CN101275793A - 热声磁制冷低温系统 - Google Patents

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Abstract

一种热声磁制冷低温系统，包括依次相连的反馈管(1)，弹性膜(7)，室温端换热器(2)，回热器(3)，回热器(4)，热缓冲管(5)，室温端换热器(6)，三通处的谐振管(8)，其特征在于，还包括一以支路形式接于谐振管(8)上的脉管制冷机以及一以支路形式接于谐振管(8)上的磁制冷机，两制冷机系统处于高真空的真空罩(32)中。

Description

热声磁制冷低温系统
技术领域
本发明涉及一种低温获得装置，特别是涉及一种完全无运动部件的热声磁制冷低温系统。
背景技术
热声斯特林发动机具有效率高、无运动部件的优点，用它来驱动脉管制冷机，可实现完全无运动部件的低温系统，该系统具有寿命长，无需维护等特点。然而，由于在30K以下的低温环境中，随着温度的进一步降低，回热器填料(通常为不锈钢或铅材料)的体积热容将远小于工质(氦气)的体积热容，此时回热器的蓄冷功能无法实现，结果使制冷温度很难进一步降低，同时制冷效率也将大大降低。
磁制冷技术与气体制冷方式相比在低温下有着较大的优势，一方面，它使用的磁工质在低温下由于磁相变其体积热容将出现异常变化，其体积热容将与氦气相当，由此磁工质可以起到较好的蓄冷作用；另一方面，磁制冷通过控制外部磁场的变化使得磁工质的磁熵发生变化从而产生制冷效应，在低温下其效率较高。然而现有磁制冷技术还无法实现大的制冷温差，如从室温到120K及至20K以下的大温差，它需要其它方式对其高温端进行预冷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，将热声驱动脉管制冷机与磁制冷机结合，提供一种高效的热声磁制冷低温系统。
为此，本发明提供一种热声磁制冷低温系统，包括依次相连的反馈管，弹性膜，室温端换热器，回热器，回热器，热缓冲管，室温端换热器，三通处的谐振管，其特征在于，还包括一以支路形式接于谐振管上的脉管制冷机以及一以支路形式接于谐振管上的磁制冷机，两制冷机系统处于高真空的真空罩中。
将热声驱动脉管制冷机与磁制冷机结合，一方面可以前者为后者的预冷，实现从室温到低温的制冷系统；另一方面还可以利用热声发动机提供的交变流动流体作为热交换流体，将磁工质的放热量带到热端换热器，冷量带到冷头。
本发明采用U形两级脉管制冷机，包括：一段有着特定长度的入口管，其一端与热声斯特林发动谐振管相通，另一端依次与室温端换热器，一级回热器，一级冷端换热器相连通，所述的一级冷端换热器分别与一级脉管，二级回热器相通，使得一部分流体进入脉管，而另一部分进入二级回热器，所述的一级脉管另一端接有室温端换热器，再与小孔阀及气库相接，用以耗散声功以及调节脉管内压力波动与流速间的相位，在两级脉管制冷机入口与小孔阀之间接有双向进气阀用以调相，所述的二级回热器另一端与二级冷端换热器相通，再与二级脉管，室温端换热器，小孔阀，气库相连接，类似的从两级脉管制冷机入口与小孔阀前接有双向进气阀用以调相，所述的二级冷端换热器将通过导热材料与磁制冷机的高温换热器、热缓冲管一端的高温热器相接，对磁制冷机进行预冷。
本发明的磁制冷机包括：入口管道，其一端与热声斯特林发动机谐振管相通，且接入点应位于谐振管速度最大点附近，另一端先与磁制冷机的高温端换热器相通，再与磁工质蓄冷器、冷头、热缓冲管相通，所述的入口段前端还有一温室端换热器，所述的磁工质蓄冷器位于线圈内部，当线圈通电和断电时，磁工质将被磁化和退磁。
所述的两级脉管制冷机可以是同轴型布置，且两级脉管可共用一个气库。
所述的两级脉管制冷机可以是一级脉管制冷机，在布置形式上可以是U形或者同轴型。
所述的磁制冷机的入口管中的流体可采用两级脉管制冷机的一级冷端换热器的温度环境进行预冷，减小二级冷端换热器的热负荷。
所述的磁制冷机的线圈可采用高温超导材料，在两级脉管制冷机的一级冷端换热器的温度环境下工作，可提供强磁场。
本发明提供的无运动部件的热声磁制冷低温系统与现有的低温系统相比有如下优点：
(1)无运动部件，可靠性好；
(2)可以实现低于30-1K的超低温制冷，并且在低温下仍具有较高的效率；
附图说明
图1为本发明提供的无运动部件的热声磁制冷低温系统实施例1的结构示意图。
图2为磁工质蓄冷器内部气体运动与线圈电流图。
图3本发明提供的完全无运动部件的热声磁制冷低温系统实施例2的结构示意图。
图4本发明提供的完全无运动部件的热声磁制冷低温系统实施例3的结构示意图。
图面说明：
反馈管1         室温端换热器2，6，10，14，21，34
回热器3         加热器4         热缓冲管5
弹性膜7         谐振管8         脉管制冷机入口管9
一级回热器11    一级冷端器12    一级脉管13
