CN102937351A - 采用碳纳米回热填料的深低温回热器及其脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用碳纳米回热填料的深低温回热器，包括不锈钢管、以及置于不锈钢管内的回热填料，所述的不锈钢填料中至少一段为碳纳米材料段。本发明采用在不锈钢管内填充由直径小于1微米的碳纳米管、碳纳米纤维束、碳纳米球以及碳纳米金属笼中的任意一种或多种组成的碳纳米材料组成高效低温回热器，由于氦气在液氦温区的体积比热容较高，所以吸附了氦气的碳纳米材料在10K以下较宽的温度范围内也具有较高的体积比热容，同时具有较好的稳定性，是一种非常优异的深低温温区回热填料，与使用传统回热填料的深低温回热器相比，采用碳纳米材料作为回热填料的回热器可以获得具有更高的效率，从而提高了液氦温区脉管制冷机的性能。

Description

采用碳纳米回热填料的深低温回热器及其脉管制冷机

技术领域

本发明涉及一种回热式低温制冷机，尤其是涉及一种碳纳米回热填料的深低温回热器及其脉管制冷机。

背景技术

液氦温区在国防军事、能源医疗、航空航天、低温物理等领域有着不可或缺的重要作用。自荷兰物理学家Kamerlingh.Onnes于1908年首次实现氦的液化以来，液氦温区(4 K)一直是低温工程领域研究的重点和难点。同时，特别是20世纪80年代以来，人类对深低温制冷技术有了更高的技术和性能要求，对低温制冷机的效率、可靠性、体积和重量，以及振动等提出了越来越苛刻的要求。

脉管制冷机由Gifford和Longsworth于1964年提出，它在冷端不存在运动部件，具有高可靠性和长寿命的潜在优势，经过近半个世纪的发展，脉管制冷机目前已广泛应用于航空航天、低温超导等领域。根据驱动源的不同，脉管制冷机主要分为G-M脉管制冷机(也称低频脉管制冷机)和Stirling脉管制冷机(也称高频脉管制冷机)；G-M脉管制冷机由G-M制冷机的压缩机驱动，其工作频率一般为1～2Hz，Stirling脉管制冷机由线性压缩机驱动，其工作频率一般在30Hz。

目前G-M脉管制冷机可以获得的最低温度为1.3K，已实现液氦及以上温区的商业化应用，但是其在液氦温区的效率很低(在4.2 K获得1 W的制冷量需要输入6～10 kW的电功)；而与G-M脉管制冷机相比，Stirling脉管制冷机具有结构紧凑、效率高、重量轻等一系列优势，而且它在35 K及以上温区的技术相对成熟，目前已广泛应用于上述温区的航空航天任务中，但是Stirling脉管制冷机在深低温(＜10 K)的效率仍然极低，其中一个主要原因是氦气的体积比热容在15 K以下温区急剧增大，而常用回热填料(如铅丸、不锈钢等材料)的比热容则显著下降，虽然磁性回热填料(Er₃Ni等)具有较高的体积比热容峰值，但是该峰值也只存在其相变温度区域内，从而引起深低温回热器的效率急剧减小(如图4所示)，进而导致液氦温区Stirling脉管制冷机效率极低，所以寻找在深低温下(＜10K)具有高比热容的回热填料是解决当前液氦温区脉管制冷机效率低下的一个关键。申请号为CN200910100286.X的专利文献公开了一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器及其制冷机，采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器是在不锈钢管内填充有丝径为2mm-15mm的不锈钢纤维构成高频回热器，在300-80K温区的工作频率为150HZ-1000HZ，在80K-35K温区的工作频率为100HZ-1000HZ。这种新型的高频回热器不仅可以应用于80K温区单级脉管制冷机，也可以应用在35K温区多级热耦合或气耦合脉管制冷机。不锈钢纤维具有比传统不锈钢丝网更小的丝径，能够形成更小的流体通道，可以使得回热器在300K-80K温区，150-1000HZ的高频工况下，或者在80K-35K温区，100-1000HZ的高频工况下，高效工作。但是如上所述，在深低温下(＜10K)该回热材料的比热容则会显著下降，则大大影响了回热器和脉管制冷机的制冷效率。

