CN104048466A - 蓄冷方法及应用该蓄冷方法的脉冲管制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及极低温蓄冷技术领域，尤其涉及一种蓄冷方法及应用该蓄冷方法的脉冲管制冷系统，具体的是20K以下脉冲管制冷系统。该蓄冷方法是将带有微孔结构的空心玻璃微珠设置于回热器中，制冷机充气后，回热器中即填充氦气工质，氦气通过微孔进入空心微珠，低温下，氦气呈现超流体状态，所述微珠内的超流氦为蓄冷材料。本发明以带有微孔结构的空心玻璃微珠为蓄冷材料的载体，而以微珠内的超流氦为蓄冷材料，与回热器中的工作介质氦进行周期换热，从而实现液氦温区回热器的高效换热。

Description

蓄冷方法及应用该蓄冷方法的脉冲管制冷系统

技术领域

本发明涉及极低温蓄冷技术领域，尤其涉及一种蓄冷方法及应用该蓄冷方法的脉冲管制冷系统，具体的是20K以下脉冲管制冷系统。

背景技术

目前随着空间技术的不断发展，用于冷却红外探测器和高温超导器件的小型、微型低温制冷机的研究引起了各国学者的极大兴趣。一些卫星的有效载荷，特别是高精度的遥感设备如红外望远镜、红外敏感器的焦平面和镜片以及无线电接收器的低噪音放大器等均需要在低于10K的背景温度下工作，以减小背景热噪声干扰，从而提高探测精度。制冷温区在10K以下的制冷机在空间技术上有着明确的应用背景，目前这一温区的实现主要是利用斯特林制冷机。然而，在这种温区工作的器件通常对振动、电磁干扰和寿命都有严格的要求，而这些要求恰是低温端采用固体活塞的斯特林制冷机无法克服的难点。相比之下，脉冲管制冷系统的振动小、电磁干扰小和寿命长等优势显著体现出来。为了达到较低的制冷温度，脉冲管制冷系统一般采用多级结构。例如，按照各级脉冲管的级间连接方式区分，多级脉冲管制冷系统有串联型和并联型两种布置方式；而按照回热器的级间方式可以分为气耦合型和热耦合型两种。

目前，在液氦温区工作的制冷机，其回热器的蓄冷材料普遍采用Er₃Ni、HoCu₂、ErPr、GdAlO₃等磁性材料，以及两种或多种磁性材料的不同组合。然而，这些蓄冷材料的热容在进入液氦温区后大大减小，这使得回热器没有足够的换热能力。这是制约液氦温区制冷机制冷能力的一个核心问题。发明人在10K以下温区高频脉冲管制冷机中已经取得明显5.7K的最低温度，此时蓄冷材料的换热能力不足的问题已经成为制约制冷机进一步降温的关键。附图3为目前常用的多种蓄冷材料以及三种充气压力下氦的热容对比示意图，显然，常规蓄冷材料(Pb、Er₃Ni、HoCu₂、ErPr等)进入极低温区，尤其15K以下温区时，其体积热容大大降低，从而蓄冷能力大大降低。然而，从图3中可看出超流氦在进入极低温区后反而热容显著提高，并且高于传统的蓄冷材料。因此，如果把该温区的超流氦作为蓄冷材料是一个很好的措施。

高性能空心玻璃微珠（以下简称空心玻璃微珠）是一种新型节能、清洁轻质填料。由于其具有中空、质轻、隔热保温、电绝缘强度高、耐磨、耐腐蚀、防辐射、隔音、吸水率低、化学性能稳定等特点。在上个世纪90年代先后由美国3M公司和PQ公司进行批量生产，在国外空心玻璃微珠作为复合材料多功能填充剂，广泛应用于橡塑、涂料、玻璃钢、乳化炸药、石油钻探等领域。

回热制冷机在国防、现代工业和科学技术等重要部门有着广泛应用。10K以下温区的高频脉冲管制冷系统更是低温技术学科的前沿。制约液氦温区制冷机进一步降低温度并提高制冷效率的核心是低温蓄冷材料，故急需发展液氦温区热容较大的蓄冷材料。

