專利名稱：采用氦3-氦4混合工質(zhì)的1-4k溫區(qū)脈管制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制冷機(jī)，尤其涉及一種采用氦3-氦4混合工質(zhì)的l-4K溫區(qū)脈管 制冷機(jī)。
技術(shù)背景脈管制冷機(jī)是世界各國最近十幾年重點(diǎn)研究的一種回?zé)崾街评錂C(jī)，主要由 回?zé)崞?、脈管、室溫端換熱器、冷端換熱器、導(dǎo)流器以及調(diào)相機(jī)構(gòu)組成。由于 消除了低溫下的排出器，和傳統(tǒng)的回?zé)崾街评錂C(jī)(如GM制冷機(jī)、Stirling制 冷機(jī))相比，脈管制冷機(jī)具有在低溫下無運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可 靠性高、較小的機(jī)械振動(dòng)和電磁噪音等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)采用的壓縮機(jī)不同，脈管制冷機(jī)主要分為G-M型和斯特林型兩種。G-M 型脈管制冷機(jī)采用了有閥壓縮機(jī)和氣體切換閥(工作頻率一般在l-2Hz)，斯特 林型脈管制冷機(jī)采用了無閥壓縮機(jī)，其工作頻率一般在30-60Hz，因此也稱它為 高頻脈管制冷機(jī)。低溫超導(dǎo)磁體冷卻或電子儀器冷卻方面都需要運(yùn)用到液氦溫區(qū)制冷機(jī)。大 多數(shù)液氦制冷機(jī)為工作頻率為1Hz左右的GM制冷機(jī)或者G-M型脈管制冷機(jī)。 在4 K溫區(qū)只有0.5-1%的卡諾效率。為了獲得優(yōu)良的制冷性能，需要使用具有優(yōu)越的熱力性質(zhì)的流體作為工質(zhì)。 在低溫工程中，氦是一種常見的工質(zhì)。在所有的低溫流體中，氦的性質(zhì)最接近 于理想氣體，因?yàn)楹さ姆肿觿菽芎苄?。氦是獲取10K以下低溫的唯一制冷工質(zhì)， 也是低溫制冷機(jī)最理想的制冷工質(zhì)。因此在軍事、空間、超導(dǎo)等方面氦流體有 著廣泛的應(yīng)用。液氦具有一個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)，就是它能夠存在于兩種截然不同的 狀態(tài)下，即正常氦和超流氦。正常氦是一種正常的流體，具有經(jīng)典流體的典型 特性。正常氦的性質(zhì)表現(xiàn)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(dāng)。 超流氦，具有與經(jīng)典流體截然不同的物理特性。最為顯著的特征是運(yùn)輸特性， 具有幾乎接近于零的粘性以及顯著的熱傳導(dǎo)性，其熱傳導(dǎo)性比普通流體甚至高 傳導(dǎo)性固體大好幾個(gè)數(shù)量級。區(qū)分兩種液態(tài)的分界線成為入線，因?yàn)楸葻嵩诮咏?相變的區(qū)域的形狀及其類似希臘字母入。目前絕大多數(shù)低溫制冷機(jī)采用氦4為工質(zhì)，另外在一定的溫區(qū)也有一些學(xué) 者使用其他氣體或者混合工質(zhì)進(jìn)行研究。在液氦溫區(qū)，氦4作為工質(zhì)其性能與
理想氣體相差甚遠(yuǎn)。氦3由于其低沸點(diǎn)、低密度、高熱容、高熱導(dǎo)率、能夠突 破氦4超流轉(zhuǎn)變溫度等性質(zhì)，其性能更接近于理想氣體，能顯著降低回?zé)崞髦?由于實(shí)際氣體效應(yīng)導(dǎo)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(jī)的效率，使得其成為低溫制冷機(jī)的理想工質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用氦3-氦4混合工質(zhì)的l-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)。
它包括預(yù)冷級制冷機(jī)、熱橋、壓縮機(jī)、l-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)，l-4K溫區(qū) 脈管制冷機(jī)具有相連接的回?zé)崞?、冷頭、脈管、調(diào)相機(jī)構(gòu)，壓縮機(jī)與1-4K溫區(qū) 脈管制冷機(jī)的回?zé)崞鳠岫讼噙B，預(yù)冷級制冷機(jī)的冷端采用熱橋與l-4K溫區(qū)脈管 制冷機(jī)的回?zé)崞髦胁窟M(jìn)行連接，l-4K溫區(qū)制冷機(jī)采用氦3氦4混合工質(zhì)。
