專利名稱：一種工作在1-2k的復(fù)合型多級脈管制冷機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合型多級脈管制冷機，尤其涉及一種同時使用氦-4和氦-3為工質(zhì)的工作在1-2K溫區(qū)的高低頻復(fù)合型多級脈管制冷機。
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、國防軍事以及空間探測等領(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，如歐洲強子對撞機等大型科學(xué)裝置。按照國際約定，低溫制冷技術(shù)涵蓋120K以下的溫度區(qū)域，當(dāng)前整個低溫溫區(qū)的制冷方式相對成熟，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是一個非常關(guān)鍵和特殊的溫區(qū)，一方面有大量的探測器(如鍺摻鎵探測器)和超導(dǎo)設(shè)備工作在該溫區(qū)，另一方面更低的mK級溫區(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)計異常復(fù)雜，同時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。機械式制冷技術(shù)采用閉式制冷循環(huán)實現(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，具有氦氣用量少，結(jié)構(gòu)緊湊，壽命長和可靠性高等優(yōu)點。由于全球最大的氦氣出口國美國將氦氣作為戰(zhàn)略物資進行出口限制，當(dāng)前全球液氦供應(yīng)日趨緊張，且成本日增，所以機械式制冷方式得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。機械式制冷技術(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，在低溫物理、軍事國防、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。脈管制冷機，GM制冷機和斯特林制冷機是三種典型的回?zé)崾街评錂C，其中脈管制冷機在冷端沒有運動部件，具有潛在的高可靠性，而據(jù)現(xiàn)有公開文獻資料顯示，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.)采用兩級低頻脈管制冷機獲得了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數(shù)為1. 3X 10_6%的氦-3，是一種稀有昂貴的氣體，同時加之氦-3的主要出口國美國出臺了限制氦氣出口的相關(guān)政策，導(dǎo)致近年來氦-3的價格飆升，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的價格約為10000美元/標(biāo)升，價格昂貴的同時來源不易獲得。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.)的評論文章，文章分析了當(dāng)前氦_3供應(yīng)緊張會給低溫物理等領(lǐng)域帶來顯著而嚴重的影響，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)對推進低溫相關(guān)科學(xué)研究的快速發(fā)展，減輕氦-3短缺對全球相關(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)合型多級脈管制冷機，通過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，同時結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。脈管制冷機的相關(guān)理論指出提高運行頻率可以顯著減小制冷系統(tǒng)的體積，所以提高運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)的效率極低且無法獲得1-2K的制冷溫度，當(dāng)前高頻脈管制冷機采用氦-3工質(zhì)的最低制冷溫度僅為3K，為獲得1-2K的制冷溫度，高頻脈管制冷機需要更多的級數(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制冷機系統(tǒng)也會變得異常復(fù)雜，若將高頻脈管制冷機與可在較低溫度(< 10K)提供較大預(yù)冷量的低頻脈管制冷機耦合起來，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，由于低頻脈管制冷機可以采用氦-4為制冷工質(zhì)，所以這種復(fù)合型脈管制冷機只需在具有較小體積的高頻脈管制冷機部分采用氦_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)合型多級脈管制冷機中，預(yù)冷級低頻脈管制冷機采用傳統(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部分采用氦-3為工質(zhì)，如前所述，由于該部分運行頻率較高，結(jié)構(gòu)非常緊湊，與低頻脈管制冷機相t匕，其所需的氦-3將小于10標(biāo)升，從而可以實現(xiàn)使用少量氦-3便可獲得1-2K溫區(qū)的目標(biāo)；由于預(yù)冷級的預(yù)冷量足夠大，可使低溫慣性管和氣庫冷卻至較低的溫度從而獲得更大的調(diào)相角度，進而為高頻脈管制冷機提供更優(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的冷端壓比，可在高頻脈管制冷機不同溫度段的回?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，最終使整機高效地獲得1-2K的制冷溫度?；谏鲜龇治龊陀懻摚景l(fā)明提供幾種預(yù)冷型技術(shù)方案，下述幾種復(fù)合型多級脈管制冷機結(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)合型多級脈管制冷機，包括以氦-4為工質(zhì)的預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元和以氦-3為工質(zhì)的低溫級高頻脈管制冷機單元，所述預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元為兩級低頻脈管制冷機；所述的低溫級高頻脈管制冷機單元包括低溫級壓縮機、以及與低溫級壓縮機出口依次連通的低溫級回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞鳌⒌蜏丶壍谝活A(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞鳌⒌蜏丶壍诙A(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、低溫級第二級聲壓放大器、低溫級低溫段回?zé)崞?