[發明專利]采用氦3－氦4混合工質的1－4K溫區脈管制冷機

無效

• 申請號: 200710156859.1
• 申請日: 2007-11-15
• 公開（公告）號: CN101158518A
• 公開（公告）日: 2008-04-09
• 發明（設計）人: 李卓裴;甘智華;曹強;代黎;劉國軍;邱利民;陳國邦
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F25B9/12
• 分類號: F25B9/12;F25B9/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明涉及制冷機，尤其涉及一種采用氦3-氦4混合工質的1-4K溫區脈管制冷機。

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、導流器以及調相機構組成。由于消除了低溫下的排出器，和傳統的回熱式制冷機(如：GM制冷機、Stirling制冷機)相比，脈管制冷機具有在低溫下無運動部件、結構簡單、成本低廉、可靠性高、較小的機械振動和電磁噪音等優點。

根據采用的壓縮機不同，脈管制冷機主要分為G-M型和斯特林型兩種。G-M型脈管制冷機采用了有閥壓縮機和氣體切換閥(工作頻率一般在1-2Hz)，斯特林型脈管制冷機采用了無閥壓縮機，其工作頻率一般在30-60Hz，因此也稱它為高頻脈管制冷機。

低溫超導磁體冷卻或電子儀器冷卻方面都需要運用到液氦溫區制冷機。大多數液氦制冷機為工作頻率為1Hz左右的GM制冷機或者G-M型脈管制冷機。在4?K溫區只有0.5-1％的卡諾效率。

為了獲得優良的制冷性能，需要使用具有優越的熱力性質的流體作為工質。在低溫工程中，氦是一種常見的工質。在所有的低溫流體中，氦的性質最接近于理想氣體，因為氦的分子勢能很小。氦是獲取10K以下低溫的唯一制冷工質，也是低溫制冷機最理想的制冷工質。因此在軍事、空間、超導等方面氦流體有著廣泛的應用。液氦具有一個獨特的性質，就是它能夠存在于兩種截然不同的狀態下，即正常氦和超流氦。正常氦是一種正常的流體，具有經典流體的典型特性。正常氦的性質表現為一種弱相互作用氣體。這一特征部分歸因于氦分子之間的弱相互作用以及它的低粘滯性。正常氦的粘性與室溫下空氣的粘性相當。超流氦，具有與經典流體截然不同的物理特性。最為顯著的特征是運輸特性，具有幾乎接近于零的粘性以及顯著的熱傳導性，其熱傳導性比普通流體甚至高傳導性固體大好幾個數量級。區分兩種液態的分界線成為λ線，因為比熱在接近相變的區域的形狀及其類似希臘字母λ。

目前絕大多數低溫制冷機采用氦4為工質，另外在一定的溫區也有一些學者使用其他氣體或者混合工質進行研究。在液氦溫區，氦4作為工質其性能與理想氣體相差甚遠。氦3由于其低沸點、低密度、高熱容、高熱導率、能夠突破氦4超流轉變溫度等性質，其性能更接近于理想氣體，能顯著降低回熱器中由于實際氣體效應導致的損失，獲得更低的制冷溫度和更大的制冷量，提高制冷機的效率，使得其成為低溫制冷機的理想工質。

發明內容

本發明的目的是提供一種采用氦3-氦4混合工質的1-4K溫區脈管制冷機。

它包括預冷級制冷機、熱橋、壓縮機、1-4K溫區脈管制冷機，1-4K溫區脈管制冷機具有相連接的回熱器、冷頭、脈管、調相機構，壓縮機與1-4K溫區脈管制冷機的回熱器熱端相連，預冷級制冷機的冷端采用熱橋與1-4K溫區脈管制冷機的回熱器中部進行連接，1-4K溫區制冷機采用氦3氦4混合工質。

所述的預冷級制冷機采用氦4作為工質。1-4K溫區脈管制冷機為G-M型脈管制冷機或斯特林型脈管制冷機。

本發明采用氦3-氦4混合工質，它與氦4相比，在液氦溫區具有更好的熱力性能；與氦3相比，當制冷溫度低于氦3-氦4的超流轉變溫度且氦3在混合物中的摩爾百分比較小時，不僅能利用氦3低沸點、高熱容、高熱導率、能夠突破氦4超流轉變溫度等特性，還能利用氦4在相對較高溫度下獲得超流流動背景環境，使得氦3在接近于真空的環境中無摩擦的流動，降低粘性損失，并利用超流氦4的高熱導率和高比熱容改善換熱效果并有效地把制冷量傳輸出來。然而由于氦3氣體非常稀缺，價格昂貴，而在較高溫度區域，同位素氦3與氦4物性差距很小。因此對于預冷級制冷機，采用氦4作為工質。在制冷溫度最低的1-4K溫區制冷機采用氦3氦4混合工質。

附圖說明

圖1是采用氦3-氦4混合工質的1-4K溫區脈管制冷機系統示意圖。圖中：預冷級脈管制冷機1、熱橋2、壓縮機3以及1-4K溫區脈管制冷機的回熱器4、冷頭5、脈管6以及脈管熱端調相機構7。

圖2是氦3氦4混合物相圖。

具體實施方式

圖1所示，采用氦3-氦4混合工質的1-4K溫區脈管制冷機包括預冷級制冷機1、熱橋2、壓縮機3、1-4K溫區脈管制冷機，1-4K溫區脈管制冷機具有相連接的回熱器4、冷頭5、脈管6、調相機構7，壓縮機3與1-4K溫區脈管制冷機的回熱器4熱端相連，預冷級制冷機1的冷端采用熱橋2與1-4K溫區脈管制冷機的回熱器4中部進行連接，1-4K溫區制冷機采用氦3氦4混合工質。