本發(fā)明涉及低溫制冷機領(lǐng)域，具體涉及一種三級gm制冷機及其快速冷卻低溫超導裝置的方法。

背景技術(shù)：

1、gm制冷機（gifford-mcmahon制冷機）是一種廣泛應(yīng)用于低溫技術(shù)領(lǐng)域的高效制冷設(shè)備，其工作原理基于氣體的絕熱膨脹與壓縮循環(huán)，通過兩個冷卻階段提供不同溫區(qū)的冷量。gm制冷機通常由兩級冷頭組成：一級冷頭的工作溫度范圍為30k至300k，能夠輸出幾十至數(shù)百瓦的制冷功率，用于中溫段冷卻；二級冷頭的工作溫度最低可達3k，但其制冷功率相比一級冷頭較低，僅能提供一至幾瓦的冷量，用于深低溫環(huán)境。憑借其結(jié)構(gòu)緊湊、運行穩(wěn)定且無需液氦消耗等特點，gm制冷機在各種低溫應(yīng)用場景中得到了廣泛應(yīng)用。

2、在低溫超導磁體領(lǐng)域，gm制冷機發(fā)揮了關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的超導磁體冷卻方式通常采用液氦浸泡冷卻，將超導線圈直接置于液氦中，快速將其冷卻至工作溫度（通常低于4k），并維持穩(wěn)定的超導狀態(tài)。然而，這種冷卻方式需要消耗大量液氦，不僅成本高昂，而且增加了設(shè)備的重量和復雜性。一旦磁體發(fā)生失超，短時間內(nèi)產(chǎn)生的巨大熱量會導致液氦的大量揮發(fā)，進一步加劇資源浪費和成本負擔。一般在低溫超導磁體中設(shè)置制冷機，以實現(xiàn)液氦的零揮發(fā)。

3、為減少對液氦的依賴，少液氦或無液氦冷卻技術(shù)逐漸得到發(fā)展。在這類系統(tǒng)中，gm制冷機成為核心制冷設(shè)備。其一級冷頭通常用于冷卻系統(tǒng)中的冷屏（輻射熱屏），以降低環(huán)境熱負載；二級冷頭直接或間接通過熱管連接至超導線圈，實現(xiàn)4k以下的深冷。這種方式能夠顯著減少液氦的使用量，降低運行成本，并減輕設(shè)備的總重量，提升運輸和安裝的便捷性。然而，由于gm制冷機的二級冷頭制冷功率有限，系統(tǒng)從環(huán)境溫度冷卻至工作溫度（4k）通常需要20至30天，冷卻速度較慢，對需要頻繁啟動的應(yīng)用場景帶來了不小的挑戰(zhàn)。

4、因此，如何進一步提高gm制冷機在超導磁體冷卻中的效率，縮短冷卻時間，成為當前少液氦與無液氦技術(shù)研究的重點。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對少液氦和無液氦磁體降溫速率較慢的問題，提出一種三級gm制冷機及其快速冷卻方法。

2、一種三級gm制冷機包括：

3、三級換熱氣缸容器，包括第一換熱器，第二導冷臺，第二換熱器，第三換熱器，氣缸容器。第一換熱器和第二換熱器與氣缸容器熱連接，第三換熱器通過氣路與第一換熱器和第二換熱器熱耦合，不與氣缸容器直接接觸；

4、驅(qū)動機構(gòu)，曲柄連桿，兩級制冷組件，設(shè)置在所述三級換熱氣缸容器內(nèi)。

5、兩路獨立氣體回路配氣組件，包括第一氣體回路和第二氣體回路。其中第一氣體回路和壓縮機連接，高壓氣體從壓縮機進入氣缸容器內(nèi)部，經(jīng)過氣體膨脹制冷后的低壓氣體又流入壓縮機。第二氣體回路布置在氣缸容器外部，將第一換熱器，第二換熱器，第三換熱器兩兩連接，形成三級級聯(lián)熱開關(guān)。第二氣體回路與高壓氣瓶連接，用于給氣體上升管路和下降管路充裝工作氣體，管路充氣口從氣缸容器安裝法蘭穿出，位于室溫中，并裝有安全閥，壓力計，流量計。工作氣體的壓力可調(diào)，對于不同種類的工作氣體，氣體熱開關(guān)回路運轉(zhuǎn)的壓力不同，對于同一種工作氣體，在不同壓力下的流動狀態(tài)也不同，可調(diào)節(jié)的氣體壓力更適合依據(jù)不同工況調(diào)整得到最好的冷卻效果。