微孔型空心玻璃微珠蓄冷材料如果能成功应用于4K温区，将取代现有磁性材料方案，有可能显著提高液氦温区的制冷性能，成为该温区回热制冷机的一场变革，意义重大。

因此，针对以上不足，本发明提供了一种蓄冷方法及应用该蓄冷方法的脉冲管制冷系统。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有磁性蓄冷材料的热容在进入液氦温区后大大减小，使得回热器没有足够的换热能力的问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种蓄冷方法，其将带有微孔结构的空心玻璃微珠设置于低温级脉冲管的回热器中，该段回热器在制冷机完成降温后约工作在20K以下极低温区。制冷机开机前对系统充气，即充入氦气工质，故回热器中填充有氦气工质，氦气通过微孔逐渐进入空心微珠，低温下，氦呈现超流体状态，所述微珠内的超流氦为蓄冷材料，所述空心玻璃微珠为蓄冷材料的载体。

其中，所述空心玻璃微珠尺寸为50-300μm，壁厚为4-5μm，强度为10MPa以上。

本发明还提供了一种脉冲管制冷系统，其包括回热器，所述回热器包括第一回热器及第二回热器，所述第二回热器工作在20K以下温区，在第二回热器中设置有空心玻璃微珠。

其中，所述脉冲管制冷系统低频液氦温区采用粒径为200-300μm的微珠。

其中，所述脉冲管制冷系统高频液氦温区采用粒径为50-100μm的微珠。

其中，所述第一回热器内设有低温磁性材料或或不锈钢丝网。

其中，所述低温磁性材料为Er₃Ni、HoCu₂、ErPr及GdAlO₃中的一种或多种。

（三）有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明以带有微孔结构的空心玻璃微珠为蓄冷材料的载体，先将带有微孔结构的空心玻璃微珠填充在回热器里，在实际运行时，随着温度降低，氦气将通过微孔不断进入空心微珠，低温下，氦呈现超流体状态，从而以微珠内的液氦为蓄冷材料，实现液氦温区回热器的高效换热。

附图说明

图1是本发明实施例脉冲管制冷系统的结构示意图；

图2是本发明实施例回热器部分的局部放大图；

图3是多种蓄冷材料与三种充气压力下氦的热容对比示意图。

图中：1：压力波发生器；2：蓄冷器；3：热端换热器；4：回热器；4a：第一回热器；4b：第二回热器；5：多路旁通元件；6：脉冲管；6a：第一脉冲管；6b：第二脉冲管；7：冷端换热器；8：气库；9：热桥（传冷部件）；10：惯性管；11：连接管；12：压力波发生器；13：热端换热器；14：回热器；15：脉冲管；16：惯性管；17：冷端；18：气库。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供了一种蓄冷方法，其将带有微孔结构的空心玻璃微珠填充于回热器中，制冷机开机前先对系统充气，则回热器中充满氦工质，氦气通过微孔逐渐进入空心微珠，所述微珠内的液氦为蓄冷材料。所述空心玻璃微珠尺寸为50-300μm，壁厚为4-5μm，强度为10MPa以上。

本发明还提供了一种脉冲管制冷系统，其包括回热器，所述回热器包括第一回热器及第二回热器，所述第二回热器工作在20K以下温区，在第二回热器中设置有空心玻璃微珠。

回热器实际工作过程，回热器内的超流氦工质一直保持交变流动的运动状态，这使得氦一旦进入空心玻璃微珠内部就不会跑出来。这样，空心玻璃微珠内部的超流氦成为回热器的蓄冷体，并在工作过程中与微珠外部的超流氦工质进行换热。由于极低温下，尤其在15K以下时，超流氦的热容上升，即蓄冷能力良好，故使得回热器工作状态良好，从而进一步降低制冷机的最低温度。

传统使用磁性蓄冷材料的工作情况：先将带有磁性蓄冷材料设置于回热器中，制冷机开机前对系统充气，即充入氦工质，故回热器中也充满氦工质。回热器工作过程中，磁性蓄冷材料直接与不断作交变流动的超流氦工质进行换热，该磁性材料则为回热器的蓄冷体。然而，磁性材料作为蓄冷体的主要问题在于进入极低温区，尤其进入15K以下温区后其热容大大降低，换热恶化，故导致回热器的换热能力不足，从而限制了制冷机进一步降温。

