專利名稱：熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫獲得裝置，特別是涉及一種完全無運動部件的 熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)。
技術(shù)背景熱聲斯特林發(fā)動機具有效率高、無運動部件的優(yōu)點，用它來驅(qū)動脈 管制冷機，可實現(xiàn)完全無運動部件的低溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有壽命長，無需維護等特點。然而，由于在30K以下的低溫環(huán)境中，隨著溫度的進一 步降低，回熱器填料(通常為不銹鋼或鉛材料)的體積熱容將遠小于工質(zhì) (氦氣)的體積熱容，此時回熱器的蓄冷功能無法實現(xiàn)，結(jié)果使制冷溫度 很難進一步降低，同時制冷效率也將大大降低。磁制冷技術(shù)與氣體制冷方式相比在低溫下有著較大的優(yōu)勢， 一方面， 它使用的磁工質(zhì)在低溫下由于磁相變其體積熱容將出現(xiàn)異常變化，其體 積熱容將與氦氣相當，由此磁工質(zhì)可以起到較好的蓄冷作用；另一方面， 磁制冷通過控制外部磁場的變化使得磁工質(zhì)的磁熵發(fā)生變化從而產(chǎn)生制 冷效應(yīng)，在低溫下其效率較高。然而現(xiàn)有磁制冷技術(shù)還無法實現(xiàn)大的制 冷溫差，如從室溫到120K及至20K以下的大溫差，它需要其它方式對其 高溫端進行預(yù)冷。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，將熱聲驅(qū)動脈管制冷機與磁制冷機結(jié)合，提供一種高效的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)。為此，本發(fā)明提供一種熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)，包括依次相連的反饋 管，彈性膜，室溫端換熱器，回熱器，回熱器，熱緩沖管，室溫端換熱 器，三通處的諧振管，其特征在于，還包括一以支路形式接于諧振管上的脈管制冷機以及一以支路形式接于諧振管上的磁制冷機，兩制冷機系 統(tǒng)處于高真空的真空罩中。將熱聲驅(qū)動脈管制冷機與磁制冷機結(jié)合， 一方面可以前者為后者的 預(yù)冷，實現(xiàn)從室溫到低溫的制冷系統(tǒng)；另一方面還可以利用熱聲發(fā)動機 提供的交變流動流體作為熱交換流體，將磁工質(zhì)的放熱量帶到熱端換熱 器，冷量帶到冷頭。本發(fā)明采用U形兩級脈管制冷機，包括 一段有著特定長度的入口 管，其一端與熱聲斯特林發(fā)動諧振管相通，另一端依次與室溫端換熱器, 一級回熱器， 一級冷端換熱器相連通，所述的一級冷端換熱器分別與一 級脈管，二級回熱器相通，使得一部分流體進入脈管，而另一部分進入 二級回熱器，所述的一級脈管另一端接有室溫端換熱器，再與小孔閥及 氣庫相接，用以耗散聲功以及調(diào)節(jié)脈管內(nèi)壓力波動與流速間的相位，在 兩級脈管制冷機入口與小孔閥之間接有雙向進氣閥用以調(diào)相，所述的二 級回熱器另一端與二級冷端換熱器相通，再與二級脈管，室溫端換熱器， 小孔閥，氣庫相連接，類似的從兩級脈管制冷機入口與小孔閥前接有雙 向進氣閥用以調(diào)相，所述的二級冷端換熱器將通過導(dǎo)熱材料與磁制冷機 的高溫換熱器、熱緩沖管一端的高溫熱器相接，對磁制冷機進行預(yù)冷。本發(fā)明的磁制冷機包括入口管道，其一端與熱聲斯特林發(fā)動機諧 振管相通，且接入點應(yīng)位于諧振管速度最大點附近，另一端先與磁制冷 機的高溫端換熱器相通，再與磁工質(zhì)蓄冷器、冷頭、熱緩沖管相通，所 述的入口段前端還有一溫室端換熱器，所述的磁工質(zhì)蓄冷器位于線圈內(nèi) 部，當線圈通電和斷電時，磁工質(zhì)將被磁化和退磁。所述的兩級脈管制冷機可以是同軸型布置，且兩級脈管可共用一個 氣庫。