发明内容

本发明提供了一种采用碳纳米回热填料的深低温回热器，该回热器采用在不锈钢管内填充由直径小于1微米的碳纳米管、碳纳米纤维束、碳纳米球以及碳纳米金属笼中的任意一种或多种材料组成的碳纳米材料，工作温区在10K及以下时，碳纳米材料具有非常好的吸附能力，由于氦气在液氦温区的体积比热容较高，所以吸附了氦气的碳纳米材料在10K以下较宽的温度范围内也具有较高的体积比热容，同时具有较好的稳定性，是一种具有较高体积比热容的回热填料，使用碳纳米材料的回热器在10K以下温区具有更高的回热效率。

一种采用碳纳米回热填料的深低温回热器，包括不锈钢管、以及置于不锈钢管内的回热填料，其特征在于，所述的回热填料中至少一段为由碳纳米材料填充而成的碳纳米材料段。

所述碳纳米材料的直径为几至几十纳米，碳纳米材料的长度为微米级。例如，作为优选，所述碳纳米材料可由直径小于1微米的碳纳米管、碳纳米纤维束、碳纳米球以及碳纳米金属笼中的任意一种或多种组成。所述碳纳米材料段靠近所述回热器冷端。碳纳米材料段的高度，需要根据回热器实际工作区的温度确定，碳纳米材料段需要处在回热器工作温区为10K以下的部分。实际填充时，需要首先根据模拟计算确定，根据模拟计算确定该回热器轴向的温度分布，然后根据温度分布填充碳纳米材料。

碳纳米材料是近20年来新发展起来的一种新型材料，其直径在几至几十纳米，长度在微米级别，它具有非常大的比表面积，所以具有极强的吸附能力，目前在氢能储存等领域得到了广泛的关注和研究。图5是碳纳米束吸附气体的示意图，从图中可以看出碳纳米管不仅可以在其内部(1点)吸附气体，还可以在管束之间(2点)以及管束的外部(3点和4点)吸附一定量的气体，若在不锈钢管中填充碳纳米材料，同时冲注高压氦气，那么碳纳米材料将吸附大量的氦气，而且吸附量随着温度的降低而升高，所以，这些吸附了大量氦气的碳纳米材料将具有接近于相同压力和温度下氦气的体积比热容，由图4可知，吸附了氦气的碳纳米材料的体积比热容在很宽的深低温温区(10K以下)内大于常用的深低温回热填料，是一种新的具有高体积比热容的回热填料，采用由碳纳米材料组成的回热器的深低温脉管制冷机将具有更高的效率和更好的性能，同时碳纳米材料制备方便，容易获得且价格便宜。

基于上述采用碳纳米回热填料的深低温回热器以及现有脉管制冷机的基础上，本发明提供了几种脉管制冷机，下述几种脉管制冷机的制冷效率均较高，均能高效达到10K及更低的工作温区。

一种脉管制冷机，包括第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元，第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元内均采用低频压缩机组；所述第二级低温脉管制冷机单元的回热器包括依次连通的第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器和第二级低温段回热器；所述第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元之间通过连接在第一级预冷脉管制冷机单元的第一级冷端换热器和第二级预冷段回热器冷端换热器之间的热桥进行热耦合；所述第二级低温段回热器为上述任一技术方案所述的采用碳纳米回热填料的深低温回热器。低频压缩机组的组成为现有技术，一般包括压缩机、级后冷却器、低压控制阀和高压控制阀等。

所述第一级预冷脉管制冷机单元包括依次连接的第一级低频压缩机组、第一级回热器、第一级冷端换热器、第一级脉管、第一级脉管热端换热器以及第一级调相机构，所述第一级调相机构包括：第一级气库，通过管路与所述第一级脉管热端换热器的连通；第一级小孔阀，设于所述第一级气库与所述第一级脉管热端换热器之间的管路上；第一级双向进气阀，一端与所述第一级低频压缩机组与第一级回热器之间的管路连通，另一端与第一级小孔阀与所述第一级脉管热端换热器之间的管路连通。

