[实用新型]一种利用富余冷量的1-2K复合型多级脉管制冷机

说明书

技术领域

本实用新型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。

背景技术

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，1K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1K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，et al.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1.3×10^-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 Could Put Freeze On 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。

实用新型内容

本实用新型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。