、低溫級冷端換熱器、低溫級脈管、低溫級脈管熱端換熱器和低溫級調(diào)相部件；所述預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元和低溫級高頻脈管制冷機單元之間通過連接在預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元的第一級冷端換熱器、預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元的第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器以及低溫級第一預(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；通過連接在預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元的第二級冷端換熱器以及低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器的第二級熱橋進行二次熱耦合；所述第二級聲壓放大器為長頸管，長頸管的長度為其所處溫度和壓力下氦-3氣體對應(yīng)波長的1/4，且第二級聲壓放大器同時與第二級橋連接。為降低氦-3的使用成本，作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案所述低溫級調(diào)相部件可選擇慣性管，且所述低溫級脈管熱端換熱器和慣性管同時與第二熱橋相連。低溫級調(diào)相部件選擇慣性管，與選用其他調(diào)相部件相比，進一步降低了氦-3的用量。為進一步提高系統(tǒng)制冷性能，作為第二種優(yōu)選的技術(shù)方案所述低溫級調(diào)相部件為慣性管以及與慣性管連通的氣庫，且低溫級脈管熱端換熱器、慣性管和氣庫同時與第二級熱橋連通。為進一步增大低溫級高頻脈管制冷機單元的冷端壓比，進而使低溫級高頻脈管制冷單元高效的獲得1-2K的制冷溫度，作為對第一種技術(shù)方案的優(yōu)選，所述低溫級高頻脈管制冷機單元內(nèi)低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器和低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞髦g通過第一級聲壓放大器相互連通，第一級聲壓放大器為長徑管，該長徑管的長度為其所在溫度和壓力下氦-3波長1/4。作為對該技術(shù)方案的優(yōu)化，所述低溫級調(diào)相部件為慣性管，且所述低溫級脈管熱端換熱器和慣性管同時與第二熱橋相連?；蛘撸瑸樘岣呦到y(tǒng)性能，所述低溫級調(diào)相部件為慣性管以及與慣性管連通的氣庫，且低溫級脈管熱端換熱器、慣性管和氣庫同時與第二級熱橋連通。所述預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元可選擇氣耦合或熱耦合的兩級低頻脈管制冷機。選擇氣耦合的兩級低頻脈管制冷機時，制冷機整體結(jié)構(gòu)較為緊湊，占用空間相對較??；選用熱耦合的兩級低頻脈管制冷機時，制冷機參數(shù)控制方便，便于實現(xiàn)運行參數(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兩級低頻脈管制冷機相比，本發(fā)明提出的復(fù)合型多級脈管制冷機結(jié)構(gòu)采用工質(zhì)為氦-4的兩級低頻脈管制冷機預(yù)冷一臺工質(zhì)為氦-3的單級高頻脈管制冷機，由于頻率的提高可以顯著的減小脈管制冷機冷頭和壓縮機的體積，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，遠小于本說明書背景技術(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)點的同時，也保持了脈管制冷機結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長和可靠性高等優(yōu)點，是一種具有巨大潛在應(yīng)用前景的新型1-2K溫區(qū)機械式制冷結(jié)構(gòu)。


圖1為本發(fā)明的工作在1-2K的復(fù)合型多級脈管制冷機的一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的工作在1-2K的復(fù)合型多級脈管制冷機的另一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的工作在1-2K的復(fù)合型多級脈管制冷機的第三種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的工作在1-2K的復(fù)合型多級脈管制冷機的第四種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。上述附圖中Cl為第一級壓縮機、ACl為第一級級后冷卻器、LVl為第一級壓縮機低壓控制閥、HVl為第一級壓縮機高壓控制閥、RGl為第一級回?zé)崞鳌X2為第一級冷端換熱器、PTl為第一級脈管、HX3為第一級脈管熱端換熱器、DOl為第一級雙向進氣閥、01為第一級小孔閥、Rl為第一級氣、C2為第二級壓縮機、AC2為第二級級后冷卻器、LV2為第二級壓縮機低壓控制閥、HV2為第二級壓縮機高壓控制閥、RG21為第二級預(yù)冷段回?zé)崞?、HX5為第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、RG22為第二級低溫段回?zé)崞?、HX6為第二級冷端換熱器、PT2為第二級脈管、HX7為第二級脈管熱端換熱器、D02為第二級雙向進氣閥、02為第二級小孔閥和R2為第二級氣庫、C3為低溫級壓縮機、HX8為低溫級回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、RG31為低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞?、HX9為低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、RG32為低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞?、HXlO為低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器、PA2為第二級聲壓放大器、RG33為低溫級低溫段回?zé)崞鳌Xll為低溫級冷端換熱器、PT3為低溫級脈管、HX12為低溫級脈管熱端換熱器、13為低溫級慣性管、TBl為第一級熱橋、TB2為第二級熱橋、R3為低溫級氣庫。