所述第二级低温脉管制冷机单元包括依次连接的第二级低频压缩机组、第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器、第二级低温段回热器、第二级冷端换热器、第二级脉管、第二级脉管热端换热器以及第二级调相机构，所述第二级调相机构包括：第二级气库，通过管路与所述第二级脉管热端换热器的连通；第二级小孔阀，设于所述第二级气库与所述第二级脉管热端换热器之间的管路上；第二级双向进气阀，一端与所述第二级低频压缩机组与第二级预冷段回热器之间的管路连通，另一端与第二级小孔阀与所述第二级脉管热端换热器之间的管路连通。

第一级调相机构和第二级调相机构也可采用其他具有相同调相功能的调相机构，用于相应回热器内的质量流和压力波相位的调整，保证系统的稳定高效运行。

当采用低频压缩机组时，一般采用两级结构即可达到10K及10K以下的工作温区。当采用高频压缩机组时，例如当采用线性压缩机时，目前条件下，两级结构很难达到10K及10K以下的工作温区，所以为了保证本发明的回热器更有效的工作，作为优选，一种脉管制冷机，包括第一级预冷脉管制冷机单元、第二级预冷脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元；所述第二级预冷脉管制冷机单元包括依次连通的第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器、第二级低温段回热器；所述第三级低温脉管制冷机单元内的回热器包括依次连通的第三级第一预冷段回热器、第三级第一预冷段回热器冷端换热器、第三级第二预冷段回热器、第三级第二预冷段回热器冷端换热器、第三级低温段回热器；所述第一级预冷脉管制冷机单元、第二级预冷脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元通过连接在第一级预冷脉管制冷机单元的第一级冷端换热器、第二级预冷段回热器冷端换热器以及第三级第一预冷段回热器冷端换热器之间的第一级热桥进行一次热耦合，通过连接在第三级第二预冷段回热器冷端换热器以及第二级预冷脉管制冷机单元的第二级冷端换热器的第二级热桥进行二次热耦合；所述第三级低温段回热器为上述技术方案中任一技术方案所述的采用碳纳米回热填料的深低温回热器。

所述的第一级预冷脉管制冷机单元、第二级预冷脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元均包括一调相机构，该调相机构均由一气库以及设于该气库与相应的脉管热端换热器之间的惯性管组成。

为进一步降低第三级低温脉管制冷机单元低温段的工作温区，作为优选，所述第三级低温脉管制冷机单元内的脉管热端换热器和调相机构同时与第二级热桥连通。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明的深低温回热器，采用在不锈钢管内填充由直径小于1微米的碳纳米管、碳纳米纤维束、碳纳米球以及碳纳米金属笼中的任意一种或多种材料组成的碳纳米材料，碳纳米材料在低温和高压下具有非常好的吸附能力，工作温区在10K及10K以下时，具有非常好的吸附能力，由于氦气在液氦温区的体积比热容较高，所以吸附了氦气的碳纳米材料在较宽的温度范围内也具有较高的体积比热容，同时具有较好的稳定性，是一种非常优异的深低温温区回热填料，与使用传统回热填料(如稀土类磁性回热材料等)的深低温回热器相比，采用碳纳米材料作为回热填料的回热器可以获得具有更高的效率，从而提高了深低温脉管制冷机的性能。

附图说明

图1为本发明的采用碳纳米回热填料的深低温回热器的脉管制冷机的一种实施方式的结构示意图。

图2为本发明的采用碳纳米回热填料的深低温回热器的脉管制冷机的另一种实施方式的结构示意图。

图3为本发明的采用碳纳米回热填料的深低温回热器的脉管制冷机的第三种实施方式的结构示意图。

图4为多种物质的体积比热容与温度之间的关系。

图5为碳纳米束吸附气体的示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示：一种采用碳纳米回热填料的深低温回热器的两级低频脉管制冷机包括：由第一级压缩机C1、第一级级后冷却器AC1、第一级压缩机低压控制阀LV1、第一级压缩机高压控制阀HV1、第一级回热器RG1、第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3、第一级双向进气阀DO1、第一级小孔阀O1、第一级气库R1组成的第一级预冷脉管制冷机单元，热桥TB，以及由第二级压缩机C2、第二级级后冷却器AC2、第二级压缩机低压控制阀LV2、第二级压缩机高压控制阀HV2、第二级预冷段回热器RG21、第二级预冷段回热器冷端换热器HX5、第二级低温段回热器RG22、第二级冷端换热器HX6、第二级脉管PT2、第二级脉管热端换热器HX7、第二级双向进气阀DO2、第二级小孔阀O2和第二级气库R2组成的第二级低温脉管制冷机单元。

