[发明专利]一种混合循环低温制冷机

说明书

本发明涉及低温制冷技术领域，具体涉及了一种混合循环低温制冷机，包括气体压缩单元和与第一吸气阀气体压缩单元连接的第一制冷单元，第一吸气阀第一制冷单元上并联设置有第二制冷单元。本发明利用斯特林制冷机或者斯特林型脉冲管制冷机预冷JT节流制冷机，采用单一无油的直线压缩机产生周期往复的压力波动，结合单向阀产出高低压气体。其中周期往复的压力波动用来驱动多级斯特林制冷机；采用单一压缩机同时产生周期性交变流动及高低压驱动的单向流动，利用斯特林循环在液氢以上温区效率高、功率密度高的优势，发挥氦气节流制冷机在液氦温区效率高、冷量大、可靠性高、无运动部件，形成一种液氦温区下运行的高效紧凑无运动部件低温制冷机。

技术领域

本发明涉及低温制冷技术领域，尤其涉及一种混合循环低温制冷机。

背景技术

目前，工作于液氦温区的低温制冷机在超导电子、低温物理、外太空探测、量子通信等领域中具有广泛的应用需求，尤其对于超导材料，其工作温区普遍位于液氦温区，高效可靠低温制冷机的发展对促进科学进步、相关行业发展具有重要的意义。目前在此温区，使用比较广泛的技术包括GM制冷机及GM型脉冲管制冷机。

GM制冷机和GM型脉冲管制冷机，其采用油压缩机压缩氦气，存储在高压腔体中，而吸气侧低压气体储存于低压腔体中；高低压腔体通过油过滤器与旋转阀连接，旋转阀周期性运动，在高压气体与低压气体通道中切换，产生压缩与膨胀效应，驱动回热式低温制冷机，其运行周期约为1Hz。在回热式低温制冷机中，依靠压缩膨胀及排出器(或者脉冲管制冷机中的调相机构)的调相，产生制冷机效应，最低温能够达到2K。尤其其成本低、效率相对较高，在液氦温区获得了广泛应用。

对于GM制冷机，由于其高低压切换采用旋转阀结构，气体流经时会产生较大的压降损失，引起难以避免的不可逆损失，能量转换效率难以进一步提高；其利用油压缩机产生高低压气体，需要配备油分离器等设备，系统体积庞大，并需要定期进行维护，寿命难以保证；其采用排出器调相，在冷头部分造成较大振动，限制了其应用场合。GM型脉冲管制冷机在制冷机侧采用脉冲管加调相机构来代替排出器，冷端无运动部件，能够有效减小冷端振动，然而由于调相能力的下降，其热效率\低于GM制冷机。

直线压缩机驱动的多级斯特林制冷机或者多级脉冲管制冷机，利用无油直线活塞的往复运动，压缩及膨胀系统内的氦气，形成周期性的压力波动，同时利用低温下运行的排出器调节整机声场分布，在回热器内产生制冷效应，其本质为可逆的斯特林循环，具有较高的理论效率。然而由于其运行频率高，低温下回热器中换热及流动损失大，虽然能够在液氢以上温区获得较高效率，但其工作温区难以进一步下降。斯特林型脉冲管制冷机运行原理及基本架构与斯特林制冷机类似，与斯特林制冷机相比，去除了排出器结构，采用脉冲管结构隔离冷端与室温环境，在脉冲管的热端利用了阻力元件来调整回热器内声学阻抗分布，使得制冷机在冷端无运动部件，带来了结构简单、振动小、可靠性高、寿命长、成本低等优点。

焦汤节流制冷机(JT制冷机)利用流体的节流效应产生制冷效应，其利用压缩机将气体压缩，在冷凝器中散热，冷却后节流减压至低温，在蒸发器中吸收热量，产生制冷量蒸发后进入压缩机，形成一个闭式循环。其优点在于利用潜热换热，制冷量大，换热效率高，并且冷端无运动部件，降温速率快。但缺点是受工质物性限制，工作温区有限。在液氦温区附近，除氦气以外，气体气体均为液态甚至固态。然而氦气节流效应转变温度在30K以下，只能预冷至此温区以下才能获得制冷效应。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种混合循环低温制冷机，旨在解决现有技术中的制冷系统体积庞大、结构复杂、可靠性低及制冷效率低的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种混合循环低温制冷机，包括气体压缩单元和与所述气体压缩单元连接的第一制冷单元，所述第一制冷单元上并联设置有第二制冷单元；所述第一制冷单元包括多级冷头，所述第二制冷单元包括多级换热器，所述冷头与所述换热器间隔设置。