本发明蓄冷方法与磁性材料蓄冷方法的区别在于：一是原理上：本发明蓄冷方法的换热发生在氦工质与空心微珠内部的氦之间，空心微珠只是其内部氦的载体，蓄冷体为微珠内部超流氦；磁性材料的换热发生在氦工质与固体磁性材料之间，此时无载体，固体磁性材料即为蓄冷体。二是工作性能：极低温下，尤其15K以下温区时，超流氦的热容明显大于磁性材料的热容，故使用超流氦作为蓄冷材料的换热情况也将明显优于磁性材料的换热情况。此外，磁性蓄冷材料为固体，而本发明所述蓄冷材料为气态或超流态。本发明蓄冷方法将有效突破目前磁性材料作为回热器蓄冷体时换热能力不足这个瓶颈，提高液氦温区的制冷性能，成为该温区回热制冷机的一场变革。

所述脉冲管制冷系统低频液氦温区采用粒径为200-300μm的微珠，所述脉冲管制冷系统高频液氦温区采用粒径为50-100μm的微珠。所述第一回热器内设有低温磁性材料。所述低温磁性材料为Er₃Ni、HoCu₂、ErPr及GdAlO₃中的一种或多种。

空心玻璃微珠主要化学成分是碱石灰硼硅酸盐玻璃。微珠是一颗颗透明的微米级玻璃质密闭中空正球体，有坚硬的球壳。从在宏观上看是纯白色的粉末。其粒径大小不等，粒径范围约为2-300μm。因为中空使它具有质轻的特点，而粒径大小不等可以形成粒径互补，具有合理填补空隙的特点。中科院理化所研制的空心玻璃微珠尺寸在50-300μm范围，壁厚4-5μm，强度可以达到10MPa以上。粒径尺寸与液氦温区脉冲管制冷系统所用磁性材料大小基本一致：低频时可采用粒径为200-300μm的微珠，高频时采用50-100μm的微珠。

带微孔结构的玻璃微珠制备方法为：在玻璃水中加入特殊微小颗粒，从而分散在生成的玻璃微珠薄壁上，然后通过特殊溶解技术将颗粒溶解消除，最终生成含有微孔的玻璃微珠。

如图1所示，本发明实施例提供的一种脉冲管制冷系统，即为多路旁通型脉冲管制冷系统的一个实施例，该制冷系统由多路旁通型脉冲管制冷系统A和预冷系统B耦合而成。多路旁通型脉冲管制冷系统包括依次流体连通的压力波发生器1、蓄冷器2、热端换热器3、回热器4和冷端换热器7，还包括套装在回热器4中通过多路旁通元件5与之相连通的脉冲管6，该脉冲管布置在热、冷端换热器之间。另外，该多路旁通型脉冲管制冷系统还设有与热端换热器3流体连通的惯性管10和气库8。在此实施例中，回热器和脉冲管均为两段结构并同轴布置，回热器的两段分别为直径不同的第一回热器4a和第二回热器4b，脉冲管6的两段分别为直径不同的第一脉冲管6a和第二脉冲管6b。在此实施例中，多路旁通元件5为小孔机构，其上设有不同直径或相同直径的小孔，小孔的直径和数量可根据制冷机内部的压力和流量分配。本领域技术人员应该想到，多路旁通元件5采用阀门机构也是可行的，并且其可以由铜、不锈钢、聚四氟乙烯等材料制成。

在这里，设置蓄冷器2的作用是，由于从压力波发生器出来的工质的温度较高，所以如果其直接进入回热器，则冷量损失特别大，从而导致制冷机效率降低，为此，增加蓄冷器将有利于减小热损失。

为了使制冷系统获得极低的制冷温度例如10K或更低，制冷系统设有预冷系统B。在此实施例中，预冷系统为脉冲管制冷系统。如图1和图2所示，预冷用脉冲管制冷系统为现有技术中常用的类型，其包括流体连通的压力波发生器12、热端换热器13、回热器14、脉冲管15和冷端换热器即冷端17、以及与热端换热器13流体连通的惯性管16和气库18。预冷用脉冲管制冷系统的冷端换热器17通过传冷机构9与多路旁通型脉冲管制冷系统的热端换热器3相耦合，并且气库8与传冷机构9紧密接触并由其支承，从而实现对气库8和热端换热器3的预冷，预冷温度可达到例如大约80K。在这种情况下，多路旁通型制冷机的热端换热器、惯性管和气库以及传冷机构的温度均处于温度为上述预冷温度的低温环境中。