第二级低温段回热器RG22靠近冷端的底部填充有碳纳米吸附材料，工作温区为10K及10K以下，该段为碳纳米材料段RG23，碳纳米材料直径为几至几十纳米，其材料结构可以为碳纳米管、碳纳米纤维束、碳纳米球以及碳纳米金属笼中的任意一种或多种。碳纳米材料段RG23的高度需要根据实际模拟实验确定，即第二级低温段回热器RG22中工作温区在10K及10K以下的部分填充碳纳米材料为碳纳米材料段。具体装配方法是：在不锈钢管中均匀填充碳纳米材料，两端用致密的硬质丝网封住构成回热器。

上述各部件的连接关系如下：第一级压缩机C1、第一级级后冷却器AC1、第一级压缩机高压控制阀HV1和第一级压缩机低压控制阀LV1依次串连形成第一级低频压缩机组的循环回路；第一级回热器RG1的入口与第一级压缩机高压控制阀HV1和第一级压缩机低压控制阀LV1之间的管路连通；第一级回热器RG1的出口依次通过管路与第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3、第一级小孔阀O1以及第一级气库R1进口连通；第一级双向进气阀DO1一端与第一级回热器RG1与第一级低频压缩机组之间的管路连通，第一级双向进气阀DO1另一端与第一级小孔阀O1与第一级脉管热端换热器HX3之间的管路连通。第二级压缩机C2、第二级级后冷却器AC2、第二级压缩机高压控制阀HV2和第二级压缩机低压控制阀LV2依次连通形成第二级低频压缩机组；第二级预冷段回热器RG21通过管路依次与第二级预冷段回热器冷端换热器HX5、第二级低温段回热器RG22、第二级冷端换热器HX6、第二级脉管PT2、第二级脉管热端换热器HX7、第二级小孔阀O2和第二级气库R2连通；第二级双向进气阀DO2一端与第二级低频压缩机组与第二级预冷段回热器RG21之间的管路连通，第二级双向进气阀DO2的另一端与第二级小孔阀O2与第二级脉管热端换热器HX7之间的管路连通。一级预冷脉管制冷机单元与第二级低温脉管制冷机单元之间通过连接在第一级冷端换热器HX2、第二级预冷段回热器冷端换热器HX5的热桥TB进行热耦合，实现第一级冷端换热器HX2对第二级预冷段回热器冷端换热器HX5的预冷。

本实施方式的采用碳纳米回热填料回热器的两级低频脉管制冷机的运行过程为：

初始阶段，第一级压缩机低压调节阀LV1、第一级压缩机高压调节阀HV1均处于关闭状态，气体经过第一级压缩机C1压缩后变成高温高压气体，高温高压气体流经第一级级后冷却器AC1后冷却至室温，当气体压力高于设定值时，第一级压缩机高压调节阀HV1开启，高压室温气体从第一级压缩机高压阀HV1处流出并分成两股，一股通过第一级回热器RG1并与其中的填料进行换热温度降低进入后续相关部件中，另一股通过第一级双向进气阀DO1进入后续的相关部件中，使整个系统均处于高压状态，然后第一级压缩机高压调节阀HV1关闭，第一级压缩机低压调节阀LV1开启，气体从第一级气库R1经第一级小孔阀O1分成两股，一股从第一级双向进气阀DO1通过第一级压缩机低压调节阀LV1回到第一级压缩机C1，另一股经过第一级脉管PT1、第一级回热器RG1最终通过第一级压缩机低压调节阀LV1回到第一级压缩机C1，由此完成一个循环，在循环过程中，进出第一级冷端换热器HX2的气体存在温差，由此产生制冷效应，第一级冷量通过热桥TB从第一级冷端换热器HX2中取出用以预冷进入第二级低温段回热器的气体。

