[實用新型]采用碳納米回熱填料的深低溫回熱器及其脈管制冷機

有效

• 申請號: 201220647436.6
• 申請日: 2012-11-28
• 公開（公告）號: CN202928220U
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 甘智華;王博;王龍一;劉東立;張小斌;張學軍;汪偉偉;吳鎂;劉雨夢
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F25B40/06
• 分類號: F25B40/06;F25B9/14
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本實用新型涉及一種回熱式低溫制冷機，尤其是涉及一種碳納米回熱填料的深低溫回熱器及其脈管制冷機。

背景技術

液氦溫區在國防軍事、能源醫療、航空航天、低溫物理等領域有著不可或缺的重要作用。自荷蘭物理學家Kamerlingh.Onnes于1908年首次實現氦的液化以來，液氦溫區(4K)一直是低溫工程領域研究的重點和難點。同時，特別是20世紀80年代以來，人類對深低溫制冷技術有了更高的技術和性能要求，對低溫制冷機的效率、可靠性、體積和重量，以及振動等提出了越來越苛刻的要求。

脈管制冷機由Gifford和Longsworth于1964年提出，它在冷端不存在運動部件，具有高可靠性和長壽命的潛在優勢，經過近半個世紀的發展，脈管制冷機目前已廣泛應用于航空航天、低溫超導等領域。根據驅動源的不同，脈管制冷機主要分為G-M脈管制冷機(也稱低頻脈管制冷機)和Stirling脈管制冷機(也稱高頻脈管制冷機)；G-M脈管制冷機由G-M制冷機的壓縮機驅動，其工作頻率一般為1～2Hz，Stirling脈管制冷機由線性壓縮機驅動，其工作頻率一般在30Hz。

目前G-M脈管制冷機可以獲得的最低溫度為1.3K，已實現液氦及以上溫區的商業化應用，但是其在液氦溫區的效率很低(在4.2K獲得1W的制冷量需要輸入6～10kW的電功)；而與G-M脈管制冷機相比，Stirling脈管制冷機具有結構緊湊、效率高、重量輕等一系列優勢，而且它在35K及以上溫區的技術相對成熟，目前已廣泛應用于上述溫區的航空航天任務中，但是Stirling脈管制冷機在深低溫(＜10K)的效率仍然極低，其中一個主要原因是氦氣的體積比熱容在15K以下溫區急劇增大，而常用回熱填料(如鉛丸、不銹鋼等材料)的比熱容則顯著下降，雖然磁性回熱填料(Er₃Ni等)具有較高的體積比熱容峰值，但是該峰值也只存在其相變溫度區域內，從而引起深低溫回熱器的效率急劇減小(如圖4所示)，進而導致液氦溫區Stirling脈管制冷機效率極低，所以尋找在深低溫下(＜10K)具有高比熱容的回熱填料是解決當前液氦溫區脈管制冷機效率低下的一個關鍵。申請號為CN200910100286.X的專利文獻公開了一種采用不銹鋼纖維回熱材料的高頻回熱器及其制冷機，采用不銹鋼纖維回熱材料的高頻回熱器是在不銹鋼管內填充有絲徑為2mm-15mm的不銹鋼纖維構成高頻回熱器，在300-80K溫區的工作頻率為150HZ-1000HZ，在80K-35K溫區的工作頻率為100HZ-1000HZ。這種新型的高頻回熱器不僅可以應用于80K溫區單級脈管制冷機，也可以應用在35K溫區多級熱耦合或氣耦合脈管制冷機。不銹鋼纖維具有比傳統不銹鋼絲網更小的絲徑，能夠形成更小的流體通道，可以使得回熱器在300K-80K溫區，150-1000HZ的高頻工況下，或者在80K-35K溫區，100-1000HZ的高頻工況下，高效工作。但是如上所述，在深低溫下(＜10K)該回熱材料的比熱容則會顯著下降，則大大影響了回熱器和脈管制冷機的制冷效率。

實用新型內容

本實用新型提供了一種采用碳納米回熱填料的深低溫回熱器，該回熱器采用在不銹鋼管內填充由直徑小于1微米的碳納米管、碳納米纖維束、碳納米球以及碳納米金屬籠中的任意一種或多種材料組成的碳納米材料，工作溫區在10K及以下時，碳納米材料具有非常好的吸附能力，由于氦氣在液氦溫區的體積比熱容較高，所以吸附了氦氣的碳納米材料在10K以下較寬的溫度范圍內也具有較高的體積比熱容，同時具有較好的穩定性，是一種具有較高體積比熱容的回熱填料，使用碳納米材料的回熱器在10K以下溫區具有更高的回熱效率。

一種采用碳納米回熱填料的深低溫回熱器，包括不銹鋼管、以及置于不銹鋼管內的回熱填料，其特征在于，所述的回熱填料中至少一段為由碳納米材料填充而成的碳納米材料段。

所述碳納米材料的直徑為幾至幾十納米，碳納米材料的長度為微米級。例如，作為優選，所述碳納米材料可由直徑小于1微米的碳納米管、碳納米纖維束、碳納米球以及碳納米金屬籠中的任意一種或多種組成。所述碳納米材料段靠近所述回熱器冷端。碳納米材料段的高度，需要根據回熱器實際工作區的溫度確定，碳納米材料段需要處在回熱器工作溫區為10K以下的部分。實際填充時，需要首先根據模擬計算確定，根據模擬計算確定該回熱器軸向的溫度分布，然后根據溫度分布填充碳納米材料。