小孔阀15，22    气库16，23      双向进气阀17，24
二级回热器18    二级冷端器19    二级脉管20
导热金属25        磁制冷机入口管26    高温端换热器27
磁工质蓄冷器28    冷头29              热缓冲管30
线圈31            真空罩32            辐射屏33
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明做进一步的描述：
实施例1：
实施例1的结构如图1所示，一种完全无运动部件的热声磁制冷低温系统，包括依次相连的反馈管(1)，弹性膜(7)，室温端换热器(2)，回热器(3)，回热器(4)，热缓冲管(5)，室温端换热器(6)，三通处的谐振管(8)，其特征在于，还包括一以支路形式接于谐振管(8)上的U形两级脉管制冷机以及一以支路形式接于谐振管(8)上的磁制冷机，两制冷机系统处于高真空的真空罩(32)中，其中脉管制冷机二级部分与磁制冷机处于热辐射屏(33)中。当热量由加热器(4)进入系统，回热器(3)两端出现温度差，在回热器(3)轴向建立起温度梯度。当该温度梯度大于临界温度梯度时，热声斯特林发动机产生自激振荡，在系统各处形成压力波动。
所述的两级脉管制冷机包括：一段有着特定长度的入口管(9)用以放大入口的压力波动，其一端与热声斯特林发动谐振管(8)相通，另一端依次与室温端换热器(10)，一级回热器(11)，一级冷端换热器(12)相连通，所述的一级冷端换热器(12)分别与一级脉管(13)，二级回热器(18)相通，使得一部分流体进入脉管(13)，而另一部分进入二级回热器(18)，所述的一级脉管(13)另一端接有室温端换热器(14)，再与小孔阀(15)及气库(16)相接，用以耗散声功以及调节脉管内压力波动与流速间的相位，在两级脉管制冷机入口与小孔阀(15)之间接有双向进气阀(17)用以调相，所述的二级回热器(18)另一端与二级冷端换热器(19)相通，再与二级脉管(20)，室温端换热器(21)，小孔阀(22)，气库(23)相连接，类似的从两级脉管制冷机入口与小孔阀(22)前接有双向进气阀(24)用以调相，所述的二级冷端换热器(19)将通过导热材料(25)与磁制冷机的高温换热器(27)、热缓冲管(30)一端的高温热器相接，对磁制冷机进行预冷。在热声斯特林发动机产生的压力波动的驱动下，通过调节各级小孔阀及双向进气阀，两级脉管制冷机消耗声功在一级冷端换热器(12)与二级冷端换热器(19)获得所需要温度下的制冷量。
所述的磁制冷机包括：入口管道(26)，其一端与热声斯特林发动机谐振管(8)相通，另一端先与磁制冷机的高温端换热器(27)相通，再与磁工质蓄冷器(28)、冷头(29)、热缓冲管(30)相通，所述的磁工质蓄冷器(28)位于线圈(31)内部，通常其材料一般为金属钆的化合物如Gd3Ga5O12等，当线圈通电和断电时，磁工质将被磁化和退磁。因为磁工质蓄冷器(28)的长度远远小于氦气的波长，观察磁工质蓄冷器内的气体的运动与换热情况。如图2所示，以向下为正方向，在前半个周期内，气体从最下端移动到最上端，此时线圈通有电流产生磁场，磁工质被磁化放热，温度升高，气体与磁工质换热将热量带到热端换热器27释放；在后半个周期内，气体从最上端移动到最下端，此时线圈无电流磁场消失，磁工质退磁吸热，气体与磁工质换热将冷量带到冷头29，完成制冷循环。
容易理解，可以完成上述磁场变化的电流也可以是图2所示位移前半周期电流增加、位移后半周期减小的任意电流波形。
容易理解，可将两级脉管制冷机的一级冷端换热器(12)与线圈(31)热连通，使得线圈(31)能工作在其超导状态，此时线圈可以通以大电流、产生高磁场，得到更大的磁制冷效应。
容易理解，也可将两级脉管制冷机的一级冷端换热器(12)与磁制冷机高温端换热器(27)前的一小段入口管(26)热连通，降低高温端换热器的热损失。
实施例2：
如图3所示，本实施例在实施例1的基础上，采用同轴型的两级脉管制冷机替代实施例1中的普通的两级脉管制冷机，并且一级气库与二级气库合为一个气库，采用同轴型脉管可使得结构更为紧凑。本实施例中，将一级回热器(11)制成圆环形，一级脉管(13)置于一级回热器中间且与一级回热器(11)同轴布置，室温端换热器(10)被一级回热器(11)、一级脉管(13)和二级脉管(20)分成三个部分，各部分之间气体流道互不相通。
实施例3
如图4所示，本实施例采用单级的U形脉管制冷机作为磁制冷机的预冷，可实现120K～20K的较高温区的无运动部件低温装置。
容易理解，单级的脉管制冷机也可以布置成同轴型。
以上是对无运动部件的热声磁制冷低温系统实施例的描述。本领域的技术人员可以理解，在不背离本发明的发明构思的前提下可以对上述实施例进行变化。因此，应该理解，本发明不限于在此公开的具体实施例，而是可以覆盖在所附权利要求中限定的本发明的范围内的各种变化。