初始阶段，第二级压缩机低压调节阀LV2、第二级压缩机高压调节阀HV2均处于关闭状态，气体经过第二级压缩机C2压缩后变成高温高压气体，高温高压气体流经第二级级后冷却器AC2后冷却至室温，当气体压力高于设定值时，第二级压缩机高压调节阀HV2开启，高压室温气体从第二级压缩机高压阀HV2处流出并分成两股，一股通过第二级预冷段回热器RG21并在其冷端被与热桥TB连接的第二级预冷段回热器冷端换热器HX5冷却至第一级的制冷温度，然后进入后续相关部件中，另一股通过第二级双向进气阀DO2进入后续的相关部件中，使整个系统均处于高压状态，然后第二级压缩机高压调节阀HV2关闭，第二级压缩机低压调节阀LV2开启，气体从第二级气库R2经第二级小孔阀O2分成两股，一股从第二级双向进气阀DO2通过第二级压缩机低压调节阀LV2回到第二级压缩机C2，另一股经过第二级脉管PT2、第二级低温段回热器RG22、第二级预冷段回热器RG21最终通过第二级压缩机低压调节阀LV2回到第二级压缩机C2，由此完成一个循环，在循环过程中，进出第二级冷端换热器HX6的气体存在温差，由此产生制冷效应。

实施例2

如图2所示，一种采用碳纳米回热填料的深低温回热器的高频脉管制冷机包括由第一级压缩机C1、第一级回热器热端换热器HX1、第一级回热器RG1、第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3、第一级惯性管I1、第一级气库R1组成的第一级预冷脉管制冷机单元，第一级热桥TB1，由第二级压缩机C2、第二级回热器热端换热器HX4、第二级预冷段回热器RG21、第二级预冷段回热器冷端换热器HX5、第二级低温段回热器RG22、第二级冷端换热器HX6、第二级脉管PT2、第二级脉管热端换热器HX7、第二级惯性管I2、第二级气库R2组成的第二级预冷脉管制冷机单元，第二级热桥TB2，以及由第三级压缩机C3、第三级回热器热端换热器HX8、第三级第一预冷段回热器RG31、第三级第一预冷段回热器冷端换热器HX9、第三级第二预冷段回热器RG32、第三级第二预冷段回热器冷端换热器HX10、第三级低温段回热器RG33、第三级冷端换热器HX11、第三级脉管PT3、第三级脉管热端换热器HX12、第三级惯性管I3、第三级气库R3组成的第三级低温脉管制冷机单元。第三级低温段回热器RG33内工作温区在10K及10K以下的部分填充有碳纳米材料，碳纳米材料的规格同实施例1。

上述各部件的连接关系如下：第一级压缩机C1通过管路依次与第一级回热器热端换热器HX1、第一级回热器RG1、第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3、第一级惯性管I1和第一级气库R1连通；第二级压缩机C2通过管路依次与第二级回热器热端换热器HX4、第二级预冷段回热器RG21、第二级预冷段回热器冷端换热器HX5、第二级低温段回热器RG22、第二级冷端换热器HX6、第二级脉管PT2、第二级脉管热端换热器HX7、第二级惯性管I2和第二级气库R2连通；第三级压缩机C3通过管路依次与第三级回热器热端换热器HX8、第三级第一预冷段回热器RG31、第三级第一预冷段回热器冷端换热器HX9、第三级第二预冷段回热器RG32、第三级第二预冷段回热器冷端换热器HX10、第三级低温段回热器RG33、第三级冷端换热器HX11、第三级脉管PT3、第三级脉管热端换热器HX12、第三级惯性管I3和第三级气库R3连通。第一级冷端换热器HX2、第二级预冷段回热器冷端换热器HX5以及第三级第一预冷段回热器冷端换热器HX9分别第一级热桥TB1连接，第三级第二预冷段回热器冷端换热器HX10和第二级预冷脉管制冷机单元的第二级冷端换热器HX6分别与第二级热桥TB2连接。