所述的預(yù)冷級制冷機(jī)采用氦4作為工質(zhì)。l-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)為G-M型脈 管制冷機(jī)或斯特林型脈管制冷機(jī)。
本發(fā)明采用氦3-氦4混合工質(zhì)，它與氦4相比，在液氦溫區(qū)具有更好的熱 力性能；與氦3相比，當(dāng)制冷溫度低于氦3-氦4的超流轉(zhuǎn)變溫度且氦3在混合 物中的摩爾百分比較小時(shí)，不僅能利用氦3低沸點(diǎn)、高熱容、高熱導(dǎo)率、能夠 突破氦4超流轉(zhuǎn)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(dòng) 背景環(huán)境，使得氦3在接近于真空的環(huán)境中無摩擦的流動(dòng)，降低粘性損失，并 利用超流氦4的高熱導(dǎo)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(jià)格昂貴，而在較高溫度區(qū)域，同位素氦3與氦4 物性差距很小。因此對于預(yù)冷級制冷機(jī)，采用氦4作為工質(zhì)。在制冷溫度最低 的l-4K溫區(qū)制冷機(jī)采用氦3氦4混合工質(zhì)。


圖1是采用氦3-氦4混合工質(zhì)的l-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)系統(tǒng)示意圖。圖中 預(yù)冷級脈管制冷機(jī)l、熱橋2、壓縮機(jī)3以及1-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)的回?zé)崞?、 冷頭5、脈管6以及脈管熱端調(diào)相機(jī)構(gòu)7。
圖2是氦3氦4混合物相圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示，采用氦3-氦4混合工質(zhì)的l-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)包括預(yù)冷級制冷 機(jī)l、熱橋2、壓縮機(jī)3、 l-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)，l-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)具有相 連接的回?zé)崞?、冷頭5、脈管6、調(diào)相機(jī)構(gòu)7，壓縮機(jī)3與l-4K溫區(qū)脈管制冷 機(jī)的回?zé)崞?熱端相連，預(yù)冷級制冷機(jī)1的冷端采用熱橋2與l-4K溫區(qū)脈管制 冷機(jī)的回?zé)崞?中部進(jìn)行連接，l-4K溫區(qū)制冷機(jī)采用氦3氦4混合工質(zhì)。
所述的預(yù)冷級制冷機(jī)1采用氦4作為工質(zhì)。l-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)為G-M型 脈管制冷機(jī)或斯特林型脈管制冷機(jī)。氦3氦4混合工質(zhì)與氦3和氦4單一工質(zhì)相比，氦3和氦4混合物的一些 特殊性質(zhì)為制取極低溫創(chuàng)造了條件。氦3和氦4混合物的平衡相圖如圖2所示。 作為液態(tài)氦4的正常態(tài)He I和液態(tài)氦4的超流態(tài)He II分界點(diǎn)的^點(diǎn)的溫度隨著 加入的少量氦3而降低。2線和相分離線的交點(diǎn)被稱作TCP點(diǎn)。在溫度一濃度 相圖中，TCP點(diǎn)的溫度為T:0.872K， x=0.669。而氣體膨脹制冷的有效溫區(qū)在 1K以上，因此我們只關(guān)注1K溫區(qū)以上的混合物特性。在飽和蒸氣壓下，純氦 4液體在溫度低于2.17K時(shí)就表現(xiàn)出超流性，在超流氦4中混入少量氦3，仍能 保持超流性，在其中的氦3就像在真空中一樣，能不受摩擦地自由運(yùn)動(dòng)。如圖2 所示，當(dāng)溫度低于氦3-氦4混合物的超流轉(zhuǎn)變溫度T,、且氦3在混合物的摩爾百 分比小于66.9%時(shí)，氦3在氦4提供的超流背景環(huán)境中，具有幾乎接近于零的粘 性，顯著的熱傳導(dǎo)性以及高比熱容，為獲取更低的制冷溫度以及有效的傳輸制 冷機(jī)冷頭冷量提供了極佳的條件。而當(dāng)溫度高于氦3-氦4混合物的超流轉(zhuǎn)變溫 度T,或者混合物中氦3的摩爾百分比大于66.9°/。時(shí)，混合物均處于正常態(tài)。此 時(shí)，氦3-氦4混合物與純氦4相比，具有較小的比熱和更接近于理想氣體的性 質(zhì)，因此能夠改善制冷機(jī)的回?zé)嵝Ч?。