本发明专利技术公开了一种利用富余冷量的1-2K复合型多级脉管制冷机，包括使用氦-4工质的预冷级低频脉管制冷机和使用氦-3工质的低温级高频脉管制冷机，本发明专利技术通过高频脉管制冷机和低频脉管制冷机的耦合，可以在使用较少氦-3的条件下获得1-2K的制冷温度，从所述预冷级低频脉管制冷机回热器的中部提取富余冷量，从而提高预冷级脉管制冷机的冷量利用率。与传统的使用氦-3为工质的两级低频脉管制冷机相比，本发明专利技术可以显著的减少获得1-2K温度所需氦-3气体的用量，具有成本低，获得方便的优点，同时保留了脉管制冷机结构紧凑、寿命长和可靠性高的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种复合型多级脉管制冷机，尤其涉及一种利用富余冷量的同时使用氦-4和氦-3为工质的1-2K高低频复合型多级脉管制冷机。
技术介绍
低温制冷技术在基础科学研究、低温物理、工业应用、医学生物、国防军事以及空间探测等领域有着广泛而不可替代的应用，与低温相关的科学领域目前已成为核心或高科技的代表，如欧洲强子对撞机等大型科学装置。按照国际约定，低温制冷技术涵盖120K以下的温度区域，当前整个低温温区的制冷方式相对成熟，IK及以上温区可采用超流氦、液氦或其他低温液体杜瓦技术和机械式制冷技术获得，而IK以下则有绝热去磁制冷和稀释制冷等技术。在低温温区内，1-2K是一个非常关键和特殊的温区，一方面有大量的探测器(如锗掺镓探测器)和超导设备工作在该温区，另一方面更低的mK级温区的高效获得必须在该温区被预先冷却。当前获得1-2K温区的制冷方式主要有超流氦抽空技术和机械式制冷技术。超流氦抽空技术需要大量的液氦，为保证系统的高效绝热，系统结构设计异常复杂，同时为保证氦气的高效利用，需要配备复杂的氦气回收纯化系统，这些均导致超流氦抽空技术成本高，系统结构复杂且可靠性低。机械式制冷技术采用闭式制冷循环实现制冷效应，制冷工质(低温一般为氦气)在封闭系统内循环流动，具有氦气用量少，结构紧凑，寿命长和可靠性高等优点。由于全球最大的氦气出口国美国将氦气作为战略物资进行出口限制，当前全球液氦供应日趋紧张，且成本日增，所以机械式制冷方式得到了快速发展和广泛应用。机械式制冷技术主要有回热式制冷技术和间壁式制冷技术,其中回热式制冷技术由于采用了填充有高体积比热容回热填料的高效回热器，具有结构紧凑效率高等优点，在低温物理、军事国防、航空航天等领域得到了广泛的应用。脉管制冷机，GM制冷机和斯特林制冷机是三种典型的回热式制冷机，其中脉管制冷机在冷端没有运动部件，具有潜在的高可靠性，而据现有公开文献资料显示，当前回热式制冷技术中只有以氦-3为工质的低频脉管制冷机获得1-2K的制冷温度，但是其需要大量的氦-3，蒋宁等(Jiang N, etal. Cryogenics, 2004,44 :809.)采用两级低频脉管制冷机获得了1. 27K的最低制冷温度，但共使用标准状态下的氦-3228升。氦-3是氦气同位素中的一种，其在自然界中的含量极少，正常的氦气中仅含体积分数为1. 3X 10_6%的氦-3，是一种稀有昂贵的气体，同时加之氦-3的主要出口国美国出台了限制氦气出口的相关政策，导致近年来氦-3的价格飙升，氦-3从2007年的约200美元/标升，涨至2009年的2000美元/标升，当前氦-3的价格约为10000美元/标升，价格昂贵的同时来源不易获得。Science杂志2009年发表题为“Helium_3Shortage CouldPut FreezeOn Low-Temperature Research,氦 _3 短缺使低温相关研究雪上加霜”(A. Cho.Science, 2009, Vol. 306 :778-779.)的评论文章，文章分析了当前氦_3供应紧张会给低温物理等领域带来显著而严重的影响。