采用氦气作为回热介质的深低温回热器及其脉管制冷机制造技术

本发明专利技术公开了一种采用氦气作为回热介质的深低温回热器，包括管壳、以及置于管壳内的回热填料，所述的回热填料为内部充注有氦气的密封换热结构。本发明专利技术还公开了一种采用上述深低温回热器的脉管制冷机。本发明专利技术利用低温下氦气具有较高体积比热容的特性，将其封闭在一定的空间中作为回热介质与作为制冷工质的氦气进行换热；可以根据脉管制冷机的工作压力，选择充注合适压力的氦气于该密闭空间中，以实现在深低温区内作为回热介质的氦气的体积比热容高于作为制冷工质的氦气，实现了高效回热，最终提高液氦温区脉管制冷机的性能。同时与磁性回热材料相比，本发明专利技术的采用氦气作为回热介质的深低温回热器具有价格低廉、易获得、不受磁场影响等优点。

【技术实现步骤摘要】
采用氦气作为回热介质的深低温回热器及其脉管制冷机
本专利技术涉及回热式低温制冷机，尤其是涉及一种采用氦气作为回热介质的深低温回热器及其脉管制冷机。
技术介绍
液氦温区在国防军事、能源医疗、航空航天、低温物理等领域有着不可或缺的重要作用。自荷兰物理学家Kamerlingh.Onnes于1908年首次实现氦的液化以来，液氦温区(4K)一直是低温工程领域研究的重点和难点。同时，特别是20世纪80年代以来，人类对深低温制冷技术有了更高的技术和性能要求，对低温制冷机的效率、可靠性、体积和重量，以及振动等提出了越来越苛刻的要求。脉管制冷机由Gifford和Longsworth于1964年提出，它在冷端不存在运动部件，具有高可靠性和长寿命的潜在优势，经过近半个世纪的发展，脉管制冷机目前已广泛应用于航空航天、低温超导等领域。根据驱动源的不同，脉管制冷机主要分为G-M脉管制冷机(也称低频脉管制冷机)和Stirling脉管制冷机(也称高频脉管制冷机)；G-M脉管制冷机由G-M制冷机的压缩机驱动，其工作频率一般为1～2Hz，Stirling脉管制冷机由线性压缩机驱动，其工作频率一般在30Hz。目前G-M脉管制冷机可以获得的最低温度为1.3K，已实现液氦及以上温区的商业化应用，但是其在液氦温区的效率很低(在4.2K获得1W的制冷量需要输入6～10kW的电功)；而与G-M脉管制冷机相比，Stirling脉管制冷机具有结构紧凑、效率高、重量轻等一系列优势，而且它在35K及以上温区的技术相对成熟，目前已广泛应用于上述温区的航空航天任务中，但是Stirling脉管制冷机在深低温(<10K)的效率仍然极低，其中一个主要原因是氦气的体积比热容在15K以下温区急剧增大，而常用回热填料(如铅丸、不锈钢等材料)的比热容则显著下降，虽然磁性回热填料(ErNi等)具有较高的体积比热容峰值，但是该峰值也只存在其相变温度区域内，从而引起深低温回热器的效率急剧减小(如图4所示)，进而导致液氦温区Stirling脉管制冷机效率极低，所以寻找在深低温下(<10K)具有高比热容的回热填料是解决当前液氦温区脉管制冷机效率低下的一个关键。申请号为CN200910100286.X的专利文献公开了一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器及其制冷机，采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器是在不锈钢管内填充有丝径为2mm-15mm的不锈钢纤维构成高频回热器，在300-80K温区的工作频率为150HZ-1000HZ，在80K-35K温区的工作频率为100HZ-1000HZ。这种新型的高频回热器不仅可以应用于80K温区单级脉管制冷机，也可以应用在35K温区多级热耦合或气耦合脉管制冷机。不锈钢纤维具有比传统不锈钢丝网更小的丝径，能够形成更小的流体通道，可以使得回热器在300K-80K温区，150-1000HZ的高频工况下，或者在80K-35K温区，100-1000HZ的高频工况下，高效工作。但是如上所述，在深低温下(<10K)该回热材料的比热容则会显著下降，则大大影响了回热器和脉管制冷机的制冷效率。
技术实现思路
本专利技术提供了一种采用氦气作为回热介质的深低温回热器，通过采用充注有氦气的密封换热结构的回热填料，显著提高了回热材料在深低温下(<10K)下的比热容，提高了回热器和脉管制冷机的制冷效率。本专利技术还提供另一种采用上述深低温回热器的脉管制冷机，该制冷机均能高效达到10K及更低的工作温区。一种采用氦气作为回热介质的深低温回热器，包括带有热端流孔口和冷端流孔的管壳、以及置于所述管壳内的回热填料，回热填料内具有将热端流孔口和冷端流孔连通的气体流道，所述的回热填料为内部充注有氦气的密封换热结构。所述密封换热结构可选用多种结构，为便于安装和加工，作为优选，所述密封换热结构包括：若干组用于充注氦气的换热管；用于将每组换热管一端密封固定的多个第一固定件，用于将每组换热管另一端密封固定的多个第二固定件；所述第一固定件和第二固定件上设有将对应组换热管内各换热管相互连通的连接通道。通过在第一固定件和第二固定件上设置连接通道，保证一组换热管内各个换热器形成一个整体。所述连接通道可采用沟槽结构，也可采用设置管道结构。例如，所述第一固定件和第二固定件可采用带有空腔的管状结构，此时，在管状结构上加工与换热管对应的槽口，利用焊接等固定方式将换热管的端部侧壁与槽口的孔壁密封固定。作为优选，每组换热管呈环形布置，若干组环形布置的换热管同心设置，相邻组换热管之间留有所述的气体流道。采用该技术方案时，保证回热器内换热均匀，提高了换热效率。作为优选，所述密封换热结构还包括：将所有第一固定件或者将所有第二固定件相互定的至少一个连接臂，且至少有一个连接臂内设有将所有连接通道连通的充气管路，通过充气管路实现对所有换热管的充气。连接臂实现了对多个第一个固定件或者对多个第二固定件的固定，同时充气管路的设置保证各组换热管形成一个整体，便于系统参数的控制。作为另一种优选方案，所述密封换热结构为：在管壳轴向上呈迂回状设置、在管壳周向上呈螺旋线布置的换热管，该换热管上至少设有一个充气口。为提高换热性能，作为优选，所述换热管为铜管。铜管在深低温下(<10K)下换热系数依然较高，进一步提高了回热器的换热性能。氦气在不同温度和压力下的体积比热容如图5所示，从图中可以看出不同压力下氦气的体积比热容存在一个峰值，同时该峰值对应一个临界温度，在该临界温度以下，氦气的体积比热容随着温度的升高而升高，在该临界温度以上，氦气的体积比热容随着温度的升高而降低；同时从图5中可以看出，氦气的体积比热容的峰值随着压力的降低而升高，且峰值远高于图4中的磁性回热材料。上述特性表明作为制冷工质的氦气本身是一种极其理想的回热介质，通过合理的结构设计，可将氦气密封在封闭的空间结构中(如铜管内)，该空间结构便可当作高效回热填料使用，其中的氦气作为回热介质与作为制冷工质的氦气进行换热，即可实现高效的回热性能。同时，还可以根据脉管制冷机的充气压力，选择充注合适压力的氦气于该密闭空间结构中，以实现在工作温区内，作为回热介质的氦气的体积比热容高于作为制冷工质的氦气。例如，液氦温区脉管制冷机常用的充气压力如1～1.5MPa，以1.0MPa为例，从图5中可以看出，1.0MPa下氦气体积比热容峰值对应的温度约为7.5K，通过试验测量和数值模拟，可以获得回热器中的温度分布，在温度低于7K的温区内，可以选择充注压力低于1.0MPa的氦气作为回热介质，因为在此温区内氦气的体积比热容随着压力的下降而升高，在高于7K的温度，选择充注压力高于1.0MPa的氦气作为回热介质，因为在此温度内氦气的体积比热容随着压力的升高而升高，使得在整个温区(4-10K)内作为回热介质的氦气的体积比热容高于作为制冷工质的氦气，从而实现高效回热，最终提高液氦温区脉管制冷机的性能。同时与液氦温区常用的磁性回热材料相比，氦气具有价格低廉、易获取、不受磁场影响等优点。基于上述采用氦气作为回热介质的深低温回热器以及现有脉管制冷机技术，本专利技术提供了两种脉管制冷机，下述两种脉管制冷机的制冷效率均较高，均能高效达到10K及更低的工作温区。一种脉管制冷机，包括第一级预冷脉管制冷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用氦气作为回热介质的深低温回热器，包括带有热端流孔(1)和冷端流孔(2)的管壳(SC)、以及置于所述管壳(SC)内的回热填料，回热填料内具有将热端流孔(1)和冷端流孔(2)连通的气体流道(FC)，其特征在于，所述的回热填料为内部充注有氦气的密封换热结构。

