[發明專利]采用全碳氣凝膠回熱填料的自由活塞式脈管制冷機

有效

• 申請號: 201310148737.3
• 申請日: 2013-04-25
• 公開（公告）號: CN103267383A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發明（設計）人: 甘智華;王博;劉東立;王龍一;張小斌;汪偉偉;劉雨夢;吳鎂;郭永祥
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: 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

本發明涉及一種回熱式低溫制冷機，尤其是涉及一種采用全碳氣凝膠回熱填料的自由活塞式脈管制冷機。

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低頻脈管制冷機（也稱G-M脈管制冷機）和高頻脈管制冷機（也稱Stirling脈管制冷機）；低頻脈管制冷機由G-M制冷機的壓縮機驅動，其工作頻率一般為1～2Hz，高頻脈管制冷機由線性壓縮機驅動，其工作頻率一般在30Hz以上。

目前低頻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）；而與低頻脈管制冷機相比，高頻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，但是高頻脈管制冷機在深低溫（<10K）的效率仍然極低。造成深低溫溫區脈管制冷機效率低下的主要原因是：

（1）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、GOS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。

（2）脈管制冷機由于采用被動式調相裝置（如慣性管/氣庫、小孔閥等）無法回收脈管中工質的膨脹功造成脈管制冷機的本征效率低于卡諾效率，所以回收聲功成為提高脈管制冷機效率的另一個關鍵。

脈管制冷劑的回熱器一般采用不銹鋼網或鉛丸作為回熱填料，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。

氣凝膠是一種具有多孔結構的外表呈固體狀的物質，密度極小，可以獲得95%及以上的孔隙率，具有較強的吸附能力，當前世界上最輕的全碳氣凝膠的密度僅為0.16毫克/立方厘米，同時具有非常好的力學性能，可以在體積壓縮至20%時恢復原狀，而且具有較好的隔熱性能，氣凝膠的制備以及應用成為當前的研究熱點。

發明內容

本發明提供了一種采用全碳氣凝膠回熱填料的自由活塞式脈管制冷機，通過在脈管制冷機的回熱器中填充有孔隙率可達95%以上、吸附能力強的全碳氣凝膠層以及利用氣凝膠材料制成脈管制冷機的自由活塞，以達到在深低溫下制冷效率高的效果。

一種采用全碳氣凝膠回熱填料的自由活塞式脈管制冷機，包括由熱橋耦合的多個脈管制冷機單元，多個脈管制冷機單元中的至少一個包括依次連接的壓縮裝置、回熱器、冷端換熱器、脈管以及脈管熱端換熱器，脈管內置有一個自由活塞系統，該自由活塞系統包括彈簧和自由活塞，自由活塞通過彈簧與脈管熱端換熱器相連；所述自由活塞是由氣凝膠柱構成，該氣凝膠柱與脈管間隙密封配合；多個脈管制冷機單元中的最低溫度級脈管制冷機單元的回熱器的低溫端填充有全碳氣凝膠層，其中，所述回熱器的低溫端是指回熱器在10K及10K以下工作溫區的部分。