一種氦四回?zé)崞骷皫в性摶責(zé)崞鞯牡蜏刂评錂C(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及低溫制冷機(jī)領(lǐng)域，具體是涉及一種氦四回?zé)崞骷皫в性摶責(zé)崞鞯牡蜏刂评錂C(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著高科技的很快的發(fā)展；超導(dǎo)磁體及傳感器、低溫物性研究、Sub-Kelvin冷卻、移動通訊等等，對液氦的需求越來越高，4K低溫制冷機(jī)的研究和應(yīng)用越來越廣。當(dāng)前主流的4K溫區(qū)低溫制冷機(jī)按照制冷循環(huán)方式劃分為GM制冷機(jī)和脈管制冷機(jī)兩種，GM制冷機(jī)的制冷效率比脈管制冷機(jī)的效率還是高。當(dāng)前4K低溫制冷機(jī)的研究過程中最重要的是提高制冷效率。而4K溫區(qū)氦四的實際氣體物性、回?zé)崞魈盍系挠邢薜谋葻?，為提高制冷效率增添了很大困難。因此，把工作流體氦四替換到氦三，而且開發(fā)4K溫區(qū)比熱特別大的填料，使用它們，成為目前研究的重點。
[0003]圖1所示為不同回?zé)崞魈盍虾秃?4的體積比熱特性:除了不銹鋼和鉛之外，其他填料的比熱在4K到20K溫區(qū)的局部領(lǐng)域相比氦-4特別大。因此在4K低溫制冷機(jī)中這些材料作為4K回?zé)崞鞯奶盍掀鸬胶苤匾淖饔?。此外?4的比熱在100K以上溫區(qū)之外與在4K到20K溫區(qū)的物性差別特別大。所以為了開發(fā)4K溫區(qū)比熱很大的填料材料，大量研究不停地進(jìn)行。
[0004]圖2所示為現(xiàn)有的4KG-M型脈管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)，包括:壓縮機(jī)1、旋轉(zhuǎn)閥2、傳輸管3、熱端換熱器4、一級回?zé)崞?、一級回?zé)崞骼涠藫Q熱器6、一級冷端流體通道7、一級脈管冷端換熱器8、一級脈管9、一級脈管熱端換熱器10、一級氣庫11、一級小孔閥20、一級雙向進(jìn)氣閥121、一級雙向進(jìn)氣閥1122、二級回?zé)崞鱅 12、二級回?zé)崞鱅I 13、二級回?zé)崞骼涠藫Q熱器14、二級冷端流體通道15、二級脈管冷端換熱器16、二級脈管17、二級脈管熱端換熱器
18、二級氣庫19、二級小孔閥23、二級雙向進(jìn)氣閥124、二級雙向進(jìn)氣閥1125。
[0005]4K GM型脈管制冷機(jī)的工作過程為:為了達(dá)到4K溫區(qū)，需要30K?40K的預(yù)冷部分，是由制冷機(jī)的一級來實現(xiàn)的。由壓縮機(jī)I產(chǎn)生工作流體(氦-4)高壓和低壓。通過旋轉(zhuǎn)閥2，氦-4的壓力周期的變化。氦-4在一級回?zé)崞?內(nèi)進(jìn)行和填料換熱，在一級脈管9內(nèi)進(jìn)行絕熱壓縮及膨脹。一級回?zé)崞魈盍鲜且话悴讳P鋼或者紫銅絲網(wǎng)和鉛球。隨著這個過程的反復(fù)，冷端的溫度漸漸降低。由一級小孔閥20、一級雙向進(jìn)氣閥I 21、一級雙向進(jìn)氣閥1122調(diào)節(jié)在一級冷端流體質(zhì)量流量和壓力波動之間的相位差及直流，從而影響一級的制冷性能。
[0006]制冷機(jī)的更重要的部分是第二級，在這個部分達(dá)到4K溫區(qū)。在兩級脈管制冷機(jī)，氦-4的質(zhì)量流量在兩級之間由一級冷端流體通道7分配到兩部分，分別進(jìn)入到:一級脈管冷端換熱器8和二級回?zé)崞鱅 12的熱端。二級回?zé)崞魈盍鲜窃?K到40K溫區(qū)比熱特別大的材料:比如GAP、GOS、HoCu2、ErNia9Coa1、ErN1、Er3N1、Gd-Rh等等。因為這些填料的比熱在局部溫區(qū)大，二級回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)是分層的。由二級小孔閥23、二級雙向進(jìn)氣閥I 24、二級雙向進(jìn)氣閥II 25調(diào)節(jié)在二級冷端流體質(zhì)量流量和壓力波動之間的相位差及直流，從而影響二級的制冷性能。