具體實施例方式實施例1 :如圖1所示，一種工作在1-2K的復(fù)合型多級脈管制冷機，包括預(yù)冷級第一級低頻脈管制冷機、預(yù)冷級第二級低頻脈管制冷機、第一級熱橋TB1、第二級熱橋TB2和低溫級高頻低溫脈管制冷機，預(yù)冷級第一級低頻脈管制冷機和預(yù)冷級第二級低頻脈管制冷機組成預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元，通過第一級熱橋TBl和第二級熱橋TB2為低溫級高頻低溫脈管制冷機提供預(yù)冷。其中預(yù)冷級第一級低頻脈管制冷機由第一級壓縮機Cl、第一級級后冷卻器AC1、第一級壓縮機低壓控制閥LV1、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。預(yù)冷級第二級低頻脈管制冷機由第二級壓縮機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、第二級低溫段回?zé)崞鱎G22、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。低溫級高頻低溫脈管制冷機包括低溫級壓縮機C3、低溫級回?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX8、低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞鱎G31、低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9、低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32、低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX10、第二級聲壓放大器PA2、低溫級低溫段回?zé)崞鱎G33、低溫級冷端換熱器HX11、低溫級脈管PT3、低溫級脈管熱端換熱器HX12和低溫級慣性管13。上述各部件的連接關(guān)系如下第一級壓縮機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的出口通過管路依次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Ol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。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的循環(huán)回路；第二級預(yù)冷段回?zé)崞鱎G21的入口與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之間的管路連通；第二級預(yù)冷段回?zé)崞鱎G21的出口通過管路依次與第二級預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX5、第二級低溫段回?zé)崞鱎G22、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；低溫級壓縮機C3的出口通過管路依次與低溫級回?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX8、低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞鱎G31、低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9、低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32、低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX10、第二級聲壓放大器PA2、低溫級低溫段回?zé)崞鱎G33、低溫級冷端換熱器HX11、低溫級脈管PT3、低溫級脈管熱端換熱器HX12、低溫級慣性管13連通。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以及低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9分別與第一級熱橋TBl連接，第二級預(yù)冷脈管制冷機單元的第二級冷端換熱器HX6、低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX10、低溫級脈管熱端換熱器HX12和低溫級慣性管13分別與第二級熱橋TB2連接。本實施方式的1-2K復(fù)合型脈管制冷機的運行過程為初始階段，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(dāng)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)，第一級冷量通過第一級熱橋TBl從第一級冷端換熱器HX2中取出用以預(yù)冷進入第二級預(yù)冷低頻脈管制冷機低溫段回?zé)崞鱎G22和低溫級高頻脈管制冷機第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32的氣體。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(dāng)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并在其冷端被與第二級熱橋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)崞鱎G22、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)。第二級冷量通過第二級熱橋TB2從第二級冷端換熱器HX6中取出用以預(yù)冷進入低溫級高頻脈管制冷機低溫段回?zé)崞鱎G33的氣體和低溫級脈管熱端換熱器HX12和低溫級慣性管13。在高壓階段，經(jīng)過低溫級壓縮機C3壓縮的高溫高壓氣體流經(jīng)低溫級回?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX8后冷卻至室溫，然后與低溫級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行換熱，溫度降低，在低溫級第一預(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，然后氣體進入低溫級第二預(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，在低溫級第二預(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)第二級聲壓放大器PA2、低溫級低溫段回?zé)崞鱎G33、低溫級冷端換熱器HX11、低溫級脈管PT3、低溫級脈管熱端換熱器HX12進入低溫級慣性管13 ;然后進入低壓周期，氣體從低溫級慣性管13依次經(jīng)過低溫級脈管熱端換熱器HX12、低溫級脈管PT3、低溫級冷端換熱器HX11、低溫級低溫段回?zé)崞鱎G33、第二級聲壓放大器PA2、低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX10、低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32、低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9、低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞鱎G31、低溫級回?zé)崞鳠岫藫Q熱器HX8回到低溫級壓縮機C3中完成一個循環(huán)，在循環(huán)過程中進出低溫級冷端換熱器HXll的氣體存在溫差，從而在低溫級冷端換熱器HXll處獲得1-2K的制冷溫度并產(chǎn)生制冷效應(yīng)。實施例1中，第二級聲壓放大器PA2為長頸管，長頸管的長度為其所處溫度和壓力下氦-3氣體對應(yīng)波長的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，與實施例1的區(qū)別在于其低溫級高頻脈管制冷機的調(diào)相方式為低溫級慣性管13和低溫級氣庫R3的組合，且低溫級氣庫R3布置在第二級熱橋TB2上，通過使用低溫級氣庫R3，可以在低溫級高頻脈管制冷機中獲得更優(yōu)的調(diào)相角度，最終進一步提高低溫級高頻脈管制冷機在1-2K的制冷效率。