6、在一些實施例中，低溫制冷機的驅(qū)動機構(gòu)可以是電動或者氣動。

7、在一些實施例中，第一氣體回路和第二氣體回路工作氣體同為氦氣，形成的第一換熱器上的第一級溫度在35k~45k，第三換熱器上的第三級溫度在25~35k，第二換熱器上的第二級溫度在3.5~4.5k。

8、在一些實施例中，三級gm制冷機冷卻的低溫超導裝置可以是超導磁體，本發(fā)明的另一方面能夠提供一種針對超導磁體的快速冷卻方法。特別是少液氦或無液氦超導磁體。其中超導磁體的冷屏冷卻是依靠和第一換熱器的熱連接實現(xiàn)，連接方式可以是導冷組件的熱傳導，此時導冷組件可以熱耦合在第一換熱器上；所述導冷組件的材料可以是，銀，高純銅或高純鋁。

9、在一些實施例中，所述方法中超導磁體中冷屏的冷卻是依靠和第一換熱器的熱連接實現(xiàn)，連接方式可以熱管回路的氣液兩相換熱或熱虹吸管路的單相氣體或氣液兩相換熱。

10、在一些實施例中，所述方法中超導線圈的冷卻是依靠和第二換熱器的熱連接實現(xiàn)，連接方式可以是導冷組件，熱管回路的氣液兩相換熱或熱虹吸管路的單相氣體或氣液兩相換熱。

11、在一些實施例中，超導磁體中另外一些需要冷卻的組件，其工作溫度介于第一換熱器和第二換熱器制冷極限溫度之間，比如一些高溫超導材料如ybco、bi2212、bi2223、mgb2等，其工作溫度在25k以上，可用第三換熱器實現(xiàn)這部分的冷卻，方式可以是導熱組件的熱連接或者熱管回路的氣液兩相換熱或熱虹吸管路的單相氣體或氣液兩相換熱，此時換熱器可以相應(yīng)調(diào)整為可以有兩路氣體進行熱質(zhì)交換的結(jié)構(gòu)，如管殼式換熱器，套管式換熱器等。

12、在一些實施例中，換熱器之間的熱連接是通過氣體上升管路和下降管路所組成的氣體循環(huán)回路實現(xiàn)；利用換熱器從下往上的溫度梯度，形成自然虹吸管路，熱開關(guān)導通，當降溫持續(xù)到溫度梯度反向后，即下端的換熱器溫度低于上端的換熱器，自然虹吸需要的驅(qū)動力消失，熱開關(guān)斷開。

13、在一些實施例中，第二氣體回路內(nèi)的工作氣體可以是氦氣，氫氣，氮氣或氖氣中的一種或混合氣體。

14、在一些實施例中，三級gm制冷機使用在強磁場環(huán)境中時，可在所述第二換熱器上方向上安裝磁屏蔽組件，但不與第三換熱器接觸。所述磁屏蔽組件使用高磁導率材料制成，包括但不限于高純鋁，硅鋼，低碳鋼等。

