采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞骷捌涿}管制冷的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鳎ü軞?、以及置于管殼?nèi)的回?zé)崽盍希龅幕責(zé)崽盍蠟閮?nèi)部充注有氦氣的密封換熱結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還公開了一種采用上述深低溫回?zé)崞鞯拿}管制冷機。本發(fā)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?zé)峤橘|(zhì)與作為制冷工質(zhì)的氦氣進行換熱；可以根據(jù)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(xiàn)在深低溫區(qū)內(nèi)作為回?zé)峤橘|(zhì)的氦氣的體積比熱容高于作為制冷工質(zhì)的氦氣，實現(xiàn)了高效回?zé)?，最終提高液氦溫區(qū)脈管制冷機的性能。同時與磁性回?zé)岵牧舷啾?，本發(fā)明的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞骶哂袃r格低廉、易獲得、不受磁場影響等優(yōu)點。
【專利說明】采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞骷捌涿}管制冷機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及回?zé)崾降蜏刂评錂C，尤其是涉及一種采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞骷捌涿}管制冷機。

【背景技術(shù)】
[0002]液氦溫區(qū)在國防軍事、能源醫(yī)療、航空航天、低溫物理等領(lǐng)域有著不可或缺的重要作用。自荷蘭物理學(xué)家Kamerlingh.0nnes于1908年首次實現(xiàn)氦的液化以來,液氦溫區(qū)(4K)一直是低溫工程領(lǐng)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(shù)有了更高的技術(shù)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(yōu)勢，經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，脈管制冷機目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、低溫超導(dǎo)等領(lǐng)域。根據(jù)驅(qū)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(qū)動，其工作頻率一般為I?2Hz，Stirling脈管制冷機由線性壓縮機驅(qū)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(xiàn)液氦及以上溫區(qū)的商業(yè)化應(yīng)用，但是其在液氦溫區(qū)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(jié)構(gòu)緊湊、效率高、重量輕等一系列優(yōu)勢，而且它在35K及以上溫區(qū)的技術(shù)相對成熟，目前已廣泛應(yīng)用于上述溫區(qū)的航空航天任務(wù)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(qū)急劇增大，而常用回?zé)崽盍?如鉛丸、不銹鋼等材料)的比熱容則顯著下降，雖然磁性回?zé)崽盍?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(qū)域內(nèi)，從而引起深低溫回?zé)崞鞯男始眲p小(如圖4所示)，進而導(dǎo)致液氦溫區(qū)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?zé)崽盍鲜墙鉀Q當前液氦溫區(qū)脈管制冷機效率低下的一個關(guān)鍵。申請?zhí)枮镃N200910100286.X的專利文獻公開了一種采用不銹鋼纖維回?zé)岵牧系母哳l回?zé)崞骷捌渲评錂C，采用不銹鋼纖維回?zé)岵牧系母哳l回?zé)崞魇窃诓讳P鋼管內(nèi)填充有絲徑為2mm-15mm的不銹鋼纖維構(gòu)成高頻回?zé)崞?，?00-80K溫區(qū)的工作頻率為150HZ-1000HZ，在80K-35K溫區(qū)的工作頻率為100HZ-1000HZ。這種新型的高頻回?zé)崞鞑粌H可以應(yīng)用于80K溫區(qū)單級脈管制冷機，也可以應(yīng)用在35K溫區(qū)多級熱耦合或氣耦合脈管制冷機。不銹鋼纖維具有比傳統(tǒng)不銹鋼絲網(wǎng)更小的絲徑，能夠形成更小的流體通道，可以使得回?zé)崞髟?00K-80K溫區(qū)，150-1000HZ的高頻工況下，或者在80K-35K溫區(qū)，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?zé)岵牧系谋葻崛輨t會顯著下降，則大大影響了回?zé)崞骱兔}管制冷機的制冷效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鳎ㄟ^采用充注有氦氣的密封換熱結(jié)構(gòu)的回?zé)崽盍?，顯著提高了回?zé)岵牧显谏畹蜏叵?〈10K)下的比熱容，提高了回?zé)崞骱兔}管制冷機的制冷效率。
[0006]本發(fā)明還提供另一種采用上述深低溫回?zé)崞鞯拿}管制冷機，該制冷機均能高效達到1K及更低的工作溫區(qū)。
[0007]—種采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鳎◣в袩岫肆骺卓诤屠涠肆骺椎墓軞?、以及置于所述管殼?nèi)的回?zé)崽盍希責(zé)崽盍蟽?nèi)具有將熱端流孔口和冷端流孔連通的氣體流道，所述的回?zé)崽盍蠟閮?nèi)部充注有氦氣的密封換熱結(jié)構(gòu)。
[0008]所述密封換熱結(jié)構(gòu)可選用多種結(jié)構(gòu)，為便于安裝和加工，作為優(yōu)選，所述密封換熱結(jié)構(gòu)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(shè)有將對應(yīng)組換熱管內(nèi)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(shè)置連接通道，保證一組換熱管內(nèi)各個換熱器形成一個整體。所述連接通道可采用溝槽結(jié)構(gòu)，也可采用設(shè)置管道結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，此時，在管狀結(jié)構(gòu)上加工與換熱管對應(yīng)的槽口，利用焊接等固定方式將換熱管的端部側(cè)壁與槽口的孔壁密封固定。
[0012]作為優(yōu)選，每組換熱管呈環(huán)形布置，若干組環(huán)形布置的換熱管同心設(shè)置，相鄰組換熱管之間留有所述的氣體流道。采用該技術(shù)方案時，保證回?zé)崞鲀?nèi)換熱均勻，提高了換熱效率。
[0013]作為優(yōu)選，所述密封換熱結(jié)構(gòu)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(nèi)設(shè)有將所有連接通道連通的充氣管路，通過充氣管路實現(xiàn)對所有換熱管的充氣。連接臂實現(xiàn)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(shè)置保證各組換熱管形成一個整體，便于系統(tǒng)參數(shù)的控制。