【技术特征摘要】
1.一种采用氦气作为回热介质的深低温回热器，包括带有热端流孔（1）和冷端流孔（2）的管壳（SC）、以及置于所述管壳（SC）内的回热填料，回热填料内具有将热端流孔（1）和冷端流孔（2）连通的气体流道（FC），其特征在于，所述的回热填料为内部充注有氦气的密封换热结构；所述密封换热结构为：在管壳（SC）轴向上呈迂回状设置、在管壳（SC）周向上呈螺旋线布置的换热管，该换热管上至少设有一个充气口。2.根据权利要求1所述的采用氦气作为回热介质的深低温回热器，其特征在于，所述密封换热结构包括：若干组用于充注氦气的换热管（T）；用于将每组换热管（T）一端密封固定的多个第一固定件（4），用于将每组换热管（T）另一端密封固定的多个第二固定件（5）；所述第一固定件（4）和第二固定件（5）上设有将对应组换热管（T）内各换热管相互连通的连接通道（7）。3.根据权利要求2所述的采用氦气作为回热介质的深低温回热器，其特征在于，每组换热管（T）呈环形布置，若干组环形布置的换热管（T）同心设置，相邻组换热管（T）之间留有所述的气体流道（FC）。4.根据权利要求3所述的采用氦气作为回热介质的深低温回热器，其特征在于，所述密封换热结构还包括：将所有第一固定件（4）或者将所有第二固定件（5）相互固定的至少一个连接臂（6），且至少有一个连接臂（6）内设有将所有连接通道（7）连通的充气管路（CP），通过充气管路（CP）实现对所有换热管（T）的充气。5.根据权利要求3或4所述的采用氦气作为回热介质的深低温回热器，其特征在于，所述换热管为铜管。6.一种脉管制冷机，包括第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元；其特征在于，所述第二级低温脉管制冷机单元的回热器包括依次连通的第二级预冷段回热...

【专利技术属性】
技术研发人员：王博，甘智华，尹成厚，马仁飞，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33