所述的兩級脈管制冷機可以是一級脈管制冷機，在布置形式上可以是u形或者同軸型。所述的磁制冷機的入口管中的流體可采用兩級脈管制冷機的一級冷 端換熱器的溫度環(huán)境進行預(yù)冷，減小二級冷端換熱器的熱負荷。所述的磁制冷機的線圈可采用高溫超導(dǎo)材料，在兩級脈管制冷機的 一級冷端換熱器的溫度環(huán)境下工作，可提供強磁場。本發(fā)明提供的無運動部件的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)與現(xiàn)有的低溫系統(tǒng)相比有如下優(yōu)點(1) 無運動部件，可靠性好；(2) 可以實現(xiàn)低于30-1K的超低溫制冷，并且在低溫下仍具有較高的 效率；


圖1為本發(fā)明提供的無運動部件的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)實施例1的 結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為磁工質(zhì)蓄冷器內(nèi)部氣體運動與線圈電流圖。 圖3本發(fā)明提供的完全無運動部件的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)實施例2 的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4本發(fā)明提供的完全無運動部件的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)實施例3 的結(jié)構(gòu)示意圖。圖面說明反饋管l 回熱器3 彈性膜7 一級回熱器ll 小孔閥15， 22 二級回熱器18室溫端換熱器2， 6， 10， 14, 21， 34加熱器4 諧振管8 一級冷端器12 氣庫16， 23 二級冷端器19熱緩沖管5 脈管制冷機入口管9一級脈管13 雙向進氣閥17， 24二級脈管20導(dǎo)熱金屬25 磁工質(zhì)蓄冷器28 線圈31磁制冷機入口管26 冷頭29 真空罩32高溫端換熱器27 熱緩沖管30 輻射屏3具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式
和附圖對本發(fā)明做進一步的描述 實施例1:實施例1的結(jié)構(gòu)如圖1所示， 一種完全無運動部件的熱聲磁制冷低 溫系統(tǒng)，包括依次相連的反饋管(l)，彈性膜(7)，室溫端換熱器(2)，回熱器(3)，回熱器(4)，熱緩沖管(5)，室溫端換熱器(6)，三通處的諧振 管(8)，其特征在于，還包括一以支路形式接于諧振管(8)上的U形兩級 脈管制冷機以及一以支路形式接于諧振管(8)上的磁制冷機，兩制冷機系 統(tǒng)處于高真空的真空罩(32)中，其中脈管制冷機二級部分與磁制冷機處 于熱輻射屏(33)中。當熱量由加熱器(4)進入系統(tǒng)，回熱器(3)兩端出現(xiàn) 溫度差，在回熱器(3)軸向建立起溫度梯度。當該溫度梯度大于臨界溫度 梯度時，熱聲斯特林發(fā)動機產(chǎn)生自激振蕩，在系統(tǒng)各處形成壓力波動。所述的兩級脈管制冷機包括 一段有著特定長度的入口管(9)用以放 大入口的壓力波動，其一端與熱聲斯特林發(fā)動諧振管(8)相通，另一端依 次與室溫端換熱器(IO)， 一級回熱器(ll)， 一級冷端換熱器(12)相連通， 所述的一級冷端換熱器(12)分別與一級脈管(13)，二級回熱器(18)相通， 使得一部分流體進入脈管(13)，而另一部分進入二級回熱器(18)，所述 的一級脈管(13)另一端接有室溫端換熱器(14)，再與小孔閥(15)及氣庫 (16)相接，用以耗散聲功以及調(diào)節(jié)脈管內(nèi)壓力波動與流速間的相位，在 兩級脈管制冷機入口與小孔閥(15)之間接有雙向進氣閥(17)用以調(diào)相， 所述的二級回熱器(18)另一端與二級冷端換熱器(19)相通，再與二級脈管(20)，室溫端換熱器(21)，小孔閥(22)，氣庫(23)相連接，類似的從 兩級脈管制冷機入口與小孔閥(22)前接有雙向進氣閥(24)用以調(diào)相，所 述的二級冷端換熱器(19)將通過導(dǎo)熱材料(25)與磁制冷機的高溫換熱器(27) 、熱緩沖管(30)—端的高溫熱器相接，對磁制冷機進行預(yù)冷。