[0014]作為另一種優(yōu)選方案，所述密封換熱結(jié)構(gòu)為:在管殼軸向上呈迂回狀設(shè)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(shè)有一個充氣口。
[0015]為提高換熱性能，作為優(yōu)選，所述換熱管為銅管。銅管在深低溫下(〈10K)下?lián)Q熱系數(shù)依然較高，進一步提高了回?zé)崞鞯膿Q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(yīng)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?zé)岵牧稀?br> [0017]上述特性表明作為制冷工質(zhì)的氦氣本身是一種極其理想的回?zé)峤橘|(zhì)，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可將氦氣密封在封閉的空間結(jié)構(gòu)中(如銅管內(nèi))，該空間結(jié)構(gòu)便可當作高效回?zé)崽盍鲜褂?，其中的氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)與作為制冷工質(zhì)的氦氣進行換熱，即可實現(xiàn)高效的回?zé)嵝阅?。同時，還可以根據(jù)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(jié)構(gòu)中，以實現(xiàn)在工作溫區(qū)內(nèi)，作為回?zé)峤橘|(zhì)的氦氣的體積比熱容高于作為制冷工質(zhì)的氦氣。例如，液氦溫區(qū)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(yīng)的溫度約為7.5K，通過試驗測量和數(shù)值模擬，可以獲得回?zé)崞髦械臏囟确植迹跍囟鹊陀?K的溫區(qū)內(nèi)，可以選擇充注壓力低于1.0MPa的氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)，因為在此溫區(qū)內(nèi)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?zé)峤橘|(zhì)，因為在此溫度內(nèi)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(qū)(4-10K)內(nèi)作為回?zé)峤橘|(zhì)的氦氣的體積比熱容高于作為制冷工質(zhì)的氦氣，從而實現(xiàn)高效回?zé)幔罱K提高液氦溫區(qū)脈管制冷機的性能。同時與液氦溫區(qū)常用的磁性回?zé)岵牧舷啾?，氦氣具有價格低廉、易獲取、不受磁場影響等優(yōu)點。
[0018]基于上述采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞饕约艾F(xiàn)有脈管制冷機技術(shù)，本發(fā)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(qū)。
[0019]一種脈管制冷機，包括第一級預(yù)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(yù)冷脈管制冷機單元和第二級低溫脈管制冷機單元內(nèi)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?zé)崞靼ㄒ来芜B通的第二級預(yù)冷段回?zé)崞?、第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、第二級中溫段回?zé)崞骱偷诙壍蜏囟位責(zé)崞?；所述第一級預(yù)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(yù)冷脈管制冷機單元的第一級冷端換熱器和第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器之間的熱橋進行熱耦合；所述第二級低溫段回?zé)崞鳛樯鲜鋈我患夹g(shù)方案所述的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鳌５皖l壓縮機組的組成為現(xiàn)有技術(shù)，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(yù)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?zé)崞?、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(diào)相機構(gòu)，所述第一級調(diào)相機構(gòu)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(shè)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?zé)崞髦g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(yù)冷段回?zé)崞?、第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、第二級中溫段回?zé)崞鳌⒌诙壍蜏囟位責(zé)崞?、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(diào)相機構(gòu)，所述第二級調(diào)相機構(gòu)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(shè)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(yù)冷段回?zé)崞髦g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(diào)相機構(gòu)和第二級調(diào)相機構(gòu)也可采用其他具有相同調(diào)相功能的調(diào)相機構(gòu)，用于相應(yīng)回?zé)崞鲀?nèi)的質(zhì)量流和壓力波相位的調(diào)整，保證系統(tǒng)的穩(wěn)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(diào)相機構(gòu)和脈管熱端換熱器進行預(yù)冷。
