專利名稱：采用氦3-氦4雙工質(zhì)的液氦溫區(qū)斯特林型多級脈管制冷機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種采用氦3-氦4雙工質(zhì)的液氦溫區(qū)斯特林型多級脈管制冷機。 它適用于要求達到液氦溫區(qū)的緊湊型脈管制冷機。
背景技術：
脈管制冷機是世界各國最近十幾年重點研究的一種回熱式制冷機，主要由 回熱器、脈管、室溫端換熱器、冷端換熱器、導流器以及調(diào)相機構組成，由于 消除了低溫下的排出器，所以比傳統(tǒng)的G-M和斯特林型制冷機更加簡單可靠， 平均無故障運行時間大大延長，因此在空間應用方面具有更廣闊的前景。
按照配氣型式，脈管制冷機分為G-M型脈管制冷機和斯特林型脈管制冷機。 前者在機械壓縮機和脈管制冷機之間采用切換閥門連接，通過對高低壓端閥門 的控制實現(xiàn)脈管制冷機內(nèi)氣體的壓縮和膨脹過程，從而在制冷機的冷端產(chǎn)生制 冷效應，工作頻率一般在l-2Hz，是目前獲得液氦溫區(qū)制冷的主要方法，但是， 由于壓縮機部分采用的是油潤滑結構，配有油分離和吸附裝置，因此體積較為 笨重并且需要定期維護。同時，有閥結構產(chǎn)生的壓力波存在較大的轉(zhuǎn)化損失， 因此效率相對較低，以致很難在空間和軍事上獲得應用。與此相比，斯特林型 脈管制冷機則通過無閥壓縮機提供高頻壓力波(30 60Hz)，隨著板彈簧支撐、 間隙密封和動圈式(或動磁式)線性壓縮等技術的發(fā)展，其壓縮機的電功轉(zhuǎn)換 效率通常能達到80%以上。總體而言，斯特林型脈管制冷機較G-M型具有效率 高(2 5倍)、體積小和重量輕(小于20%)等優(yōu)勢，在空間和軍事方面具有重 要的應用價值。無論是G-M型還是斯特林型，都需要使用具有優(yōu)越的熱力性質(zhì) 的氣體作為工質(zhì)。目前絕大多數(shù)采用氦4為工質(zhì)，另外在一定的溫區(qū)也有一些 學者使用其他氣體或者混合工質(zhì)進行研究。
為了達到液氦溫區(qū)以及在該溫區(qū)具有更好的制冷性能，近期的理論和研究 表明，氦3工質(zhì)具有比氦4工質(zhì)更優(yōu)的低溫特性，浙江大學蔣寧在一臺具有獨 立氣體回路的液氦溫區(qū)G-M型二級脈管制冷機上，采用氦3為第二級制冷工質(zhì)， 獲得了 1.27K的最低無負荷制冷溫度。與兩級均采用氦4工質(zhì)的情況相比，在 相同的條件下(相同的壓縮機耗功)，第二級采用氦3為工質(zhì)，使得該二級脈管制 冷機在4.2K的制冷量提高了 40.5%。
在液氦溫區(qū)， 一方面由于低溫下工質(zhì)非理想性的影響——伴隨人相變的比熱
容急劇增大將造成回熱器失效，工質(zhì)性質(zhì)將成為限制回熱式低溫制冷機性能的
瓶頸之一。已知氦4 X相變溫度為2.171K，而氦3入相變溫度在mK溫區(qū)，在20K 以下，氦4的比熱容明顯比氦3的大。另一方面，當工質(zhì)的熱膨脹系數(shù)ctfO時， 則絕熱壓縮或膨脹不會導致任何溫度的變化，制冷機將無法產(chǎn)生任何制冷量。 事實上，氦4的熱膨脹系數(shù)ccp =0的溫度在其人相變溫度附近，氦3在更低的溫 度下(1K左右)熱膨脹系數(shù)(Xp變?yōu)镺。因此，上面兩方面因素限制了以氦4為 工質(zhì)的低溫制冷機低溫下的性能。而以氦3為工質(zhì)的脈管制冷機則有望達到更 低的制冷溫度、更大的制冷量和更高的效率。
H前能達到液氦溫區(qū)的斯特林型脈管制冷機，比如The Lockheed Martin Advanced Technology Center (LMATC)所設計制造的 一 臺四級脈管制冷機 ACTDP 4-stage，用線性壓縮機驅(qū)動，完全采用氦3為工質(zhì)，達到了最低無負荷 制冷溫度3.8k。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用氦3-氦4雙工質(zhì)的液氦溫區(qū)斯特林型多級脈