[0007]現(xiàn)有的4K GM型脈管制冷機(jī)還是存在制冷效率低的問題。在4K溫區(qū)制冷效率低的最關(guān)鍵的原因是4K回?zé)崞魈盍系挠邢薇葻?。雖然到目前開發(fā)了很多種特殊的球填料，但是它們的缺點是在局部溫區(qū)比熱大，而且制作費(fèi)用很貴。
[0008]氦-4跟現(xiàn)有的多種特殊的球填料相比，比熱更大，并且購進(jìn)價格比較低。因此為了把氦-4用作4K回?zé)崞魈盍系囊恍┭芯空谶M(jìn)行，其方法有兩種:第一種是利用機(jī)械工程熱力學(xué)的方法。把氦-4充氣到一個部件的里面，這個部件里面的氦-4和其部件外面的工作流體氦-4換熱。第二種是用吸收氦-4的特殊毫微材料的方法。吸收的氦-4和通過毫微材料流的氦-4換熱。但是無論是什么方法，還是沒有達(dá)到預(yù)定的效果。主要原因是換熱面積小及孔氣率低，和壓力波動的損失。
【實用新型內(nèi)容】
[0009]針對上述問題，本實用新型提出了一種氦四回?zé)崞骷皫в性摶責(zé)崞鞯牡蜏刂评錂C(jī)，該氦四回?zé)崞鬟m于4K低溫溫區(qū)使用，代替現(xiàn)有的球填料，利用新的換熱機(jī)理，提高了 4K溫區(qū)的制冷效率。
[0010]一種氦四回?zé)崞?，包括帶有空腔的本體、分別設(shè)置在本體頂部和底部的上蓋和下蓋，所述本體上設(shè)有開口朝向所述空腔的內(nèi)狹縫以及開口背對空腔朝外的外狹縫；所述外狹縫和內(nèi)狹縫互相獨(dú)立，且沿本體軸線周向交替設(shè)置，相鄰?fù)猹M縫和內(nèi)狹縫之間形成換熱面；所述上蓋和下蓋上分別設(shè)有與所述外狹縫對應(yīng)的狹縫結(jié)構(gòu)，所述上蓋和下蓋分別將內(nèi)狹縫的頂端和底端密封。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述空腔和內(nèi)狹縫之間形成盛放氦四回?zé)崽盍系目臻g；所述外狹縫形成工作流體氦-4通過的空間；工作流體和回?zé)崽盍现g通過內(nèi)狹縫和外狹縫之間的薄壁面實現(xiàn)間接換熱。在4K溫區(qū)，與傳統(tǒng)的球填料相比，氦四的比熱容更好，進(jìn)一步提高了回?zé)崞鞯幕責(zé)嵝阅埽M(jìn)而可以提高制冷機(jī)的制冷效率。
[0012]作為優(yōu)選，所述相鄰?fù)猹M縫和內(nèi)狹縫之間設(shè)有開口背對空腔朝外的增強(qiáng)狹縫。通過增強(qiáng)狹縫進(jìn)一步增加換熱面積，提高換熱效率。
[0013]作為優(yōu)選，所述上蓋上設(shè)有與所述空腔連通的通孔。通過通孔，可實現(xiàn)空腔與外接管路的連接，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對氦四填料的壓力控制，保證氦四填料在最佳比熱特性下工作。
[0014]作為優(yōu)選，所述外狹縫、內(nèi)狹縫、增強(qiáng)狹縫的深度方向與所述本體的徑向一致，且以所述本體的中軸線呈輻射狀均勻布置。采用該結(jié)構(gòu)，保證整個本體內(nèi)換熱均勻，避免局部過熱等。作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述增強(qiáng)狹縫的深度方向與所述本體的徑向一致，且以所述本體的中軸線呈輻射狀均勻布置。進(jìn)一步保證換熱均勻。
[0015]作為優(yōu)選，所述空腔的直徑為所述本體直徑的1/6?1/4。所述外狹縫和內(nèi)狹縫的深度為所述本體直徑的1/4?1/2.5 ;所述增強(qiáng)狹縫的深度為所述本體直徑的1/5?1/3。采用上述技術(shù)方案，保證內(nèi)外狹縫之間形成足夠多的換熱面。
[0016]本實用新型還提供了一種低溫制冷機(jī)，該脈管制冷機(jī)中回?zé)崞鞑捎蒙鲜鋈我患夹g(shù)方案所述的氦四回?zé)崞?。所述脈管制冷機(jī)一般采用氦四(He-4)為工作流體。