该实施方式的采用碳纳米回热填料回热器的高频脉管制冷机的工作过程为：

在高压阶段，经过第一级压缩机C1压缩的高温高压气体流经第一级回热器热端换热器HX1后冷却至室温，然后与第一级回热器RG1中的回热填料进行换热，温度降低，然后依次流经第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3、第一级惯性管I1进入第一级气库R1；然后进入低压周期，气体从第一级气库R1依次经过第一级惯性管I1、第一级脉管热端换热器HX3、第一级脉管PT1、第一级冷端换热器HX2、第一级回热器RG1回到第一级压缩机C1中完成一个循环，在循环过程中进出第一级冷端换热器HX2的气体存在温差，从而在第一级冷端换热器HX2处产生制冷效应，该处的制冷量通过分别与第一级热桥TB1连接的第二级预冷段回热器冷端换热器HX5和第三级第一预冷段回热器冷端换热器HX9为第二级脉管制冷机和第三级脉管制冷机提供预冷。

在高压阶段，经过第二级压缩机C2压缩的高温高压气体流经第二级回热器热端换热器HX4后冷却至室温，然后与第二级预冷段回热器RG21中的回热填料进行换热，温度降低，然后在第二级预冷段回热器冷端换热器HX5处冷却至第一级脉管制冷机的冷端温度，然后低温气体依次流经第二级低温段回热器RG22、第二级冷端换热器HX6、第二级脉管PT2、第二级脉管热端换热器HX7、第二级惯性管I2进入第二级气库R2；然后进入低压周期，气体从第二级气库R2依次经过第二级惯性管I2、第二级脉管热端换热器HX7、第二级脉管PT2、第二级冷端换热器HX6、第二级低温段回热器RG22、第二级预冷段回热器RG21回到第二级压缩机C2中完成一个循环，在循环过程中进出第二级冷端换热器HX6的气体存在温差，从而在第二级冷端换热器HX6处产生制冷效应，该处的制冷量通过与第二级热桥TB2连接的第三级第二预冷段回热器冷端换热器HX10为第三级脉管制冷机提供预冷。

在高压阶段，经过第三级压缩机C3压缩的高温高压气体流经第三级回热器热端换热器HX8后冷却至室温，然后与第三级第一预冷段回热器RG31中的回热填料进行换热，温度降低，在第三级第一预冷段回热器冷端换热器HX9处冷却至第一级脉管制冷机的冷端温度，然后气体进入第三级第二预冷段回热器RG32并与其中的回热填料进行换热，温度降低，在第三级第二预冷段回热器冷端换热器HX10处冷却至第二级脉管制冷机的冷端温度，然后依次流经第三级低温段回热器RG33、第三级冷端换热器HX11、第三级脉管PT3、第三级脉管热端换热器HX12、第三级惯性管I3进入第三级气库R3；然后进入低压周期，气体从第三级气库R3依次经过第三级惯性管I3、第三级脉管热端换热器HX12、第三级脉管PT3、第三级冷端换热器HX11、第三级低温段回热器RG33、第三级第二预冷段回热器RG32、第三级第一预冷段回热器RG31回到第三级压缩机C3中完成一个循环，在循环过程中进出第三级冷端换热器HX11的气体存在温差，从而在第三级冷端换热器HX11处产生制冷效应。

实施例3

如图3所示，一种采用碳纳米回热填料的深低温回热器的高频脉管制冷机，与实施例2的区别在于：第三级气库R3、第三级惯性管I3与第三级脉管热端换热器HX12同时与第二级热桥TB2相连，通过降低第三级气库R3和第三级惯性管I3的工作温度以获得更大的调相角度，最终进一步提高该脉管制冷机制冷效率。

Claims (9)

1.一种采用碳纳米回热填料的深低温回热器，包括不锈钢管、以及置于不锈钢管内的回热填料，其特征在于，所述的回热填料中至少一段为由碳纳米材料填充而成的碳纳米材料段。

2.根据权利要求1所述的采用碳纳米回热填料的深低温回热器，其特征在于，所述碳纳米材料由直径小于1微米的碳纳米管、碳纳米纤维束、碳纳米球以及碳纳米金属笼中的任意一种或多种材料组成。

