[實用新型]貯冷式脈管制冷機

無效

• 申請號: 00207235.1
• 申請日: 2000-06-21
• 公開（公告）號: CN2430656Y
• 公開（公告）日: 2001-05-16
• 發明（設計）人: 陳國邦;甘智華
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F25B9/00
• 分類號: F25B9/00
• 代理公司: 浙江大學專利代理事務所
• 代理人: 張法高

本實用新型涉及制冷機，尤其涉及一種貯冷式脈管制冷機。

脈管制冷機的最大特點是結構簡單，在低溫區沒有運動部件，當制冷區出現工質相變時仍然正常運行，為多相流體的工作提供了可行的條件。

將氦氣和氮氣以某一比例組成混合工質在80K溫區工作時，氦氣作為制冷氣體使系統溫度不斷降低，而氮氣在達到液化點之后即會冷凝成液體，在達到其三相點后便會出現固體。液氮和固氮的相變能給出很大的潛熱，其值要超出對應溫度下純氦工質的制冷性能。

本實用新型的目的是提供一種保持溫度平臺的貯冷式脈管制冷機。

為了達到上述目的本實用新型采取下列措施：

貯冷式脈管制冷機包括壓縮機，壓縮機依次與回熱器、冷端換熱器、脈管、熱端換熱器、小孔閥、氣庫相連，在壓縮機出口與小孔閥進口處設有雙向進氣閥，特征是在冷端換熱器端部依次設有相分離器、貯冷器，采用混合氣體作為工作氣體。

本實用新型的優點：1)采用混合氣體為工作流體，利用其冷凝氣的相變潛熱，獲得優于純氦的制冷性能；2)可以充分利用高沸點組分的三相點特性提供穩定的溫度平臺；3)在制冷機停機狀態下，利用在貯冷器內積聚的液-固態流體，繼續對外提供制冷能力，這一特點在許多場合有應用潛力。如它可提供消除探測心磁和腦磁的SQUID超導量子干涉儀由于制冷機運轉，振動而產生噪音干擾的方法；4)采用氦氣為工質的傳統脈管制冷機冷端的冷量輸出是靠氦氣和冷端換熱器之間的傳熱來實現的，效果較差。而在本實用新型中，由于在貯冷器內有工作流體的液相和固相存在，改善了制冷機的傳熱性能。

下面結合附圖對本實用新型作詳細說明。

附圖是本實用新型的結構示意圖。

貯冷式脈管制冷機包括壓縮機5，壓縮機依次與回熱器7、冷端換熱器10、脈管1、熱端換熱器2、小孔閥3、氣庫4相連，在壓縮機出口與小孔閥進口處設有雙向進氣閥6，在冷端換熱器端部依次設有相分離器9、貯冷器8，采用混合氣體作為工作氣體。相分離器采用銅絲網圓片疊制而成，貯冷器是一個內裝導冷片的容器。混合氣體對于40～80K溫區制冷，其組成為氦氣和氮氣(氮氣所占的體積比≤25％)，對于20～30K溫區制冷，其組成為氦氣和氖氣或氫氣。

傳統脈管制冷機是由脈管1、熱端換熱器2、小孔閥3、氣庫4、壓縮機5、雙向進氣閥6、回熱器7、冷端換熱器10組成，運行工質是高純氦氣。氦氣在壓縮機5內產生壓力波，使得一部分氣體流經回熱器7和冷端換熱器10進入脈管1，另一部分氣體通過雙向進氣閥6和熱端換熱器2進入脈管1內，然后再經小孔閥3進入氣庫4，來自壓縮期壓縮工作氣體，進入回熱器被冷卻到制冷溫度，然后進入脈管膨脹制冷獲得低溫。脈管制冷機的最主要優點是在脈管1內無運動部件，這為在脈管制冷機內實現多相流提供了保證。在不改變脈管冷端結構的情況下，采用混合氣體為工作氣體。作為一個例子，我們從氦氮混合工質來解釋它的工作過程，在制冷機啟動后的預冷過程中，隨著系統溫度的降低，混合氣體中的氮在達到其液化點之后便冷凝成液體，這時將出現氣-液兩相狀態。隨著制冷溫度的進一步降低，在氮的三相點(63．14K)附近出現液-固相變，由此可得到氮三相點附近較穩定的與熱負荷(在一定熱負荷下)和組分無關的溫度平臺。但由于脈管內存在液固相組分，導致了脈管和回熱器內(除了脈管冷端外)的溫度波動的不利因素。

與傳統的脈管制冷機相比，本實用新型采用混合氣體為工質，對脈管冷端進行了改造，在脈管1的冷端換熱器10下加上一個相分離器9和貯冷器8。它可以使得工作流體中的液體和固體通過相分離器9而積聚在貯冷器8內，保證在脈管1和回熱器7內的流體為氣相狀態，使制冷機工作穩定，避免溫度波動。

相分離器的作用是使得氣相組分流動順暢，而液相和固相組分得以從中分離。可以采用銅絲網圓片達到此目的。貯冷器的作用是用來貯存工作流體中的液相和固相組分。它的內部表面可以通過類似翅片的方法來提高它和液體和固體的接觸面積，進一步提高傳熱效率。貯冷器的最大容積應該與混合氣體中高沸點組分全部冷凝固化后的體積相對應。貯冷器的容積大小決定了脈管制冷機有效的停機供冷量工作時間。