[0017]作為優(yōu)選，所述低溫制冷機(jī)中位于4K溫區(qū)部分的回?zé)崞鞑捎蒙鲜鋈我患夹g(shù)方案的氦四回?zé)崞鳌?br>[0018]作為優(yōu)選，所述低溫制冷機(jī)為二級脈管制冷機(jī)，所述上蓋與二級脈管制冷機(jī)的二級氣庫之間連接有毛細(xì)管，該毛細(xì)管一端與所述本體的空腔連通，另一端與二級氣庫連通。采用該技術(shù)方案，通過二級氣庫可方便實現(xiàn)對氦四回?zé)崞鲀?nèi)回?zé)崽盍蠅毫Φ恼{(diào)整，進(jìn)而實現(xiàn)對填料氦-4的比熱特性調(diào)節(jié)。
[0019]本實用新型的兩級脈管制冷機(jī)一般包括壓縮機(jī)、熱端換熱器、一級回?zé)崞鳌⒁患壔責(zé)崞骼涠藫Q熱器、一級脈管冷端換熱器、一級脈管、一級脈管熱端換熱器、一級氣庫、二級回?zé)崞鳌⒍壔責(zé)崞骼涠藫Q熱器、二級脈管冷端換熱器、二級脈管、二級脈管熱端換熱器、二級氣庫，以及連接在壓縮機(jī)與熱端換熱器、(一級/ 二級)氣庫與(一級/ 二級)脈管熱端換熱器之間閥門組件等。二級回?zé)崞饔蓛啥谓M成，包括二級回?zé)崞?、二級回?zé)崞鱅I，二級回?zé)崞?、二級回?zé)崞鱅I分別采用不同的回?zé)崽盍?，二級回?zé)崞鱅I位于4K溫區(qū)，采用本實用新型的氦四回?zé)崞鳌?br>[0020]作為優(yōu)選，所述毛細(xì)管另一端穿過二級脈管制冷機(jī)的二級回?zé)崞鳠岫?即二級回?zé)崞鱅)、一級回?zé)崞骼涠藫Q熱器、一級回?zé)崞骱蜔岫藫Q熱器與所述二級氣庫連通。
[0021]本實用新型中，本體一般為圓柱體結(jié)構(gòu)，設(shè)置在回?zé)崞鞯墓苈穬?nèi)。本體的內(nèi)狹縫和空腔內(nèi)充注氦四作為回?zé)崽盍希煌猹M縫、增強(qiáng)狹縫與回?zé)崞鞴苈穬?nèi)壁之間用于工作流體的流通。上蓋和下蓋保證內(nèi)狹縫和空腔的密封，保證回?zé)崽盍暇哂幸欢ǖ膲毫Α?br>[0022]根據(jù)本實用新型提出的設(shè)計，毛細(xì)管布置在氦-4回?zé)崞鞯纳仙w上，四周與上蓋上通孔的周緣密封固定，保證毛細(xì)管一端與空腔連通。毛細(xì)管另一端通過二級及一級回?zé)崞鬟B接到二級的氣庫。因此氦-4回?zé)崞鲀?nèi)的壓力跟二級氣庫的壓力一樣，方便了氦-4回?zé)崞鲀?nèi)填料壓力的控制。
[0023]本實用新型中，工作流體和4K溫區(qū)的回?zé)崞骰責(zé)崽盍暇x擇氦-4，工作流體和回?zé)崽盍贤ㄟ^內(nèi)外狹縫，實現(xiàn)兩者的間接地?fù)Q熱。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果體現(xiàn)在:
[0025]一、本實用新型通過新氦-4回?zé)崞鞯脑O(shè)計，在4K溫區(qū)不利用傳統(tǒng)的固體填料和工作流體之間換熱的傳統(tǒng)方式，而是采用利用流體填料和工作流體之間換熱的新方式，回?zé)崞髟O(shè)計和裝配更簡單。
[0026]二、本實用新型通過新氦-4回?zé)崞鞯脑O(shè)計，不需要購進(jìn)及制作費(fèi)用貴的回?zé)崞魈厥馇蛱盍?，把比較容易得到的氦-4作為填料利用，降低了回?zé)崞骱椭评錂C(jī)的制作成本和使用成本。
[0027]三、本實用新型通過新氦-4回?zé)崞鞯脑O(shè)計，采用比熱性能較好的氦-4作為回?zé)崽盍?，能夠?K溫區(qū)提高制冷效率。
[0028]綜上所述，本實用新型的氦-4回?zé)崞饕约皫в性摶責(zé)崞鞯?K低溫制冷機(jī)，通過回?zé)崞鲀?nèi)外狹縫式結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使得流體填料氦-4和工作流體氦-4換熱，因而不需要4K溫區(qū)傳統(tǒng)利用的特殊球填料，能夠在一定程度上提高4K溫區(qū)制冷效率，節(jié)省4K低溫制冷機(jī)的制造成本。
【附圖說明】
[0029]圖1是現(xiàn)有的4K溫區(qū)使用的不同回?zé)崞魈盍系捏w積比熱特性圖；
[0030]圖2是現(xiàn)有的4K溫區(qū)GM型脈管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3a是本實用新型的4K低溫制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3b是本實用新型的