管制冷機。
它包括第一級脈管制冷機、第二級脈管制冷機、第三級脈管制冷機，第一、 二級脈管制冷機包括第二級脈管、第二級調(diào)相機構、第一級回熱器、氦4壓縮 機、第一級調(diào)相機構、第一級脈管、第二級回熱器，第三級脈管制冷機包括第 三級脈管、第三級調(diào)相機構、第三級回熱器、氦3壓縮機，氦4壓縮機經(jīng)第一 級回熱器與第二級回熱器相連接，第一級回熱器經(jīng)冷頭與第一級脈管、第一級 調(diào)相機構相連接，第二級回熱器冷頭經(jīng)第二級脈管與第二級調(diào)相機構相連接， 第二級脈管冷頭經(jīng)熱橋與第三級回熱器中部相連接，第三級回熱器熱端與氦3 壓縮機相連接，第三級回熱器冷頭與第三級脈管冷頭相連接，第三級脈管熱端 與第三級調(diào)相機構相連接，第三級脈管熱端經(jīng)熱橋與第三級回熱器中部相連接。
所述的第一級脈管制冷機、第二級脈管制冷機采用氦4為工質(zhì)。第三級脈 管制冷機采用氦3為工質(zhì)。
無論是理論還是實踐都證明氦3在液氦溫區(qū)具有比氦4具有更好的熱 力性能。由于氦3氣體非常稀缺，價格昂貴，而在較高溫度區(qū)域，同位素 氦3與氦4物性差距很小，從已有的實驗結果來看，氦3相對于氦4的優(yōu) 勢并不明顯。在體積較小、制冷溫度最低的第三級采用性能更好的工質(zhì)氦3， 使制冷機性能得到更好地提升。同時在前端級(預冷級)，也是體積較大的部分， 采用價格相對低廉的工質(zhì)氦4，從而大大節(jié)省了氦3的用量，降低了成本。


附圖是采用氦3-氦4雙工質(zhì)的液氦溫區(qū)斯特林型多級脈管制冷機系統(tǒng)示意 圖。圖中第二級脈管l、第二級調(diào)相機構2、第一級回熱器3、氦4壓縮機4、 第一級調(diào)相機構5、第一級脈管6、第二級回熱器7、熱橋8、第三級脈管9、第 三級調(diào)相機構10、第三級回熱器11、氦3壓縮機12。
具體實施例方式
如附圖所示，采用氦3-氦4雙工質(zhì)的液氦溫區(qū)斯特林型多級脈管制冷機， 包括第一級脈管制冷機、第二級脈管制冷機、第三級脈管制冷機，第一、二級 脈管制冷機包括第二級脈管1、第二級調(diào)相機構2、第一級回熱器3、氦4壓縮 機4、第一級調(diào)相機構5、第一級脈管6、第二級回熱器7，第三級脈管制冷機 包括第三級脈管9、第三級調(diào)相機構IO、第三級回熱器ll、氦3壓縮機12，氦 4壓縮機4經(jīng)第一級回熱器3與第二級回熱器7相連接，第一級回熱器3經(jīng)冷頭 與第一級脈管6、第一級調(diào)相機構5相連接，第二級回熱器7冷頭經(jīng)第二級脈管 1與第二級調(diào)相機構2相連接，第二級脈管1冷頭經(jīng)熱橋8與第三級回熱器11 中部相連接，第三級回熱器11熱端與氦3壓縮機12相連接，第三級回熱器11 冷頭與第三級脈管9冷頭相連接，第三級脈管9熱端與第三級調(diào)相機構10相連 接，第三級脈管9熱端經(jīng)熱橋與第三級回熱器11中部相連接。
所述的第一級脈管制冷機、第二級脈管制冷機采用氦4為工質(zhì)。第三級脈 管制冷機釆用氦3為工質(zhì)。
熱橋8的作用是把第三級脈管制冷機回熱器中部及脈管熱端散熱器的熱量 通過熱傳導傳至第二級脈管制冷機冷頭，從而實現(xiàn)預冷作用。
具體的裝配方法是，首先將氦4壓縮機4和第一、二級斯特林型脈管制冷 機回熱器3相連；其次，將氦3壓縮機12和第三級斯特林型脈管制冷機回熱器 11相連；最后用一個熱橋8將第二級脈管制冷機冷頭與第三級脈管制冷機回熱 器中部及脈管熱端散熱器連接起來。