[0024]當采用低頻壓縮機組時，一般采用兩級結(jié)構(gòu)即可達到1K及1K以下的工作溫區(qū)。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(jié)構(gòu)很難達到1K及1K以下的工作溫區(qū)，所以為了保證本發(fā)明的回?zé)崞鞲行У墓ぷ?，作為?yōu)選，一種脈管制冷機，包括第一級預(yù)冷脈管制冷機單元、第二級預(yù)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(yù)冷脈管制冷機單元包括依次連通的第二級預(yù)冷段回?zé)崞?、第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、第二級低溫段回?zé)崞?；所述第三級低溫脈管制冷機單元內(nèi)的回?zé)崞靼ㄒ来芜B通的第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞?、第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞?、第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、第三級低溫段回?zé)崞?；所述第一級預(yù)冷脈管制冷機單元、第二級預(yù)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(yù)冷脈管制冷機單元的第一級冷端換熱器、第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器以及第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q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(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器以及第二級預(yù)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?zé)崞鳛樯鲜黾夹g(shù)方案中任一技術(shù)方案所述的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鳌?br> [0025]所述的第一級預(yù)冷脈管制冷機單元、第二級預(yù)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(diào)相機構(gòu)，該調(diào)相機構(gòu)均由一氣庫以及設(shè)于該氣庫與相應(yīng)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(qū)，作為優(yōu)選，所述第三級低溫脈管制冷機單元內(nèi)的脈管熱端換熱器和調(diào)相機構(gòu)同時與第二級熱橋連通。
[0027]作為進一步優(yōu)選，所述第一熱橋(TBl)同時對第二級預(yù)冷脈管制冷機單元的調(diào)相機構(gòu)和脈管熱端換熱器進行預(yù)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(diào)相機構(gòu)和脈管熱端換熱器進行預(yù)冷。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0029]本發(fā)明的深低溫回?zé)崞?，利用氦氣?K及1K以下溫區(qū)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?zé)峤橘|(zhì)，與使用傳統(tǒng)回?zé)崽盍?如稀土類磁性回?zé)岵牧系?的深低溫回?zé)崞飨啾?，本發(fā)明可以實現(xiàn)液氦溫區(qū)的高效換熱，且具有價格低，易獲取，不受磁場影響等優(yōu)點，使得采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞骺梢垣@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(fā)明的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鞯囊环N實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖1b為圖1a所示深低溫回?zé)崞鞯南露松w的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖2為本發(fā)明的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鞯拿}管制冷機的一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖3為本發(fā)明的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鞯拿}管制冷機的另一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖4為多種回?zé)崞魈盍系捏w積比熱容與溫度之間的關(guān)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?zé)崞鳠岫藫Q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?zé)崞鳠岫藫Q熱器；HX5、第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q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?zé)崞鳠岫藫Q熱器；HX9、第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器；HX10、第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q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?zé)崞鳎籋e-Re2、第二級低溫段回?zé)崞?；He-Re3、第三級低溫段回?zé)崞?；RG1、第一級回?zé)崞?；RG21、第二級預(yù)冷段回?zé)崞鳎籖G22、第二級中溫段回?zé)崞?；RG23、第二級低溫段回?zé)崞?；RG31、第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞?；RG32、第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞?；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?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鱄e-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(nèi)的回?zé)崽盍?，回?zé)崽盍蟽?nèi)具有將熱端流孔I和冷端流孔2連通的氣體流道FC，回?zé)崽盍蠟閮?nèi)部充注有氦氣的密封換熱結(jié)構(gòu)。管殼SC為不銹鋼管。
[0041]密封換熱結(jié)構(gòu)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(huán)形設(shè)置；多組環(huán)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(huán)形的第二固定件5、以及將多個環(huán)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(shè)置的四個；每個第二固定件5用于固定一組環(huán)形的換熱管3，第二固定件5內(nèi)設(shè)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(shè)有與連接通道7連通的槽口 3，槽口 3的數(shù)量與換熱管T的數(shù)量對應(yīng)，安裝時換熱管T底端側(cè)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(jié)構(gòu)與下端蓋DC的結(jié)構(gòu)基本相同，上端蓋UC上設(shè)有第一固定件4，第一固定件4與第二固定件5結(jié)構(gòu)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(nèi)設(shè)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(nèi)部充注，當氦氣壓力穩(wěn)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?