基于上述分析可知，发掘新型的不使用氦-3或者尽量少使用氦-3的1-2K温区制冷技术对推进低温相关科学研究的快速发展，减轻氦-3短缺对全球相关领域的影响至关重要，为此提供一种可以显著减少氦-3用量的1-2K复合型多级脉管制冷机迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术提供了一种利用富余冷量的1-2K复合型多级脉管制冷机，通过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的前提下高效获得1-2K的制冷温度，同时结构紧凑，可靠性高。理论分析和实验研究均发现低温脉管制冷机中不仅在回热器冷端具有制冷量，在回热器靠近冷端的部分也可以输出制冷量，而且在一定的制冷量范围内，该额外输出的冷量对脉管制冷机的最低制冷温度以及制冷量的影响非常小，一般称作富余冷量，该部分冷量可以用来冷却更高温区的应用对象，或者用来为多级脉管制冷机高温段回热器提供预冷。而脉管制冷机的相关理论指出提高运行频率可以显著减小制冷系统的体积，所以提高运行频率可以显著减少氦-3的用量，但是由于频率提高使回热器中的气体和填料之间的换热变得不充分，引起回热器效率急剧下降，导致高频脉管在低温温区的效率极低且无法获得1-2K的制冷温度，当前高频脉管制冷机采用氦-3工质的最低制冷温度仅为3K，为获得1-2K的制冷温度，高频脉管制冷机需要更多的级数和更低的预冷温度(< 15K)，更低预冷温度难以获得的同时制冷机系统也会变得异常复杂，若将高频脉管制冷机与可在较低温度(< 15K)提供较大预冷量的低频脉管制冷机耦合起来，同时利用低温脉管制冷机中回热器中的富余冷量来为高频脉管制冷机较高温区提供预冷，这种利用富余冷量的复合型多级脉管制冷机将成为一种新型的可获得1-2K制冷温区的复合型脉管制冷机，由于低频脉管制冷机可以采用氦-4为制冷工质，所以这种复合型脉管制冷机只需在具有较小体积的高频脉管制冷机部分采用氦-3，即采用少量的氦-3气体便可以获得1-2K的制冷温度，同时由于利用了低频脉管制冷机中的富余冷量，所以整机将具有较高的效率，同时仅用单级低频脉管制冷机预冷便可获得1-2K的温度，具有结构紧凑，长寿命等优点。本专利技术提出的利用富余冷量的1-2K复合型多级脉管制冷机中，预冷级低频脉管制冷机采用传统的氦-4为工质，可在IOK及以上温区提供较大的预冷量，同时其回热器中部的富余冷量可用来在更高的温区提供预冷。高频脉管制冷机部分采用氦-3为工质，如前所述，由于该部分运行频率较高，结构非常紧凑，与低频脉管制冷机相比，其所需的氦-3将小于10标升，从而可以实现使用少量氦-3便可获得1-2K温区的目标；由于预冷级的预冷量足够大，可使低温惯性管和气库冷却至较低的温度从而获得更大的调相角度，进而为高频脉管制冷机提供更优的相角(质量流和压力之间的相角)；为增大高频脉管制冷机的冷端压比，可在低温高频脉管制冷机不同温度段的回热器之间布置可以增大压比的声压放大器；为减小氦-3的用量，可以选择单纯使用低温惯性管作为调相方式，最终使整机高效地获得1-2K的制冷温度。基于上述分析和讨论，本专利技术提供几种预冷型技术方案，下述几种复合型多级脉管制冷机结构均能在使用较少氦-3工质的前提下高效获得1-2K的制冷温度。