3.根据权利要求1所述的采用碳纳米回热填料的深低温回热器，其特征在于，所述碳纳米材料段靠近所述回热器冷端。

4.一种脉管制冷机，包括第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元，第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元内均采用低频压缩机组；所述第二级低温脉管制冷机单元的回热器包括依次连通的第二级预冷段回热器(RG21)、第二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)和第二级低温段回热器(RG22)；所述第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元之间通过连接在第一级预冷脉管制冷机单元的第一级冷端换热器(HX2)和第二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)之间的热桥(TB)进行热耦合；其特征在于，所述第二级低温段回热器(RG22)为权利要求1-3任一权利要求所述的采用碳纳米回热填料的深低温回热器。

5.根据权利要求4所述的脉管制冷机，其特征在于，所述第一级预冷脉管制冷机单元包括依次连接的第一级低频压缩机组、第一级回热器(RG1)、第一级冷端换热器(HX2)、第一级脉管(PT1)、第一级脉管热端换热器(HX3)以及第一级调相机构，所述第一级调相机构包括：

第一级气库(R1)，通过管路与所述第一级脉管热端换热器(HX3)的连通；

第一级小孔阀(O1)，设于所述第一级气库(R1)与所述第一级脉管热端换热器(HX3)之间的管路上；

第一级双向进气阀(DO1)，一端与所述第一级低频压缩机组与第一级回热器(RG1)之间的管路连通，另一端与第一级小孔阀(O1)与所述第一级脉管热端换热器(HX3)之间的管路连通。

6.根据权利要求4所述的脉管制冷机，其特征在于，所述第二级低温脉管制冷机单元包括依次连接的第二级低频压缩机组、第二级预冷段回热器(RG21)、第二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)、第二级低温段回热器(RG22)、第二级冷端换热器(HX6)、第二级脉管(PT2)、第二级脉管热端换热器(HX7)以及第二级调相机构，所述第二级调相机构包括：

第二级气库(R2)，通过管路与所述第二级脉管热端换热器(HX7)的连通；

第二级小孔阀(O2)，设于所述第二级气库(R2)与所述第二级脉管热端换热器(HX7)之间的管路上；

第二级双向进气阀(DO2)，一端与所述第二级低频压缩机组与第二级预冷段回热器(RG21)之间的管路连通，另一端与第二级小孔阀(O2)与所述第二级脉管热端换热器(HX7)之间的管路连通。

7.一种脉管制冷机，包括第一级预冷脉管制冷机单元、第二级预冷脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元；

所述第二级预冷脉管制冷机单元包括依次连通的第二级预冷段回热器(RG21)、第二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)、第二级低温段回热器(RG22)；

所述第三级低温脉管制冷机单元内的回热器包括依次连通的第三级第一预冷段回热器(RG31)、第三级第一预冷段回热器冷端换热器(HX9)、第三级第二预冷段回热器(RG32)、第三级第二预冷段回热器冷端换热器(HX10)、第三级低温段回热器(RG33)；

所述第一级预冷脉管制冷机单元、第二级预冷脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元通过连接在第一级预冷脉管制冷机单元的第一级冷端换热器(HX2)、第二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)以及第三级第一预冷段回热器冷端换热器(HX9)之间的第一级热桥(TB1)进行一次热耦合，通过连接在第三级第二预冷段回热器冷端换热器(HX10)以及第二级预冷脉管制冷机单元的第二级冷端换热器(HX6)的第二级热桥(TB2)进行二次热耦合；

其特征在于：所述第三级低温段回热器(RG33)为权利要求1-3任一权利要求所述的采用碳纳米回热填料的深低温回热器。

8.根据权利要求7所述的脉管制冷机，其特征在于，所述第一级预冷脉管制冷机单元、第二级预冷脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元均包括一调相机构，该调相机构均由一气库以及设于该气库与相应的脉管热端换热器之间的惯性管组成。

9.根据权利要求8所述的脉管制冷机，其特征在于，所述第三级低温脉管制冷机单元内的脉管热端换热器和调相机构同时与第二级热桥(TB2)连通。

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