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鞯膬杉壍皖l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?zé)崞鱎G1、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(yù)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(yù)冷段回?zé)崞鱎G21、第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5、第二級中溫段回?zé)崞鱎G22、第二級低溫段回?zé)崞鱄e-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?zé)崞鱄e-Re2與實施例1中采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鱄e-Re結(jié)構(gòu)相同，第二級低溫段回?zé)崞鱄e-Re2工作溫區(qū)為1K及1K以下，其中充注有作為回?zé)峤橘|(zhì)的氦氣。
[0048]上述各部件的連接關(guān)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(huán)回路；第一級回?zé)崞鱎Gl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?zé)崞鱎Gl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?zé)崞鱎Gl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(yù)冷段回?zé)崞鱎G21通過管路依次與第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5、第二級中溫段回?zé)崞鱎G22、第二級低溫段回?zé)崞鱄e-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(yù)冷段回?zé)崞鱎G21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(yù)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(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5的熱橋TB進行熱耦合，實現(xiàn)第一級冷端換熱器HX2對第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5的預(yù)冷。
[0052]本實施方式的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鞯膬杉壍皖l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(diào)節(jié)閥LV1、第一級壓縮機高壓調(diào)節(jié)閥HVl均處于關(guān)閉狀態(tài)，氣體經(jīng)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(jīng)第一級級后冷卻器ACl后冷卻至室溫，當氣體壓力高于設(shè)定值時，第一級壓縮機高壓調(diào)節(jié)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?zé)崞鱎Gl并與其中的填料進行換熱溫度降低進入后續(xù)相關(guān)部件中，另一股通過第一級雙向進氣閥DOl進入后續(xù)的相關(guān)部件中，使整個系統(tǒng)均處于高壓狀態(tài)，然后第一級壓縮機高壓調(diào)節(jié)閥HVl關(guān)閉，第一級壓縮機低壓調(diào)節(jié)閥LVl開啟，氣體從第一級氣庫Rl經(jīng)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(diào)節(jié)閥LVl回到第一級壓縮機Cl，另一股經(jīng)過第一級脈管PT1、第一級回?zé)崞鱎Gl最終通過第一級壓縮機低壓調(diào)節(jié)閥LVl回到第一級壓縮機Cl，由此完成一個循環(huán)，在循環(huán)過程中，進出第一級冷端換熱器HX2的氣體存在溫差，由此產(chǎn)生制冷效應(yīng)，第一級冷量通過熱橋TB從第一級冷端換熱器HX2中取出用以預(yù)冷進入第二級低溫段回?zé)崞鞯臍怏w。
[0054]初始階段，第二級壓縮機低壓調(diào)節(jié)閥LV2、第二級壓縮機高壓調(diào)節(jié)閥HV2均處于關(guān)閉狀態(tài)，氣體經(jīng)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(jīng)第二級級后冷卻器AC2后冷卻至室溫，當氣體壓力高于設(shè)定值時，第二級壓縮機高壓調(diào)節(jié)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(yù)冷段回?zé)崞鱎G21并在其冷端被與熱橋TB連接的第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5冷卻至第一級的制冷溫度，然后進入后續(xù)相關(guān)部件中，另一股通過第二級雙向進氣閥D02進入后續(xù)的相關(guān)部件中，使整個系統(tǒng)均處于高壓狀態(tài)，然后第二級壓縮機高壓調(diào)節(jié)閥HV2關(guān)閉，第二級壓縮機低壓調(diào)節(jié)閥LV2開啟，氣體從第二級氣庫R2經(jīng)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(diào)節(jié)閥LV2回到第二級壓縮機C2，另一股經(jīng)過第二級脈管PT2、第二級低溫段回?zé)崞鱄e-Re2、第二級中溫段回?zé)崞鱎G22、第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5、第二級預(yù)冷段回?zé)崞鱎G21最終通過第二級壓縮機低壓調(diào)節(jié)閥LV2回到第二級壓縮機C2，由此完成一個循環(huán)，在循環(huán)過程中，進出第二級冷端換熱器HX6的氣體存在溫差，由此產(chǎn)生制冷效應(yīng)。
[0055]實施例3