第一种方案为本专利技术的基本方案，具体如下一种利用富余冷量的1-2K复合型多级脉管制冷机，包括预冷级低频脉管制冷机单元和低温级高频脉管制冷机单元，所述预冷级低频脉管制冷机单元为单级低频脉管制冷机，其使用的工质为氦-4 ；所述低温级高频脉管制冷机单元包括低温级压缩机、以及通过管路依次与低温级压缩机出口连通的低温级回热器热端换热器、低温级第一预冷段回热器、低温级第一预冷段回热器冷端换热器、低温级第二预冷段回热器、低温级第二预冷段回热器冷端换热器、低温级低温段回热器、低温级冷端换热器、低温级脉管、低温级脉管热端换热器和低温级调相机构；所述低温级高频脉管制冷机单元采用的制冷工质为氦-3 ；所述预冷级低频脉管制冷机单元和低温级高频脉管制冷机单元通过连接在低温级第一预冷段回热器冷端换热器和预冷级低频脉管制冷机单元的回热器靠近冷端部分的第一本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用富余冷量的1?2K复合型多级脉管制冷机，包括预冷级低频脉管制冷机单元和低温级高频脉管制冷机单元，所述预冷级低频脉管制冷机单元为单级低频脉管制冷机，其使用的工质为氦?4；其特征在于，所述低温级高频脉管制冷机单元包括低温级压缩机(C2)、以及通过管路依次与低温级压缩机(C2)出口连通的低温级回热器热端换热器(HX4)、低温级第一预冷段回热器(RG21)、低温级第一预冷段回热器冷端换热器(HX5)、低温级第二预冷段回热器(RG22)、低温级第二预冷段回热器冷端换热器(HX6)、低温级低温段回热器(RG23)、低温级冷端换热器(HX7)、低温级脉管(PT2)、低温级脉管热端换热器(HX8)和低温级调相机构；所述低温级高频脉管制冷机单元采用的制冷工质为氦?3；所述预冷级低频脉管制冷机单元和低温级高频脉管制冷机单元通过连接在低温级第一预冷段回热器冷端换热器(HX5)和预冷级低频脉管制冷机单元的回热器靠近冷端部分的第一级热桥(TB1)进行一次热耦合；通过连接在低温级第二预冷段回热器冷端换热器(HX6)以及预冷级低频脉管制冷机单元的冷端换热器之间的第二级热桥(TB2)进行二次热耦合。
【技术特征摘要】
1.一种利用富余冷量的1-2K复合型多级脉管制冷机，包括预冷级低频脉管制冷机单元和低温级高频脉管制冷机单元，所述预冷级低频脉管制冷机单元为单级低频脉管制冷机，其使用的工质为氦-4 ;其特征在于， 所述低温级高频脉管制冷机单元包括低温级压缩机(C2)、以及通过管路依次与低温级压缩机(C2)出口连通的低温级回热器热端换热器(HX4)、低温级第一预冷段回热器(RG21)、低温级第一预冷段回热器冷端换热器(HX5)、低温级第二预冷段回热器(RG22)、低温级第二预冷段回热器冷端换热器(HX6)、低温级低温段回热器(RG23)、低温级冷端换热器(HX7)、低温级脉管(PT2)、低温级脉管热端换热器(HX8)和低温级调相机构；所述低温级高频脉管制冷机单元采用的制冷工质为氦-3 ； 所述预冷级低频脉管制冷机单元和低温级高频脉管制冷机单元通过连接在低温级第一预冷段回热器冷端换热器(HX5)和预冷级低频脉管制冷机单元的回热器靠近冷端部分的第一级热桥(TBl)进行一次热 耦合；通过连接在低温级第二预冷段回热器冷端换热器(HX6)以及预冷级低频脉管制冷机单元的冷端换热器之间的第二级热桥(TB2)进行二次热耦合。2.根据权利要求1所述的利用富余冷量的1-2K复合型多级脉管制冷机，其特征在于，所述低温级调相机构为惯性管，且该惯性管和低温级脉管热端换热器(HX8)同时与所述第二级热桥(TB2)连接。3.根据权利要求1所述的利用富余冷量的1-2K复合型多级脉管制冷机，其特征在于，所述低温级调相机构为惯性管以及与惯性管连通的气库，且所述惯性管、气库和低温级脉管热端换热器(HX8)同时与所述第二级热桥(TB2)...
【专利技术属性】
技术研发人员：王博，王龙一，刘东立，甘智华，张学军，张小斌，汪伟伟，刘雨梦，吴镁，宋豫京，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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