[发明专利]蓄冷方法及应用该蓄冷方法的脉冲管制冷系统

说明书

技术领域

本发明涉及极低温蓄冷技术领域，尤其涉及一种蓄冷方法及应用该蓄冷方法的脉冲管制冷系统，具体的是20K以下脉冲管制冷系统。

背景技术

目前随着空间技术的不断发展，用于冷却红外探测器和高温超导器件的小型、微型低温制冷机的研究引起了各国学者的极大兴趣。一些卫星的有效载荷，特别是高精度的遥感设备如红外望远镜、红外敏感器的焦平面和镜片以及无线电接收器的低噪音放大器等均需要在低于10K的背景温度下工作，以减小背景热噪声干扰，从而提高探测精度。制冷温区在10K以下的制冷机在空间技术上有着明确的应用背景，目前这一温区的实现主要是利用斯特林制冷机。然而，在这种温区工作的器件通常对振动、电磁干扰和寿命都有严格的要求，而这些要求恰是低温端采用固体活塞的斯特林制冷机无法克服的难点。相比之下，脉冲管制冷系统的振动小、电磁干扰小和寿命长等优势显著体现出来。为了达到较低的制冷温度，脉冲管制冷系统一般采用多级结构。例如，按照各级脉冲管的级间连接方式区分，多级脉冲管制冷系统有串联型和并联型两种布置方式；而按照回热器的级间方式可以分为气耦合型和热耦合型两种。

目前，在液氦温区工作的制冷机，其回热器的蓄冷材料普遍采用Er₃Ni、HoCu₂、ErPr、GdAlO₃等磁性材料，以及两种或多种磁性材料的不同组合。然而，这些蓄冷材料的热容在进入液氦温区后大大减小，这使得回热器没有足够的换热能力。这是制约液氦温区制冷机制冷能力的一个核心问题。发明人在10K以下温区高频脉冲管制冷机中已经取得明显5.7K的最低温度，此时蓄冷材料的换热能力不足的问题已经成为制约制冷机进一步降温的关键。附图3为目前常用的多种蓄冷材料以及三种充气压力下氦的热容对比示意图，显然，常规蓄冷材料(Pb、Er₃Ni、HoCu₂、ErPr等)进入极低温区，尤其15K以下温区时，其体积热容大大降低，从而蓄冷能力大大降低。然而，从图3中可看出超流氦在进入极低温区后反而热容显著提高，并且高于传统的蓄冷材料。因此，如果把该温区的超流氦作为蓄冷材料是一个很好的措施。

高性能空心玻璃微珠（以下简称空心玻璃微珠）是一种新型节能、清洁轻质填料。由于其具有中空、质轻、隔热保温、电绝缘强度高、耐磨、耐腐蚀、防辐射、隔音、吸水率低、化学性能稳定等特点。在上个世纪90年代先后由美国3M公司和PQ公司进行批量生产，在国外空心玻璃微珠作为复合材料多功能填充剂，广泛应用于橡塑、涂料、玻璃钢、乳化炸药、石油钻探等领域。

回热制冷机在国防、现代工业和科学技术等重要部门有着广泛应用。10K以下温区的高频脉冲管制冷系统更是低温技术学科的前沿。制约液氦温区制冷机进一步降低温度并提高制冷效率的核心是低温蓄冷材料，故急需发展液氦温区热容较大的蓄冷材料。

微孔型空心玻璃微珠蓄冷材料如果能成功应用于4K温区，将取代现有磁性材料方案，有可能显著提高液氦温区的制冷性能，成为该温区回热制冷机的一场变革，意义重大。

因此，针对以上不足，本发明提供了一种蓄冷方法及应用该蓄冷方法的脉冲管制冷系统。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有磁性蓄冷材料的热容在进入液氦温区后大大减小，使得回热器没有足够的换热能力的问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种蓄冷方法，其将带有微孔结构的空心玻璃微珠设置于低温级脉冲管的回热器中，该段回热器在制冷机完成降温后约工作在20K以下极低温区。制冷机开机前对系统充气，即充入氦气工质，故回热器中填充有氦气工质，氦气通过微孔逐渐进入空心微珠，低温下，氦呈现超流体状态，所述微珠内的超流氦为蓄冷材料，所述空心玻璃微珠为蓄冷材料的载体。

其中，所述空心玻璃微珠尺寸为50-300μm，壁厚为4-5μm，强度为10MPa以上。

本发明还提供了一种脉冲管制冷系统，其包括回热器，所述回热器包括第一回热器及第二回热器，所述第二回热器工作在20K以下温区，在第二回热器中设置有空心玻璃微珠。

其中，所述脉冲管制冷系统低频液氦温区采用粒径为200-300μm的微珠。

其中，所述脉冲管制冷系统高频液氦温区采用粒径为50-100μm的微珠。

其中，所述第一回热器内设有低温磁性材料或或不锈钢丝网。