[发明专利]极低温吸附式制冷机及制冷方法

说明书

技术领域

本发明涉及极低温制冷技术领域，特别是涉及一种极低温吸附式制冷机及制冷方法。

背景技术

极低温制冷技术是低温工程学科的重要分支，主要为相关的应用场所提供1K以下温度的冷源（注：本文中极低温指mK级温度，1mK=0.001K）。

随着空间技术的不断发展，空间极低温制冷温度正日益成为微重力基础物理、空间天文、空间环境与空间物理、地球科学、空间应用新技术和深空探测等学科领域中许多研究开展的必要条件之一，例如：采用空间红外探测系统对远至银河系以外的宇宙进行深空探测，由于宇宙的背景温度约为3K，为了降低背景热噪声，提高探测器灵敏度，要求提供冷源的制冷机具有1K以下的制冷温度。因此，制冷温区在1K以下的制冷机在空间技术上有着明确的应用背景，是国际制冷技术领域的前沿。

多孔介质（活性炭）对吸附质在不同温度下具有不同的吸附特性，周期性加热和冷却多孔介质，使吸附质交替解析和吸附，加热时释放出吸附质，冷却时吸附吸附质，从而实现了以往必须依靠机械压缩机的气体压缩。由于有了压力的变化，吸附质就可以通过减压降温产生低温。由于其能获得<1K的制冷温度，加之结构紧凑而被欧洲宇航局(ESA)作为空间应用极低温制冷机的重点研究方向之一。

但是，欧洲宇航局研制的极低温吸附制冷机工质气体为氦3、前级温度为1.8K超流氦预冷。由于氦4气体在相同饱和压力下的饱和温度较氦3高，因此同样条件下，基于氦4气体比基于氦3气体的吸附制冷机制冷温度要高，达到1K以下制冷温度更困难。另一方面，基于超流氦预冷的制冷方案仍具有寿命有限等缺点，而机械制冷要实现1.8K的制冷温度困难非常大，相比之下，机械制冷实现4.5K制冷温度易于达到，利用4.5K机械制冷替代1.8K超流氦作为前级预冷方式是空间1K以下制冷温度制冷链最理想方案，但是较高的预冷温度会产生几个问题：1）氦3的临界温度为3.35K，氦4的临界温度为5.19K，较高的预冷温度使得只能选择氦4作为工质气体，而在相同制冷温度下，氦4的饱和蒸气压要低一个量级，从而提高了对氦4的流动阻力特性要求；2）氦是惰性气体，活性炭对氦的吸附很弱，较高的预冷温度会降低活性炭对氦的吸附；3）预冷温度是工质气体的冷凝温度，较高的预冷温度将提高冷凝过程中制冷机内部的饱和蒸气压，从而降低了工质气体的冷凝液体量；4）极低温吸附制冷是一个减压降温的过程，较高的预冷温度提高了为获得更低温的液体消耗。因此，基于现有技术及现有制冷设备以实现1K以下的制冷温度是非常困难的。

发明内容

（一）要解决的技术问题

为克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种极低温吸附式制冷机及制冷方法，其通过工质气体及其吸附装置、制冷装置等设备的结合，可以实现诸如1K以下极低温度的制冷效应，适用于空间应用等各相关领域。

（二）技术方案

为实现上述目的，本发明极低温吸附式制冷机包括：吸附床；蒸发器；分别与吸附床和蒸发器连接的连通管，其与吸附床、蒸发器共同形成一封闭空腔；填充在所述封闭空腔内的工质气体；以及分别与吸附床和连通管连接的用于对吸附床进行冷却并对工质气体进行冷凝的冷凝件。

优选地，所述连通管一端与所述吸附床的内腔连通，另一端穿过所述冷凝件与所述蒸发器的内腔连通；其中所述连通管的内腔、所述吸附床的内腔和所述蒸发器的内腔共同构成所述封闭空腔。

其中，所述吸附床主要由吸附剂、导热器和加热器构成。

优选地，所述吸附剂为活性炭，所述导热器为导热肋片。

优选地，所述工质气体为氦4。

优选地，本发明极低温吸附式制冷机还包括：分别与所述吸附床和所述冷凝件连接的用于进行热传导的热开关。

优选地，所述吸附床为吸附床，所述冷凝件为热沉，所述连通管为泵管。

本发明实现极低温制冷的方法包括如下步骤：1）将极低温吸附式制冷机的冷凝件与外部机械制冷机的冷头连接并进行降温，直至极低温吸附式制冷机的所有部件温度降至预定值；2）关闭热开关吸附泵的加热，对极低温吸附式制冷机的吸附床加热，随着温度和压力的升高，吸附床解吸出吸附的工质气体，工质气体将沿连通管经冷凝件冷凝液化后进入蒸发器，直至吸附的工质气体解吸完成及工质气体冷凝完成；3）开启热开关吸附泵的加热，对吸附床降温，随着温度的降低，吸附床吸附工质气体,吸附床内压力降低，蒸发器内未冷凝的工质气体经连通管流入吸附床并被吸附，蒸发器内压强和温度下降，进而获得极低温制冷效应；4）当蒸发器内制冷剂完全蒸发后，重复上述步骤2）和3），从而实现极低温度的制冷效应。