把整個制冷系統(tǒng)裝配完成后，打開氦4壓縮機，第一、二級脈管制冷機開 始制冷，冷頭溫度開始下降，并對第三級脈管制冷機進行預冷；同時打開氦3 壓縮機，第三級脈管制冷機開始制冷，由于其回熱器中部及脈管熱端散熱器與 第二級脈管制冷機冷頭相連，所以回熱器上部從室溫降到與第二級脈管制冷機 冷頭相近的溫度， 一般兩者相差小于10K，下半部分從這個中間溫度開始下降， 一直到第三級脈管制冷機的冷頭的溫度。
權利要求
1.一種采用氦3-氦4雙工質(zhì)的液氦溫區(qū)斯特林型多級脈管制冷機，其特征在于它包括第一級脈管制冷機、第二級脈管制冷機、第三級脈管制冷機，第一、二級脈管制冷機包括第二級脈管(1)、第二級調(diào)相機構(2)、第一級回熱器(3)、氦4壓縮機(4)、第一級調(diào)相機構(5)、第一級脈管(6)、第二級回熱器(7)，第三級脈管制冷機包括第三級脈管(9)、第三級調(diào)相機構(10)、第三級回熱器(11)、氦3壓縮機(12)，氦4壓縮機(4)經(jīng)第一級回熱器(3)與第二級回熱器(7)相連接，第一級回熱器(3)經(jīng)第一級脈管制冷機冷頭與第一級脈管(6)、第一級調(diào)相機構(5)相連接，第二級回熱器(7)冷頭經(jīng)第二級脈管(1)與第二級調(diào)相機構(2)相連接，第二級脈管(1)冷頭經(jīng)熱橋(8)與第三級回熱器(11)中部相連接，第三級回熱器(11)熱端與氦3壓縮機(12)相連接，第三級回熱器(11)冷頭與第三級脈管(9)冷頭相連接，第三級脈管(9)熱端與第三級調(diào)相機構(10)相連接，第三級脈管(9)熱端經(jīng)熱橋與第三級回熱器(11)中部相連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種采用氦3-氦4雙工質(zhì)的液氦溫區(qū)斯特林型多級 脈管制冷機，其特征在于所述的第一級脈管制冷機、第二級脈管制冷機采用氦4 為工質(zhì)。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種釆用氦3-氦4雙工質(zhì)的液氦溫區(qū)斯特林型多級 脈管制冷機，其特征在于所述的第三級脈管制冷機采用氦3為工質(zhì)。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種采用氦3-氦4雙工質(zhì)的液氦溫區(qū)斯特林型多 級脈管制冷機，其特征在于所述的第一級脈管制冷機和第二級脈管制冷機既可 以采用氣體耦合型的方式，也可以采用分離型的方式。對于分離型，既可以用 一臺氦4壓縮機通過氣體分配驅(qū)動，也可以用兩臺的氦4壓縮機分別驅(qū)動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用氦3-氦4雙工質(zhì)的液氦溫區(qū)斯特林型多級脈管制冷機。氦4壓縮機經(jīng)第一級回熱器與第二級回熱器相連接，第一級回熱器經(jīng)冷頭與第一級脈管、第一級調(diào)相機構相連接，第二級回熱器冷頭經(jīng)第二級脈管與第二級調(diào)相機構相連接，第二級脈管冷頭經(jīng)熱橋與第三級回熱器中部相連接，第三級回熱器熱端與氦3壓縮機相連接，第三級回熱器冷頭與第三級脈管冷頭相連接，第三級脈管熱端與第三級調(diào)相機構相連接，第三級脈管熱端經(jīng)熱橋與第三級回熱器中部相連接。本發(fā)明在第一、第二級采用工質(zhì)氦4，在制冷溫度最低的第三級采用性能更好的工質(zhì)氦3，從而節(jié)省了氦3的用量，降低了成本。同時比完全采用氦4為工質(zhì)的方案達到更好的效果。
文檔編號F25B9/14GK101105345SQ20071006959
公開日2008年1月16日 申請日期2007年8月3日 優(yōu)先權日2007年8月3日
發(fā)明者黎 代, 強 曹, 李卓裴, 甘智華, 邱利民 申請人:浙江大學