[0056]如圖3所示，一種采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鞯母哳l脈管制冷機包括由第一級壓縮機Cl、第一級回?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX1、第一級回?zé)崞鱎G1、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(yù)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?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX4、第二級預(yù)冷段回?zé)崞鱎G21、第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5、第二級低溫段回?zé)崞鱎G23、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(yù)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?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX8、第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞鱎G31、第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9、第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32、第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX10、第三級低溫段回?zé)崞鱄e-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?zé)崞鱄e-Re3與實施例1中采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鱄e-Re結(jié)構(gòu)相同，第三級低溫段回?zé)崞鱄e-Re3工作溫區(qū)在1K及1K以下，其中充注有作為回?zé)峤橘|(zhì)的氦氣。
[0058]上述各部件的連接關(guān)系如下:
[0059]第一級壓縮機Cl通過管路依次與第一級回?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX1、第一級回?zé)崞鱎G1、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?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX4、第二級預(yù)冷段回?zé)崞鱎G21、第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5、第二級低溫段回?zé)崞鱎G23、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?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX8、第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞鱎G31、第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9、第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32、第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX10、第三級低溫段回?zé)崞鱄e-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(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5以及第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9分別第一級熱橋TBl連接，第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HXlO和第二級預(yù)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?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鞯母哳l脈管制冷機的工作過程為:
[0064]在高壓階段，經(jīng)過第一級壓縮機Cl壓縮的高溫高壓氣體流經(jīng)第一級回?zé)崞鳠岫藫Q熱器HXl后冷卻至室溫，然后與第一級回?zé)崞鱎Gl中的回?zé)崽盍线M行換熱，溫度降低，然后依次流經(jīng)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(jīng)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?zé)崞鱎Gl回到第一級壓縮機Cl中完成一個循環(huán)，在循環(huán)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(chǎn)生制冷效應(yīng)，該處的制冷量通過分別與第一級熱橋TBl連接的第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5和第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9為第二級脈管制冷機和第三級脈管制冷機提供預(yù)冷。
[0065]在高壓階段，經(jīng)過第二級壓縮機C2壓縮的高溫高壓氣體流經(jīng)第二級回?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX4后冷卻至室溫，然后與第二級預(yù)冷段回?zé)崞鱎G21中的回?zé)崽盍线M行換熱，溫度降低，然后在第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q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(jīng)第二級低溫段回?zé)崞鱎G23、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(jīng)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?zé)崞鱎G23、第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5、第二級預(yù)冷段回?zé)崞鱎G21回到第二級壓縮機C2中完成一個循環(huán)，在循環(huán)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(chǎn)生制冷效應(yīng)，該處的制冷量通過與第二級熱橋TB2連接的第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HXlO為第三級脈管制冷機提供預(yù)冷。
[0066]在高壓階段，經(jīng)過第三級壓縮機C3壓縮的高溫高壓氣體流經(jīng)第三級回?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX8后冷卻至室溫，然后與第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞鱎G31中的回?zé)崽盍线M行換熱，溫度降低，在第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q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(yù)冷段回?zé)崞鱎G32并與其中的回?zé)崽盍线M行換熱，溫度降低，在第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q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(jīng)第三級低溫段回?zé)崞鱄e-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(jīng)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?zé)崞鱄e-Re3、第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX10、第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32、第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9、第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞鱎G31回到第三級壓縮機C3中完成一個循環(huán)，在循環(huán)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(chǎn)生制冷效應(yīng)。