因此，?K-TV溫區(qū)下，采用氦3氦4 的混合物作為工質(zhì)，不僅能利用氦3優(yōu)良的制冷性能，還能利用氦4相對較高 的超流轉(zhuǎn)變溫度，使得混合物中的氦3能夠不受摩擦的自由運(yùn)動(dòng)，降低了粘性 損失，且超流狀態(tài)下氦的高熱導(dǎo)率以及也能增強(qiáng)低溫下的換熱效果，超流氦具 有的高比熱容特性能夠使制冷量有效的傳輸；在T,-4K溫區(qū)下，氦3-氦4混合 物與純氦4相比，具有較小的比熱和更接近于理想氣體的性質(zhì)，能夠改善回?zé)?效果提高制冷機(jī)效率。本發(fā)明具體的裝配方法是首先將預(yù)冷級脈管制冷機(jī)1的冷頭通過熱橋2 與l-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)的回?zé)崞?的中部相連；其次，將壓縮機(jī)3與回?zé)崞? 相連，脈管6與調(diào)相機(jī)構(gòu)7相連。把整個(gè)制冷系統(tǒng)裝配完成后，先打開預(yù)冷級的壓縮機(jī)，使預(yù)冷級的制冷機(jī) 達(dá)到需要的制冷溫度來預(yù)冷1-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)。然后打開壓縮機(jī)3，直到脈 管制冷機(jī)獲得穩(wěn)定的制冷溫度。
權(quán)利要求
1.一種采用氦3-氦4混合工質(zhì)的1-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)，其特征在于它包括預(yù)冷級制冷機(jī)(1)、熱橋(2)、壓縮機(jī)(3)、1-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)，1-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)具有相連接的回?zé)崞?4)、冷頭(5)、脈管(6)、調(diào)相機(jī)構(gòu)(7)，壓縮機(jī)(3)與1-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)的回?zé)崞?4)熱端相連，預(yù)冷級制冷機(jī)(1)的冷端采用熱橋(2)與1-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)的回?zé)崞?4)中部進(jìn)行連接，1-4K溫區(qū)制冷機(jī)采用氦3氦4混合工質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用氦3-氦4混合工質(zhì)的l-4K溫區(qū)脈管制冷 機(jī)，其特征在于所述的預(yù)冷級制冷機(jī)(1)采用氦4作為工質(zhì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用氦3-氦4混合工質(zhì)的l-4K溫區(qū)脈管制冷 機(jī)，其特征在于所述的l-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)為G-M型脈管制冷機(jī)或斯特林型 脈管制冷機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用氦3-氦4混合工質(zhì)的1-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)。它包括預(yù)冷級制冷機(jī)、熱橋、壓縮機(jī)、1-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)，1-4K溫區(qū)脈管制冷機(jī)包括回?zé)崞?、冷頭、脈管、調(diào)相機(jī)構(gòu)，壓縮機(jī)與脈管制冷機(jī)的回?zé)崞鳠岫讼噙B，預(yù)冷級制冷機(jī)的冷端采用熱橋與脈管制冷機(jī)的回?zé)崞髦胁窟B接，1-4K溫區(qū)制冷機(jī)采用氦3氦4混合工質(zhì)。本發(fā)明在2.17-4K溫區(qū)時(shí)，氦3氦4混合工質(zhì)具有比純氦4低的比熱容，可以提高制冷機(jī)的回?zé)嵝阅?，從而提高制冷機(jī)的效率；在1-2.17K溫區(qū)，氦3氦4混合工質(zhì)不僅能利用氦3低沸點(diǎn)、能夠突破氦4超流轉(zhuǎn)變溫度等特性，還能利用超流氦4的高熱導(dǎo)率和高比熱容改善換熱效果并有效傳輸制冷量，使制冷機(jī)能夠獲得更低的制冷溫度和在1-4K溫區(qū)有更大的制冷量。
文檔編號F25B9/12GK101158518SQ200710156859
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月15日
發(fā)明者黎 代, 劉國軍, 強(qiáng) 曹, 李卓裴, 甘智華, 邱利民, 陳國邦 申請人:浙江大學(xué)