環，在循環過程中進出第二級冷端換熱器HX6的氣體存在溫差，從而在第二級冷端換熱器HX6處產生制冷效應，該處的制冷量通過與第二級熱橋TB2連接的第三級第二預冷段回熱器冷端換熱器HXlO為第三級脈管制冷機提供預冷。
[0066]在高壓階段，經過第三級壓縮機C3壓縮的高溫高壓氣體流經第三級回熱器熱端換熱器HX8后冷卻至室溫，然后與第三級第一預冷段回熱器RG31中的回熱填料進行換熱，溫度降低，在第三級第一預冷段回熱器冷端換熱器HX9處冷卻至第一級脈管制冷機的冷端溫度，然后氣體進入第三級第二預冷段回熱器RG32并與其中的回熱填料進行換熱，溫度降低，在第三級第二預冷段回熱器冷端換熱器HXlO處冷卻至第二級脈管制冷機的冷端溫度，然后依次流經第三級低溫段回熱器He-Re3、第三級冷端換熱器HX11、第三級脈管PT3、第三級脈管熱端換熱器HX12、第三級慣性管13進入第三級氣庫R3 ;然后進入低壓周期，氣體從第三級氣庫R3依次經過第三級慣性管13、第三級脈管熱端換熱器HX12、第三級脈管PT3、第三級冷端換熱器HX11、第三級低溫段回熱器He-Re3、第三級第二預冷段回熱器冷端換熱器HX10、第三級第二預冷段回熱器RG32、第三級第一預冷段回熱器冷端換熱器HX9、第三級第一預冷段回熱器RG31回到第三級壓縮機C3中完成一個循環，在循環過程中進出第三級冷端換熱器HXll的氣體存在溫差，從而在第三級冷端換熱器HXll處產生制冷效應。
[0067]上述實施例中，第三級低溫段回熱器He-Re3、第二級低溫段回熱器He-Re2的長度和充注壓力需要根據實際模擬實驗確定，即第三級低溫段回熱器He-Re3、第二級低溫段回熱器He-Re2工作的溫度為1K及1K以下，根據圖5所示的氦氣在不同溫度和壓力下的體積比熱容，以脈管制冷機的充氣壓力為參考壓力，在該參考壓力下對應體積比熱容峰值的兩側選擇不同的充氣壓力，以實現在整個工作溫區充注壓力下的氦氣的體積比熱容高于參考壓力下的制冷工質氦氣的體積比熱容，最終實現該段回熱器的高效換熱。
【權利要求】
1.一種采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器，包括帶有熱端流孔(I)和冷端流孔(2)的管殼(SC)、以及置于所述管殼(SC)內的回熱填料，回熱填料內具有將熱端流孔(I)和冷端流孔(2)連通的氣體流道(FC)，其特征在于，所述的回熱填料為內部充注有氦氣的密封換熱結構。
2.根據權利要求1所述的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器，其特征在于，所述密封換熱結構包括: 若干組用于充注氦氣的換熱管(T)； 用于將每組換熱管(T) 一端密封固定的多個第一固定件(4)，用于將每組換熱管(T)另一端密封固定的多個第二固定件(5)； 所述第一固定件(4)和第二固定件(5)上設有將對應組換熱管(T)內各換熱管相互連通的連接通道(7)。
3.根據權利要求2所述的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器，其特征在于，每組換熱管(T)呈環形布置，若干組環形布置的換熱管(T)同心設置，相鄰組換熱管(T)之間留有所述的氣體流道(Fe)。
4.根據權利要求3所述的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器，其特征在于，所述密封換熱結構還包括:將所有第一固定件(4)或者將所有第二固定件(5)相互定的至少一個連接臂出)，且至少有一個連接臂(5)內設有將所有連接通道(7)連通的充氣管路(CP)，通過充氣管路(CP)實現對所有換熱管(T)的充氣。
5.根據權利要求1所述的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器，其特征在于，所述密封換熱結構為:在管殼(SC)軸向上呈迂回狀設置、在管殼(SC)周向上呈螺旋線布置的換熱管，該換熱管上至少設有一個充氣口。
6.根據權利要求5或4所述的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器，其特征在于，所述換熱管為銅管。
7.一種脈管制冷機，包括第一級預冷脈管制冷機單元和第二級低溫脈管制冷機單元；其特征在于， 所述第二級低溫脈管制冷機單元的回熱器包括依次連通的第二級預冷段回熱器(RG21)、第二級預冷段回熱器冷端換熱器(HX5)、第二級中溫段回熱器(RG22)和第二級低溫段回熱器(He-Re2)； 所述第一級預冷脈管制冷機單元的冷端通過熱橋(TB)實現對第二級預冷段回熱器冷端換熱器(HX5)的預冷； 所述第二級低溫段回熱器(He-Re2)為權利要求1_6任一權利要求所述的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器。
8.根據權利要求7所述的脈管制冷機，其特征在于，所述熱橋(TB)同時對所述第二級低溫脈管制冷機單元的調相機構和脈管熱端換熱器進行預冷。
9.一種脈管制冷機，包括第一級預冷脈管制冷機單元、第二級預冷脈管制冷機單元和第三級低溫脈管制冷機單元；其特征在于， 所述第三級低溫脈管制冷機單元內的回熱器包括依次連通的第三級第一預冷段回熱器(RG31)、第三級第一預冷段回熱器冷端換熱器(HX9)、第三級第二預冷段回熱器(RG32)、第三級第二預冷段回熱器冷端換熱器(HXlO)、第三級低溫段回熱器(He-Re3)； 所述第一級預冷脈管制冷機單元的冷端通過第一級熱橋(TBl)實現對第三級第一預冷段回熱器冷端換熱器(HX9)和第二級預冷脈管制冷機單元的第二級預冷段回熱器冷端換熱器(HX5)的一級預冷；所述第二級預冷脈管制冷機單元的冷端通過第二熱橋(TB2)實現對第三級第二預冷段回熱器冷端換熱器(HXlO)的二級預冷； 所述第三級低溫段回熱器(He-Re3)為權利要求1_6任一權利要求所述的采用氦氣作為回熱介質的深低溫回熱器。
10.根據權利要求9所述的脈管制冷機，其特征在于，所述第一熱橋(TBl)同時對第二級預冷脈管制冷機單元的調相機構和脈管熱端換熱器進行預冷；所述第二熱橋(TB2)同時對第三級低溫脈管制冷機單元的調相機構和脈管熱端換熱器進行預冷。
【文檔編號】F25B40/06GK104197591SQ201410437086
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】王博, 甘智華, 尹成厚, 馬仁飛 申請人:浙江大學