[发明专利]采用氦气作为回热介质的深低温回热器及其脉管制冷机

说明书

技术领域

本发明涉及回热式低温制冷机，尤其是涉及一种采用氦气作为回热介质的深低温回热器及其脉管制冷机。

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G-M脉管制冷机(也称低频脉管制冷机)和Stirling脉管制冷机(也称高频脉管制冷机)；G-M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，Stirling脉管制冷机由线性压缩机驱动，其工作频率一般在30Hz。

目前G-M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G-M脉管制冷机相比，Stirling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Stirling脉管制冷机在深低温(<10K)的效率仍然极低，其中一个主要原因是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(ErNi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)，进而导致液氦温区Stirling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。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。

发明内容

本发明提供了一种采用氦气作为回热介质的深低温回热器，通过采用充注有氦气的密封换热结构的回热填料，显著提高了回热材料在深低温下(<10K)下的比热容，提高了回热器和脉管制冷机的制冷效率。

本发明还提供另一种采用上述深低温回热器的脉管制冷机，该制冷机均能高效达到10K及更低的工作温区。

一种采用氦气作为回热介质的深低温回热器，包括带有热端流孔口和冷端流孔的管壳、以及置于所述管壳内的回热填料，回热填料内具有将热端流孔口和冷端流孔连通的气体流道，所述的回热填料为内部充注有氦气的密封换热结构。

所述密封换热结构可选用多种结构，为便于安装和加工，作为优选，所述密封换热结构包括：

若干组用于充注氦气的换热管；

用于将每组换热管一端密封固定的多个第一固定件，用于将每组换热管另一端密封固定的多个第二固定件；

所述第一固定件和第二固定件上设有将对应组换热管内各换热管相互连通的连接通道。通过在第一固定件和第二固定件上设置连接通道，保证一组换热管内各个换热器形成一个整体。所述连接通道可采用沟槽结构，也可采用设置管道结构。例如，所述第一固定件和第二固定件可采用带有空腔的管状结构，此时，在管状结构上加工与换热管对应的槽口，利用焊接等固定方式将换热管的端部侧壁与槽口的孔壁密封固定。