在熱聲斯特林發(fā)動機產(chǎn)生的壓力波動的驅(qū)動下，通過調(diào)節(jié)各級小孔閥及雙向 進氣閥，兩級脈管制冷機消耗聲功在一級冷端換熱器(12)與二級冷端換熱器(19)獲得所需要溫度下的制冷量。所述的磁制冷機包括入口管道(26)，其一端與熱聲斯特林發(fā)動機 諧振管(8)相通，另一端先與磁制冷機的高溫端換熱器(27)相通，再與磁 工質(zhì)蓄冷器(28)、冷頭(29)、熱緩沖管(30)相通，所述的磁工質(zhì)蓄冷器(28) 位于線圈(31)內(nèi)部，通常其材料一般為金屬釓的化合物如Gd3Ga50j2 等，當線圈通電和斷電時，磁工質(zhì)將被磁化和退磁。因為磁工質(zhì)蓄冷器 (28)的長度遠遠小于氦氣的波長，觀察磁工質(zhì)蓄冷器內(nèi)的氣體的運動與 換熱情況。如圖2所示，以向下為正方向，在前半個周期內(nèi)，氣體從最 下端移動到最上端，此時線圈通有電流產(chǎn)生磁場，磁工質(zhì)被磁化放熱， 溫度升高，氣體與磁工質(zhì)換熱將熱量帶到熱端換熱器27釋放；在后半個 周期內(nèi)，氣體從最上端移動到最下端，此時線圈無電流磁場消失，磁工 質(zhì)退磁吸熱，氣體與磁工質(zhì)換熱將冷量帶到冷頭29，完成制冷循環(huán)。容易理解，可以完成上述磁場變化的電流也可以是圖2所示位移前 半周期電流增加、位移后半周期減小的任意電流波形。容易理解，可將兩級脈管制冷機的一級冷端換熱器(12)與線圈(31) 熱連通，使得線圈(31)能工作在其超導(dǎo)狀態(tài)，此時線圈可以通以大電流、 產(chǎn)生高磁場，得到更大的磁制冷效應(yīng)。容易理解，也可將兩級脈管制冷機的一級冷端換熱器(12)與磁制冷 機高溫端換熱器(27)前的一小段入口管(26)熱連通，降低高溫端換熱器的熱損失。實施例2:如圖3所示，本實施例在實施例1的基礎(chǔ)上，采用同軸型的兩級脈 管制冷機替代實施例1中的普通的兩級脈管制冷機，并且一級氣庫與二 級氣庫合為一個氣庫，采用同軸型脈管可使得結(jié)構(gòu)更為緊湊。本實施例中，將一級回熱器(ll)制成圓環(huán)形， 一級脈管(13)置于一級回熱器中間 且與一級回熱器(ll)同軸布置，室溫端換熱器(10)被一級回熱器(11)、 一級脈管(13)和二級脈管(20)分成三個部分，各部分之間氣體流道互不 相通。實施例3如圖4所示，本實施例采用單級的U形脈管制冷機作為磁制冷機的 預(yù)冷，可實現(xiàn)120K 20K的較高溫區(qū)的無運動部件低溫裝置。 容易理解，單級的脈管制冷機也可以布置成同軸型。 以上是對無運動部件的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)實施例的描述。本領(lǐng)域 的技術(shù)人員可以理解，在不背離本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思的前提下可以對上述 實施例進行變化。因此，應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于在此公開的具體實施 例，而是可以覆蓋在所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的各種變化。
權(quán)利要求
1. 一種熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)，包括依次相連的反饋管(1)，彈性膜(7)，室溫端換熱器(2)，回熱器(3)，回熱器(4)，熱緩沖管(5)，室溫端換熱器(6)，三通處的諧振管(8)，其特征在于，還包括一以支路形式接于諧振管(8)上的脈管制冷機以及一以支路形式接于諧振管(8)上的磁制冷機，兩制冷機系統(tǒng)處于高真空的真空罩(32)中.