Claims (9)

1. 一种热声磁制冷低温系统，包括依次相连的反馈管(1)，弹性膜(7)，室温端换热器(2)，回热器(3)，回热器(4)，热缓冲管(5)，室温端换热器(6)，三通处的谐振管(8)，其特征在于，还包括一以支路形式接于谐振管(8)上的脉管制冷机以及一以支路形式接于谐振管(8)上的磁制冷机，两制冷机系统处于高真空的真空罩(32)中.
2. 根据权利要求1所述的热声磁制冷低温系统，其特征在于，所述脉管制冷机为U形两级脉管制冷机，其中脉管制冷机二级部分与磁制冷机处于热辐射屏(33)中.
3. 根据权利要求2所述的热声磁制冷低温系统，其特征在于，所述的两级脉管制冷机包括：一段有着特定长度的入口管(9)，其一端与热声斯特林发动谐振管(8)相通，另一端依次与室温端换热器(10)，一级回热器(11)，一级冷端换热器(12)相连通，所述的一级冷端换热器(12)分别与一级脉管(13)，二级回热器(18)相通，使得一部分流体进入一级脉管(13)，而另一部分进入二级回热器(18)，所述的一级脉管(13)另一端接有室温端换热器(14)，再与小孔阀(15)及气库(16)相接，用以耗散声功以及调节脉管内压力波动与流速间的相位，从两级脉管制冷机入口管(9)与小孔阀(15)前接有双向进气阀(17)用以调相，所述的二级回热器(18)另一端与二级冷端换热器(19)相通，再与二级脉管(20)，室温端换热器(21)，小孔阀(22)，气库(23)相连接，在两级脉管制冷机入口管(9)与小孔阀(22)之间接有双向进气阀(24)用以调相.
4. 根据权利要求1所述的热声磁制冷低温系统，其特征在于，所述的磁制冷机包括：入口管道(26)，其一端与热声斯特林发动机谐振管(8)相通，且接入点应位于谐振管(8)速度最大点附近，另一端先与磁制冷机的高温端换热器(27)相通，再与磁工质蓄冷器(28)、冷头(29)、热缓冲管(30)相通，所述的入口段前端还有一温室端换热器(34)，所述的磁工质蓄冷器(28)位于线圈(31)内部，当线圈通电和断电时，磁工质将被磁化和退磁。
5. 根据权利要求3或4所述的热声磁制冷低温系统，其特征在于，所述的二级冷端换热器(19)将通过导热材料(25)与磁制冷机的高温换热器(27)、热缓冲管(30)一端的高温换热器相接，对磁制冷机的高温端换热器(27)进行预冷.
6. 按权利要求1所述的热声磁制冷低温系统，其特征在于，所述的脉管制冷机为同轴型布置.
7. 按权利要求4所述的热声磁制冷低温系统，其特征在于，所述的两级脉管共用一个气库。
8. 按权利要求3或4所述的热声磁制冷低温系统，其特征在于，所述的磁制冷机的入口管中的流体在适当的位置可采用两级脉管制冷机的一级冷端换热器的温度环境进行预冷，减小二级冷端换热器的热负荷。
9. 按权利要求3或4所述的完全无运动部件的热声磁制冷低温系统，其特征在于，所述的磁制冷机的线圈可采用高温超导材料，在两级脉管制冷机的一级冷端换热器的温度环境下工作，以提供强磁场.
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