[实用新型]低温制冷机阀组及GM型脉管制冷机

说明书

技术领域

本实用新型属于低温制冷领域，尤其涉及一种低温制冷机阀组以及带有该低温制冷机阀组的GM型脉管制冷机。

背景技术

随着低温制冷机的发展，其应用范围越来越扩大。尤其4K低温制冷机在小规模氦液化及再凝缩、超导传感器及超导仪器的冷却、超导磁体的干式冷却、Sub-Kelvin制冷机的预冷却、材料的低温物性研究等很多方面被应用。当前主流的4K温区低温制冷机按照制冷循环方式不同可以分为GM制冷机和GM型脉管制冷机两种，其中GM型脉管制冷机的发展特别快。当前小功率4KGM型脉管制冷机的研究和发展面临制冷效率很难提高的问题。因为氦-4压缩机的输入功率小，目前小功率4KGM型脉管制冷机的整体效率仍然不高。为了提高制冷机的效率，需要对制冷机进行设计优化，尽量减少各种各样的损失。

4KGM型脉管制冷机在结构上可分为两种(用一套压缩机)：

如图1所示，4KGM型脉管制冷机的第一种结构包括依次连接的：压缩机1、旋转阀2、热端换热器3、第一级部分和第二级部分，其中第一级部分包括：一级回热器4，一级回热器冷端换热器5、一级冷端流体通道6、一级脉管冷端换热器7、一级脉管8、一级脉管热端换热器9、一级气库10、一级小孔阀18、一级双向进气阀I19、一级双向进气阀II20，第二级部分包括：二级回热器11、二级回热器冷端换热器12、二级冷端流体通道13、二级脉管冷端换热器14、二级脉管15、二级脉管热端换热器16、二级气库17、二级小孔阀21、二级双向进气阀I22、二级双向进气阀II23。

如图2所示，4KGM型脉管制冷机的第二种结构。跟第一种相比，都是由一个压缩机驱动，但是质量流量分配的方法不一样。第二种结构的工作气体的质量流量在制冷机的热端分配到两级，因此第一级的冷端没有分配流体的通道。

针对上述结构的4KGM型脉管制冷机，4KGM型脉管制冷机的第一级是预冷部分、第二级是4K温区部分，制冷机的工作过程为：压缩机1的出口设有工作流体(氦-4)的高压(排出)及低压(吸入)管子。通过跟压缩机连结的旋转阀2，产生氦-4的压力波动。由于氦-4的周期的压力波动，氦-4在回热器(一级回热器4和二级回热器11)内进行和填料换热，在脉管(一级脉管8和二级脉管15)内进行绝热压缩及膨胀。随着这个过程的反复，冷端的温度渐渐降低。在第一种结构的两级脉管制冷机中，氦-4的质量流量在两级之间由一级冷端流体通道6分配到两部分：一部分进入一级脉管冷端换热器7，另一部分进入二级回热器11的热端。一级小孔阀18、一级双向进气阀I19、一级双向进气阀II20调节一级脉管热端的质量流量以及它和压力之间的相位差，从而影响一级的制冷性能。二级小孔阀21、二级双双向进气阀I22、二级双向进气阀II23对二级的影响亦如此。为了达到4K温区，回热器(一级回热器4和二级回热器11)及脉管(一级脉管8和二级脉管15)的作用很重要，而且六个阀门的调节的优化也非常重要。原因如下：4KGM型脉管制冷机的制冷性能很大程度上依赖冷端压力和气体质量流量的相位差。相位差的优化由上述的六个阀门(一级小孔阀18、一级双向进气阀I19、一级双向进气阀II20、二级小孔阀21、二级双双向进气阀I22、二级双向进气阀II23)的调节来实现。为了达到4K温区，双向进气阀(一级双向进气阀I19、一级双向进气阀II20、二级双双向进气阀I22、二级双向进气阀II23)的作用尤其重要。因为这些阀门调节流体直流，因此影响到流体的焓流，从而影响4K温区的制冷性能。

现有的4KGM型脉管制冷机仍然存在制冷效率低的问题。另外，现有的4KGM型脉管制冷机在压缩机与回热器、或者气库与脉管热端换热器之间需要设置许多管路和多个上述的阀门，结构繁琐，同时导致了各种损失的存在：如在旋转阀、工作流体四通道等处的损失，其制冷效率比4KGM制冷机低，尤其小功率脉管制冷机。

现有的4KGM型脉管制冷机的压缩机功率、压比、工作流体的质量流量分别大于1.7kW、1.5、3g/s，因此在阀门处PV功的损失很小。

但是小功率4KGM型脉管制冷机的压缩机功率、压比、工作流体的质量流量分别小于1.3kW、1.5、2.5g/s，因此不能忽视在阀门处PV功的损失，应要尽量减少。并且为了达到4K温区，理论上工作流体的质量流量越小，所有阀门总体的优化微细调节越重要。

当前还是没有对于小功率4KGM型脉管制冷机的研究，所以没有可应用的包含阀组及热端换热器一起的紧凑设计。

实用新型内容