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)，其特征在于，所述脈管 制冷機為U形兩級脈管制冷機，其中脈管制冷機二級部分與磁制冷機處 于熱輻射屏(33)中.
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的兩 級脈管制冷機包括 一段有著特定長度的入口管(9)，其一端與熱聲斯特 林發(fā)動諧振管(8)相通，另一端依次與室溫端換熱器(IO)， 一級回熱器 (11)， 一級冷端換熱器(12)相連通，所述的一級冷端換熱器(12)分別與 一級脈管(13)， 二級回熱器(18)相通，使得一部分流體進入一級脈管 (13)，而另一部分進入二級回熱器(18)，所述的一級脈管(13)另一端接 有室溫端換熱器(14)，再與小孔閥(15)及氣庫(16)相接，用以耗散聲功 以及調(diào)節(jié)脈管內(nèi)壓力波動與流速間的相位，從兩級脈管制冷機入口管(9) 與小孔閥(15)前接有雙向進氣閥(17)用以調(diào)相，所述的二級回熱器(18) 另一端與二級冷端換熱器(19)相通，再與二級脈管(20)，室溫端換熱器 (21)，小孔閥(22)，氣庫(23)相連接，在兩級脈管制冷機入口管(9)與小 孔閥(22)之間接有雙向進氣閥(24)用以調(diào)相.
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的磁 制冷機包括入口管道(26)，其一端與熱聲斯特林發(fā)動機諧振管(8)相通， 且接入點應(yīng)位于諧振管(8)速度最大點附近，另一端先與磁制冷機的高溫 端換熱器(27)相通，再與磁工質(zhì)蓄冷器(28)、冷頭(29)、熱緩沖管(30) 相通，所述的入口段前端還有一溫室端換熱器(34)，所述的磁工質(zhì)蓄冷器(28)位于線圈(31)內(nèi)部，當線圈通電和斷電時，磁工質(zhì)將被磁化和退 磁。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)，其特征在于，所述 的二級冷端換熱器(19)將通過導(dǎo)熱材料(25)與磁制冷機的高溫換熱器 (27)、熱緩沖管(30)—端的高溫換熱器相接，對磁制冷機的高溫端換熱 器(27)進行預(yù)冷.
6. 按權(quán)利要求1所述的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的脈 管制冷機為同軸型布置.
7. 按權(quán)利要求4所述的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的兩 級脈管共用一個氣庫。
8. 按權(quán)利要求3或4所述的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的 磁制冷機的入口管中的流體在適當?shù)奈恢每刹捎脙杉壝}管制冷機的一級 冷端換熱器的溫度環(huán)境進行預(yù)冷，減小二級冷端換熱器的熱負荷。
9. 按權(quán)利要求3或4所述的完全無運動部件的熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)， 其特征在于，所述的磁制冷機的線圈可采用高溫超導(dǎo)材料，在兩級脈管 制冷機的一級冷端換熱器的溫度環(huán)境下工作，以提供強磁場.
全文摘要
一種熱聲磁制冷低溫系統(tǒng)，包括依次相連的反饋管(1)，彈性膜(7)，室溫端換熱器(2)，回熱器(3)，回熱器(4)，熱緩沖管(5)，室溫端換熱器(6)，三通處的諧振管(8)，其特征在于，還包括一以支路形式接于諧振管(8)上的脈管制冷機以及一以支路形式接于諧振管(8)上的磁制冷機，兩制冷機系統(tǒng)處于高真空的真空罩(32)中。
文檔編號F25B21/00GK101275793SQ20071006481
公開日2008年10月1日 申請日期2007年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日
發(fā)明者吳張華, 巍 戴, 羅二倉, 胡劍英 申請人:中國科學院理化技術(shù)研究所