[实用新型]采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种回热式低温制冷机，尤其是涉及一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机。

背景技术

液氦温区在国防军事、能源医疗、航空航天、低温物理等领域有着不可或缺的重要作用。自荷兰物理学家Kamerlingh.Onnes于1908年首次实现氦的液化以来，液氦温区（4K）一直是低温工程领域研究的重点和难点。同时，特别是20世纪80年代以来，人类对深低温制冷技术有了更高的技术和性能要求，对低温制冷机的效率、可靠性、体积和重量，以及振动等提出了越来越苛刻的要求。

脉管制冷机由Gifford和Longsworth于1964年提出，它在冷端不存在运动部件，具有高可靠性和长寿命的潜在优势，经过近半个世纪的发展，脉管制冷机目前已广泛应用于航空航天、低温超导等领域。根据驱动源的不同，脉管制冷机主要分为低频脉管制冷机（也称G-M脉管制冷机）和高频脉管制冷机（也称Stirling脉管制冷机）；低频脉管制冷机由G-M制冷机的压缩机驱动，其工作频率一般为1～2Hz，高频脉管制冷机由线性压缩机驱动，其工作频率一般在30Hz以上。

目前低频脉管制冷机可以获得的最低温度为1.3K，已实现液氦及以上温区的商业化应用，但是其在液氦温区的效率很低（在4.2K获得1W的制冷量需要输入6～10kW的电功）；而与低频脉管制冷机相比，高频脉管制冷机具有结构紧凑、效率高、重量轻等一系列优势，而且它在35K及以上温区的技术相对成熟，目前已广泛应用于上述温区的航空航天任务中，但是高频脉管制冷机在深低温（<10K）的效率仍然极低。造成深低温温区脉管制冷机效率低下的主要原因是：

（1）氦气的体积比热容在15K以下温区急剧增大，而常用回热填料（如铅丸、不锈钢等材料）的比热容则显著下降，虽然磁性回热填料（Er3Ni、GOS等）具有较高的体积比热容峰值，但是该峰值也只存在其相变温度区域内，从而引起深低温回热器的效率急剧减小（如图4所示），进而导致液氦温脉管制冷机效率极低，所以寻找在深低温下（<10K）具有高比热容的回热填料是解决当前液氦温区脉管制冷机效率低下的一个关键。

（2）脉管制冷机由于采用被动式调相装置（如惯性管/气库、小孔阀等）无法回收脉管中工质的膨胀功造成脉管制冷机的本征效率低于卡诺效率，所以回收声功成为提高脉管制冷机效率的另一个关键。

脉管制冷剂的回热器一般采用不锈钢网或铅丸作为回热填料，申请号为CN200910100286.X的专利文献公开了一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器及其制冷机，采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器是在不锈钢管内填充有丝径为2mm-15mm的不锈钢纤维构成高频回热器，在300-80K温区的工作频率为150HZ-1000HZ，在80K-35K温区的工作频率为100HZ-1000HZ。这种新型的高频回热器不仅可以应用于80K温区单级脉管制冷机，也可以应用在35K温区多级热耦合或气耦合脉管制冷机。不锈钢纤维具有比传统不锈钢丝网更小的丝径，能够形成更小的流体通道，可以使得回热器在300K-80K温区，150-1000HZ的高频工况下，或者在80K-35K温区，100-1000HZ的高频工况下，高效工作。但是如上所述，在深低温下（<10K）该回热材料的比热容则会显著下降，则大大影响了回热器和脉管制冷机的制冷效率。

气凝胶是一种具有多孔结构的外表呈固体状的物质，密度极小，可以获得95%及以上的孔隙率，具有较强的吸附能力，当前世界上最轻的全碳气凝胶的密度仅为0.16毫克/立方厘米，同时具有非常好的力学性能，可以在体积压缩至20%时恢复原状，而且具有较好的隔热性能，气凝胶的制备以及应用成为当前的研究热点。

实用新型内容

本实用新型提供了一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，通过在脉管制冷机的回热器中填充有孔隙率可达95%以上、吸附能力强的全碳气凝胶层以及利用气凝胶材料制成脉管制冷机的自由活塞，以达到在深低温下制冷效率高的效果。