在脉冲管制冷系统中，工质流动为交变流动，在压力波和工质流之间存在一个相位角。为了调节压力波和质量流之间的相位，与热端换热器流体连通的惯性管10和气库8构成调相机构，使得脉冲管制冷系统可以获得更好的制冷性能。另外，本领域技术人员应当理解，在本发明中，调相机构也可以为纯惯性管，或是惯性管、小孔和气库的组合。

在图1示出的多路旁通型制冷机的两段式结构中，第一脉冲管6a的直径大于第二脉冲管6b的直径，同时第一回热器4a的直径大于第二回热器4b的直径。本领域技术人员应当理解，脉冲管和回热器可以分别具有相同或不同的直径，可以为一体的或者分成若干段。

如图2局部放大图所示，回热器所选用的蓄冷材料分为两段：第一回热器4a约工作在20～80K温区，可选用本领域技术人员熟知的蓄冷材料，如Er₃Ni，ErPr，GdAlO₃等磁性材料；第二回热器4b段工作在20K以下温区，采用本发明前述的新型极低温蓄冷材料。第二回热器4b段蓄冷材料的填充方法：在第二回热器4b段填充好空心玻璃微珠。

在根据本发明的实施例中，为了获得想要的极低温度，预冷用脉冲管制冷系统通过热桥（传冷机构）9将多路旁通脉冲管制冷系统的热端换热器3冷却到80K左右。在压力波发生器1通过线性压缩机驱动的情况下，交变流动的工质通过蓄冷器2，吸收蓄冷器内部的冷量，使得工质温度降低后进入第一回热器4a，并进一步吸收该回热器4a内部的冷量。当工质流动到多路旁通部件5时，该工质分成两部分，其中一部分工质通过多路旁通部件5上的小孔直接进入第一脉冲管6a中，产生制冷效应，使多路旁通元件5处的温度降低到例如大约40K，而另一部分工质进入第二回热器4b并且吸收第二回热器中的冷量，温度进一步降低后，流过冷端换热器7并进入第二脉冲管6b，在第一脉冲管6b中压缩膨胀产生制冷效应，从而使冷端换热器7处的温度降低至大约10K以下。

综上所述，本发明以带有微孔结构的空心玻璃微珠为蓄冷材料的载体，先将带有微孔结构的空心玻璃微珠填充在回热器里，在实际运行时，随着温度降低氦气将通过微孔不断进入空心微珠，从而以微珠内的液氦为蓄冷材料，实现液氦温区回热器的高效换热。

以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种蓄冷方法，其特征在于：将带有微孔结构的空心玻璃微珠设置于回热器中，在回热器中填充氦气，氦气通过微孔不断进入空心微珠，所述微珠内的超流氦为蓄冷介质。

2.根据权利要求1所述的蓄冷方法，其特征在于：所述空心玻璃微珠尺寸为50-300μm，壁厚为4-5μm，强度为10MPa以上。

3.一种脉冲管制冷系统，其特征在于：包括回热器，所述回热器包括第一回热器及第二回热器，所述第二回热器工作在20K以下温区，在第二回热器中设置有空心玻璃微珠。

4.根据权利要求3所述的脉冲管制冷系统，其特征在于：所述脉冲管制冷系统低频液氦温区采用粒径为200-300μm的微珠。

5.根据权利要求3所述的脉冲管制冷系统，其特征在于：所述脉冲管制冷系统高频液氦温区采用粒径为50-100μm的微珠。

6.根据权利要求3所述的脉冲管制冷系统，其特征在于：所述第一回热器内设有低温磁性材料或不锈钢丝网。

7.根据权利要求6所述的脉冲管制冷系统，其特征在于：所述低温磁性材料为Er₃Ni、HoCu₂、ErPr及GdAlO₃中的一种或多种。