[发明专利]一种采用多级热耦合V-M型脉冲管制冷机的制冷系统

说明书

技术领域

本发明涉及回热式低温制冷机技术领域，特别涉及到液氦温区小型低温制冷技术领域的多级热耦合的V-M型脉冲管制冷机。

背景技术

液氦温区低温制冷机在低温物理、深空探测、低温超导学、低温电子学等领域中有广泛的应用需求，对于促进低温物理、深空探测、低温超导等学术领域发展具有重要的作用，这些行业领域同时对小型制冷机提出了更高的要求，需要在紧凑系统下提供较高的工作效率。

目前工作于液氢以上温区(20K)可采用斯特林制冷机或者斯特林型脉冲管制冷机技术，该类型制冷机采用活塞往复运动，在系统内形成压力波动，其本质为可逆循环，具有较高的效率，工作频率通常为30-100Hz，系统体积重量较小，计算以及实验结果表明，在液氢以上温区，氦气可认为是理想气体，同时与常用回热器填料相比，回热器填料比热容相对较大，在该温区通常能够取得较高效率，同时高频运行能够获得相对较小的系统体积。然而对于液氢以下温区，由于氦气特性偏离理想气体，同时传统回热器填料例如不锈钢、磷青铜等体积比热容下降非常明显，回热器效率变差，因此需要采用铅球、HoCu等磁性填料，受限于制作工艺，该类填料只能做成球状或者紧球状，如果仍保持高频率运行，将导致回热器与气体换热变差，并且阻力损失大幅增加，因此为达到液氦温区(4K)下高效运行，系统运行频率需保持在5Hz以下。G-M型制冷机即保持在1-2Hz附近的运行频率，目前为到达液氦温区的主要制冷机。而对于G-M型制冷机或者G-M型脉冲管制冷机，其采用油压缩机产生高压气体，结合高低压切换阀，在制冷机内形成周期性高低压气体循环，进而产生制冷效应；其优势在于切换阀运行频率低，在回热器内的损失较小，有利于到达液氦等温区，制冷机能够达到较高效率。但是一方面高低压切换阀阻力较大，气体流经时产生较大的压降损失，系统热效率难以提高；另一方面油压缩机需要配备油分离器等设备，系统体积庞大，并需要进行定期维护，寿命难以保证。

而维勒米尔制冷机(V-M型)的压力波发生器结构，在小型电机的带动下，气体在热端进行加热，压力升高，在冷端进行冷却，压力降低，压力波动的频率则由小型电机驱动，能够在1-5Hz范围内运行。该类型压力波发生器依靠冷热温差产生，具有可靠性高、系统紧凑等明显优势。

而斯特林型制冷机，为达到液氢温区，通常也需要多级结构，其中一级主要在液氮以上温区产生冷量，通常预冷二级结构，进一步降低二级冷端温度，二级冷端工作于20-30K温区。

将多级斯特林型制冷机的一级冷端作为V-M型压力波发生器的冷端，利用低温与室温(或者辅助加热)间的温差，将高频下的冷源转换为低频下的压力波动，能够充分利用高频斯特林脉冲管制冷机体积小、液氢以上温区效率高、可靠性高及结构紧凑等优点。而低温侧脉冲管制冷机，依靠V-M型压力波发生器产生的低频压力波驱动，同时采用高频斯特林型脉冲管制冷机的二级及以上冷源作为预冷，工作在液氦温区，能够充分发挥该温区低频操作带来的压降小、换热效率高等优点。由于低温段V-M型脉冲管制冷机被预冷到液氢温区，制冷机热端与冷端间温差较小，所消耗声功(PV功)较小，因此能够V-M型压力波发生器的系统体积。

因此，作为本发明主要发明内容的多级耦合结构，在斯特林脉冲管制冷机与低温侧脉冲管制冷机之间，通过采用多级热耦合的方式，能够充分利用多级高频斯特林制冷机不同级的制冷量，尽量减小低频系统所消耗功率，进一步改善整机温度场分布，利用能够有效改善系统热效率，利用斯特林型制冷机的高频运行优势，减小了低频V-M型压力波发生器驱动功率，减小了整机体积与质量，对于提高系统紧凑性、改善制冷机竞争力有重要意义。

发明内容

本发明目的在于解决现有液氦温区制冷机体积庞大、效率低、振动大等问题，而提供一种采用多级热耦合V-M型脉冲管制冷机的制冷系统，该制冷系统可工作于液氢温区以上，其具有热效率高、结构紧凑、体积小及免维护等优点；

本发明的技术方案有以下四种结构：

一、如图1所示，本发明提供的采用多级热耦合V-M型脉冲管制冷机的制冷系统，其由一个高频压力波发生器1、两级斯特林型脉冲管制冷机、一个低频V-M型压力波发生器和一个低温侧脉冲管制冷机组成；