[0067]上述實施例中，第三級低溫段回?zé)崞鱄e-Re3、第二級低溫段回?zé)崞鱄e-Re2的長度和充注壓力需要根據(jù)實際模擬實驗確定，即第三級低溫段回?zé)崞鱄e-Re3、第二級低溫段回?zé)崞鱄e-Re2工作的溫度為1K及1K以下，根據(jù)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(yīng)體積比熱容峰值的兩側(cè)選擇不同的充氣壓力，以實現(xiàn)在整個工作溫區(qū)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(zhì)氦氣的體積比熱容，最終實現(xiàn)該段回?zé)崞鞯母咝Q熱。
【權(quán)利要求】
1.一種采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鳎◣в袩岫肆骺?I)和冷端流孔(2)的管殼(SC)、以及置于所述管殼(SC)內(nèi)的回?zé)崽盍希責(zé)崽盍蟽?nèi)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?zé)崽盍蠟閮?nèi)部充注有氦氣的密封換熱結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞?，其特征在于，所述密封換熱結(jié)構(gòu)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(shè)有將對應(yīng)組換熱管(T)內(nèi)各換熱管相互連通的連接通道(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞?，其特征在于，每組換熱管(T)呈環(huán)形布置，若干組環(huán)形布置的換熱管(T)同心設(shè)置，相鄰組換熱管(T)之間留有所述的氣體流道(Fe)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞?，其特征在于，所述密封換熱結(jié)構(gòu)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(nèi)設(shè)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(xiàn)對所有換熱管(T)的充氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鳎涮卣髟谟?，所述密封換熱結(jié)構(gòu)為:在管殼(SC)軸向上呈迂回狀設(shè)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(shè)有一個充氣口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5或4所述的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鳎涮卣髟谟?，所述換熱管為銅管。
7.一種脈管制冷機，包括第一級預(yù)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?zé)崞靼ㄒ来芜B通的第二級預(yù)冷段回?zé)崞?RG21)、第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HX5)、第二級中溫段回?zé)崞?RG22)和第二級低溫段回?zé)崞?He-Re2)； 所述第一級預(yù)冷脈管制冷機單元的冷端通過熱橋(TB)實現(xiàn)對第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HX5)的預(yù)冷； 所述第二級低溫段回?zé)崞?He-Re2)為權(quán)利要求1_6任一權(quán)利要求所述的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鳌?br> 8.根據(jù)權(quán)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(diào)相機構(gòu)和脈管熱端換熱器進行預(yù)冷。
9.一種脈管制冷機，包括第一級預(yù)冷脈管制冷機單元、第二級預(yù)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(nèi)的回?zé)崞靼ㄒ来芜B通的第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞?RG31)、第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HX9)、第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞?RG32)、第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HXlO)、第三級低溫段回?zé)崞?He-Re3)； 所述第一級預(yù)冷脈管制冷機單元的冷端通過第一級熱橋(TBl)實現(xiàn)對第三級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HX9)和第二級預(yù)冷脈管制冷機單元的第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HX5)的一級預(yù)冷；所述第二級預(yù)冷脈管制冷機單元的冷端通過第二熱橋(TB2)實現(xiàn)對第三級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HXlO)的二級預(yù)冷； 所述第三級低溫段回?zé)崞?He-Re3)為權(quán)利要求1_6任一權(quán)利要求所述的采用氦氣作為回?zé)峤橘|(zhì)的深低溫回?zé)崞鳌?br> 10.根據(jù)權(quán)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(yù)冷脈管制冷機單元的調(diào)相機構(gòu)和脈管熱端換熱器進行預(yù)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(diào)相機構(gòu)和脈管熱端換熱器進行預(yù)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(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】王博, 甘智華, 尹成厚, 馬仁飛 申請人:浙江大學(xué)