實施例3:如圖3所示，一種工作在1-2K的復(fù)合型脈管制冷機，與實施例1的區(qū)別在于低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9和低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32之間布置了一個用來放大低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藟罕鹊牡谝患壜晧悍糯笃鱌A1，第一級聲壓放大器PAl可以使低溫級高頻脈管制冷機的冷端壓比進一步放大，從而使其在1-2K溫區(qū)具有更高的效率。實施例4 如圖4所示，一種工作在1-2K的復(fù)合型脈管制冷機，與實施例2的區(qū)別在于低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器HX9和低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞鱎G32之間布置了一個用來放大低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藟罕鹊牡谝患壜晧悍糯笃鱌A1，第一級聲壓放大器PAl可以使低溫級高頻脈管制冷機的冷端壓比進一步放大，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)合型多級脈管制冷機，包括以氦-4為工質(zhì)的預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元和以氦-3為工質(zhì)的低溫級高頻脈管制冷機單元，所述預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元為兩級低頻脈管制冷機；其特征在于 所述的低溫級高頻脈管制冷機單元包括低溫級壓縮機(C3)、以及與低溫級壓縮機出口依次連通的低溫級回?zé)崞鳠岫藫Q熱器(HX8)、低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞?RG31)、低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HX9)、低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞?RG32)、低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HXlO)、低溫級第二級聲壓放大器(PA2)、低溫級低溫段回?zé)崞?RG33)、低溫級冷端換熱器(HXll)、低溫級脈管(PT3)、低溫級脈管熱端換熱器(HX12)和低溫級調(diào)相部件； 所述預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元和低溫級高頻脈管制冷機單元之間通過連接在預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元的第一級冷端換熱器(HX2)、預(yù)冷級低頻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)以及低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HX9)之間的第一級熱橋(TBl)進行一次熱耦合；通過連接在預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元的第二級冷端換熱器(HX6)以及低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HXlO)的第二級熱橋(TB2)進行二次熱耦合； 所述第二級聲壓放大器(PA2)為長頸管，長頸管的長度為其所處溫度和壓力下氦-3氣體對應(yīng)波長的1/4，且第二級聲壓放大器(PA2)同時與第二級橋(TB2)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作在1-2K的復(fù)合型多級脈管制冷機，其特征在于所述低溫級調(diào)相部件為慣性管，且所述低溫級脈管熱端換熱器(HX12)和慣性管同時與第二熱橋(TB2)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作在1-2K的復(fù)合型多級脈管制冷機，其特征在于所述低溫級調(diào)相部件為慣性管以及與慣性管連通的氣庫，且低溫級脈管熱端換熱器(HX12)、慣性管和氣庫同時與第二級熱橋(TB2)連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作在1-2K的復(fù)合型多級脈管制冷機，其特征在于所述低溫級高頻脈管制冷機單元內(nèi)低溫級第一預(yù)冷段回?zé)崞骼涠藫Q熱器(HX9)和低溫級第二預(yù)冷段回?zé)崞?RG32)之間通過第一級聲壓放大器(PAl)相互連通，第一級聲壓放大器(PAl)為長徑管，該長徑管的長度為其所在溫度和壓力下氦-3波長1/4。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工作在1-2K的復(fù)合型多級脈管制冷機，其特征在于所述低溫級調(diào)相部件為慣性管，且所述低溫級脈管熱端換熱器(HX12)和慣性管同時與第二熱橋(TB2)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工作在1-2K的復(fù)合型多級脈管制冷機，其特征在于所述低溫級調(diào)相部件為慣性管以及與慣性管連通的氣庫，且低溫級脈管熱端換熱器(HX12)、慣性管和氣庫同時與第二級熱橋(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)合型多級脈管制冷機，其特征在于所述預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元為氣耦合的兩級低頻脈管制冷機。
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)合型多級脈管制冷機，其特征在于所述預(yù)冷級低頻脈管制冷機單元為熱耦合的兩級低頻脈管制冷機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種1-2K復(fù)合型多級脈管制冷機，包括使用氦-4工質(zhì)的預(yù)冷級低頻脈管制冷機和使用氦-3工質(zhì)的低溫級高頻脈管制冷機，本發(fā)明通過高頻脈管制冷機和低頻脈管制冷機的耦合，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)的兩級低頻脈管制冷機相比，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，同時保留了脈管制冷機結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長和可靠性高的優(yōu)點。
文檔編號F25B9/14GK103017395SQ201310017578
公開日2013年4月3日 申請日期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, 吳鎂, 朱佳凱 申請人:浙江大學(xué)