[實用新型]一種工作在1-2K的復合型多級脈管制冷機

有效

• 申請號: 201320026569.6
• 申請日: 2013-01-17
• 公開（公告）號: CN203190705U
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 甘智華;王博;劉東立;王龍一;張小斌;張學軍;汪偉偉;劉雨夢;吳鎂;朱佳凱
• 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

本實用新型涉及一種復合型多級脈管制冷機，尤其涉及一種同時使用氦-4和氦-3為工質的工作在1-2K溫區的高低頻復合型多級脈管制冷機。

背景技術

低溫制冷技術在基礎科學研究、低溫物理、工業應用、醫學生物、國防軍事以及空間探測等領域有著廣泛而不可替代的應用，與低溫相關的科學領域目前已成為核心或高科技的代表，如歐洲強子對撞機等大型科學裝置。按照國際約定，低溫制冷技術涵蓋120K以下的溫度區域，當前整個低溫溫區的制冷方式相對成熟，1K及以上溫區可采用超流氦、液氦或其他低溫液體杜瓦技術和機械式制冷技術獲得，而1K以下則有絕熱去磁制冷和稀釋制冷等技術。

在低溫溫區內，1-2K是一個非常關鍵和特殊的溫區，一方面有大量的探測器(如鍺摻鎵探測器)和超導設備工作在該溫區，另一方面更低的mK級溫區的高效獲得必須在該溫區被預先冷卻。當前獲得1-2K溫區的制冷方式主要有超流氦抽空技術和機械式制冷技術。

超流氦抽空技術需要大量的液氦，為保證系統的高效絕熱，系統結構設計異常復雜，同時為保證氦氣的高效利用，需要配備復雜的氦氣回收純化系統，這些均導致超流氦抽空技術成本高，系統結構復雜且可靠性低。

機械式制冷技術采用閉式制冷循環實現制冷效應，制冷工質(低溫一般為氦氣)在封閉系統內循環流動，具有氦氣用量少，結構緊湊，壽命長和可靠性高等優點。由于全球最大的氦氣出口國美國將氦氣作為戰略物資進行出口限制，當前全球液氦供應日趨緊張，且成本日增，所以機械式制冷方式得到了快速發展和廣泛應用。

機械式制冷技術主要有回熱式制冷技術和間壁式制冷技術，其中回熱式制冷技術由于采用了填充有高體積比熱容回熱填料的高效回熱器，具有結構緊湊效率高等優點，在低溫物理、軍事國防、航空航天等領域得到了廣泛的應用。脈管制冷機，GM制冷機和斯特林制冷機是三種典型的回熱式制冷機，其中脈管制冷機在冷端沒有運動部件，具有潛在的高可靠性，而據現有公開文獻資料顯示，當前回熱式制冷技術中只有以氦-3為工質的低頻脈管制冷機獲得1-2K的制冷溫度，但是其需要大量的氦-3，蔣寧等(Jiang?N，et?al.Cryogenics，2004，44：809.)采用兩級低頻脈管制冷機獲得了1.27K的最低制冷溫度，但共使用標準狀態下的氦-3228升。

氦-3是氦氣同位素中的一種，其在自然界中的含量極少，正常的氦氣中僅含體積分數為1.3×10^-6％的氦-3，是一種稀有昂貴的氣體，同時加之氦-3的主要出口國美國出臺了限制氦氣出口的相關政策，導致近年來氦-3的價格飆升，氦-3從2007年的約200美元/標升，漲至2009年的2000美元/標升，當前氦-3的價格約為10000美元/標升，價格昂貴的同時來源不易獲得。Science雜志2009年發表題為“氦-3短缺使低溫相關研究雪上加霜”(Helium-3Shortage?Could?Put?Freeze?On?Low-Temperature?Research，A.Cho.Science，2009，Vol.306：778-779.)的評論文章，文章分析了當前氦-3供應緊張會給低溫物理等領域帶來顯著而嚴重的影響，基于上述分析可知，發掘新型的不使用氦-3或者盡量少使用氦-3的1-2K溫區制冷技術對推進低溫相關科學研究的快速發展，減輕氦-3短缺對全球相關領域的影響至關重要，所以急需新型的且具有較高可行性的1-2K溫區制冷技術。

實用新型內容

本實用新型提供了一種工作在1-2K的復合型多級脈管制冷機，通過不同制冷方式的耦合可以在使用非常少量氦-3的前提下獲得1-2K的制冷溫度，同時結構緊湊，可靠性高。

脈管制冷機的相關理論指出提高運行頻率可以顯著減小制冷系統的體積，所以提高運行頻率可以顯著減少氦-3的用量，但是由于頻率提高使回熱器中的氣體和填料之間的換熱變得不充分，引起回熱器效率急劇下降，導致高頻脈管在低溫溫區的效率極低且無法獲得1-2K的制冷溫度，當前高頻脈管制冷機采用氦-3工質的最低制冷溫度僅為3K，為獲得1-2K的制冷溫度，高頻脈管制冷機需要更多的級數和更低的預冷溫度(＜10K)，更低預冷溫度難以獲得的同時制冷機系統也會變得異常復雜，若將高頻脈管制冷機與可在較低溫度(＜10K)提供較大預冷量的低頻脈管制冷機耦合起來，將成為一種新型的可獲得1-2K制冷溫區的復合型脈管制冷機，由于低頻脈管制冷機可以采用氦-4為制冷工質，所以這種復合型脈管制冷機只需在具有較小體積的高頻脈管制冷機部分采用氦-3，即采用少量的氦-3氣體便可以獲得1-2K的制冷溫度。