15、在一些實施例中，氣缸容器內(nèi)部設(shè)置有加熱裝置和溫度控制模塊，用于在設(shè)備維護期間對氣缸內(nèi)部溫度進行精確調(diào)節(jié)。當需要拆卸或更換制冷機機芯時，首先通過加熱裝置將氣缸容器內(nèi)的溫度升高至預定溫度范圍。這一過程確保容器內(nèi)部的低溫液態(tài)工質(zhì)（如液氦或液氮）完全氣化，避免因低溫條件下殘留液體或冷凝現(xiàn)象導致的結(jié)霜或冰晶堆積。溫度控制模塊對加熱過程進行實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)，以確保溫度均勻且達到操作要求。在氣缸內(nèi)環(huán)境達到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后，方可進行制冷機機芯的安全拆卸或更換。可以有效防止低溫操作帶來的潛在風險，提升了維護操作的效率與安全性，確保拆卸過程中的系統(tǒng)可靠性和工作環(huán)境的穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.一種三級gm制冷機，其特征在于包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三級gm制冷機，其特征在于，所述第一換熱器（111）熱耦合至所述氣缸容器（115）外壁面，靠近一級置換器（142）；第二導冷臺（113）布置在所述氣缸容器（115）底部，用真空釬焊與氣缸容器（115）外壁面焊接；第二換熱器（112）熱耦合至所述第二導冷臺（113），用螺釘緊固連接；第三換熱器（114）通過氣路熱耦合至所述第一換熱器（111）和第二換熱器（112）中間，且靠近第一換熱器（111）三分之一到二分之一高度處。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三級gm制冷機，其特征在于，所述的兩路獨立氣體回路配氣組件（130），其中第一氣體回路（131）從三級換熱氣缸容器（110）內(nèi)部流經(jīng)所述第一再生器（141）和一級置換器（142），實現(xiàn)一級氣體膨脹制冷后再流經(jīng)第二再生器（143）和二級置換器（144），實現(xiàn)二級氣體膨脹制冷后再流出三級換熱氣缸容器（110）完成制冷循環(huán)，第二氣體回路（132）布置在三級換熱氣缸容器（110）外部，按順序接入所述第一換熱器（111），第三換熱器（114），第二換熱器（112），所述第二氣體回路（132）與高壓氣瓶（117）連接并充注氣體后關(guān)閉，所述第二氣體回路（132）包括氣體上升管路（33a）和氣體下降管路(33b)，當所述第二換熱器（112）溫度更高時，氣體從所述氣體上升管路（33a）中從下往上流動，在所述第二換熱器（112）中被冷卻，從所述氣體下降管路（33b）中從上往下流動，回到所述第二換熱器（112）中，當所述第二換熱器（112）溫度低于所述第一換熱器（111），氣體循環(huán)停止，熱開關(guān)斷開。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種三級gm制冷機，其特征在于，所述第一氣體回路（131）的工作氣體為氦氣，所述第二氣體回路（132）填充的氣體為氦氣、氫氣、氮氣、氖氣中的任一種，或由這些氣體中的兩種組成的混合氣體。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三級gm制冷機，其特征在于，形成第一換熱器（111）的溫度為第一級溫度,第二換熱器（112）的溫度為第二級溫度，第三換熱器（114）的溫度為第三級溫度，第一級溫度＞第三級溫度＞第二級溫度。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種三級gm制冷機，其特征在于，所述第一氣體回路（131）與壓縮機（170）連接，通過高壓氣體閥（172）和低壓氣體閥（171）的周期性開閉實現(xiàn)氣路在氣缸容器（115）內(nèi)部的循環(huán)，達到制冷效果。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三級gm制冷機，其特征在于，所述的三級換熱氣缸容器（110）可通過法蘭盤（150）安裝在低溫超導裝置的外殼，所述三級換熱氣缸容器（110）內(nèi)部可布置溫控裝置（116），包括一個加熱電阻絲和溫度監(jiān)控模塊,在需要拆卸或更換制冷組件時啟動加熱組件，溫度達到預設(shè)溫度后可打開三級換熱氣缸容器（110）和低溫超導裝置殼體連接處。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三級gm制冷機，其特征在于，使用在強磁場環(huán)境中時，可選擇在所述第二換熱器（112）上，向上安裝磁屏蔽組件（160），并且不與第三換熱器（114）接觸。

9.一種實用如權(quán)利要求1-8任一項所述的三級?gm?制冷機的快速冷卻方法，可對含有高溫超導線圈和低溫超導線圈的低溫超導裝置進行冷卻，其特征在于：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種三級gm制冷機的快速冷卻方法，其特征在于，所述高溫超導線圈的材料是釔鋇銅氧化物（ybco）、或鉍鍶鈣銅氧化物（bscco）、或二硼化鎂（mgb2）；所述低溫超導線圈的材料是鈮鈦合金（nbti）或鈮三錫（nb3sn），所述低溫超導裝置是醫(yī)療磁共振成像超導磁體、磁拉單晶超導磁體或核聚變超導磁體。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種三級GM制冷機及其快速冷卻方法。三級GM制冷機包括三級換熱氣缸容器，兩路獨立氣體回路的配氣組件，兩級制冷組件，驅(qū)動機構(gòu)。三級換熱氣缸容器包括第一換熱器，第二換熱器，第三換熱器，氣缸容器。兩路獨立氣體回路分別位于氣缸容器的內(nèi)部和外部，第一氣體回路實現(xiàn)氣體的膨脹制冷，第二氣體回路將每兩個換熱器之間連接并填充工作氣體（例如：氦氣，氖氣，氫氣其中一種或混合氣體）形成三級級聯(lián)氣體熱開關(guān)，可以大幅提高GM制冷機使用時的降溫效率。同時，三級換熱氣缸容器和低溫超導裝置的殼體焊接在一起構(gòu)成真空容器，當GM制冷機需要更換或維修時，可在不破壞真空條件下將制冷機的驅(qū)動組件及兩級制冷組件等部件單獨拆卸。

技術(shù)研發(fā)人員：倪志鵬,丁嵐,冷彥祺,胡格麗,倪騫
受保護的技術(shù)使用者：蘇州普思影醫(yī)療科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19