CN104197591A - 采用氦气作为回热介质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氦气作为回热介质的深低温回热器，包括管壳、以及置于管壳内的回热填料，所述的回热填料为内部充注有氦气的密封换热结构。本发明还公开了一种采用上述深低温回热器的脉管制冷机。本发明利用低温下氦气具有较高体积比热容的特性，将其封闭在一定的空间中作为回热介质与作为制冷工质的氦气进行换热；可以根据脉管制冷机的工作压力，选择充注合适压力的氦气于该密闭空间中，以实现在深低温区内作为回热介质的氦气的体积比热容高于作为制冷工质的氦气，实现了高效回热，最终提高液氦温区脉管制冷机的性能。同时与磁性回热材料相比，本发明的采用氦气作为回热介质的深低温回热器具有价格低廉、易获得、不受磁场影响等优点。

Description

采用氦气作为回热介质的深低温回热器及其脉管制冷机

技术领域

本发明涉及回热式低温制冷机，尤其是涉及一种采用氦气作为回热介质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(4K)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4.2K获得1W的制冷量需要输入6～10kW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35K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(<10K)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15K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(ErNi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氦气作为回热介质的深低温回热器，通过采用充注有氦气的密封换热结构的回热填料，显著提高了回热材料在深低温下(<10K)下的比热容，提高了回热器和脉管制冷机的制冷效率。

本发明还提供另一种采用上述深低温回热器的脉管制冷机，该制冷机均能高效达到10K及更低的工作温区。

一种采用氦气作为回热介质的深低温回热器，包括带有热端流孔口和冷端流孔的管壳、以及置于所述管壳内的回热填料，回热填料内具有将热端流孔口和冷端流孔连通的气体流道，所述的回热填料为内部充注有氦气的密封换热结构。

所述密封换热结构可选用多种结构，为便于安装和加工，作为优选，所述密封换热结构包括：

若干组用于充注氦气的换热管；

用于将每组换热管一端密封固定的多个第一固定件，用于将每组换热管另一端密封固定的多个第二固定件；

所述第一固定件和第二固定件上设有将对应组换热管内各换热管相互连通的连接通道。通过在第一固定件和第二固定件上设置连接通道，保证一组换热管内各个换热器形成一个整体。所述连接通道可采用沟槽结构，也可采用设置管道结构。例如，所述第一固定件和第二固定件可采用带有空腔的管状结构，此时，在管状结构上加工与换热管对应的槽口，利用焊接等固定方式将换热管的端部侧壁与槽口的孔壁密封固定。

作为优选，每组换热管呈环形布置，若干组环形布置的换热管同心设置，相邻组换热管之间留有所述的气体流道。采用该技术方案时，保证回热器内换热均匀，提高了换热效率。

作为优选，所述密封换热结构还包括：将所有第一固定件或者将所有第二固定件相互定的至少一个连接臂，且至少有一个连接臂内设有将所有连接通道连通的充气管路，通过充气管路实现对所有换热管的充气。连接臂实现了对多个第一个固定件或者对多个第二固定件的固定，同时充气管路的设置保证各组换热管形成一个整体，便于系统参数的控制。

作为另一种优选方案，所述密封换热结构为：在管壳轴向上呈迂回状设置、在管壳周向上呈螺旋线布置的换热管，该换热管上至少设有一个充气口。

为提高换热性能，作为优选，所述换热管为铜管。铜管在深低温下(<10K)下换热系数依然较高，进一步提高了回热器的换热性能。

氦气在不同温度和压力下的体积比热容如图5所示，从图中可以看出不同压力下氦气的体积比热容存在一个峰值，同时该峰值对应一个临界温度，在该临界温度以下，氦气的体积比热容随着温度的升高而升高，在该临界温度以上，氦气的体积比热容随着温度的升高而降低；同时从图5中可以看出，氦气的体积比热容的峰值随着压力的降低而升高，且峰值远高于图4中的磁性回热材料。

上述特性表明作为制冷工质的氦气本身是一种极其理想的回热介质，通过合理的结构设计，可将氦气密封在封闭的空间结构中(如铜管内)，该空间结构便可当作高效回热填料使用，其中的氦气作为回热介质与作为制冷工质的氦气进行换热，即可实现高效的回热性能。同时，还可以根据脉管制冷机的充气压力，选择充注合适压力的氦气于该密闭空间结构中，以实现在工作温区内，作为回热介质的氦气的体积比热容高于作为制冷工质的氦气。例如，液氦温区脉管制冷机常用的充气压力如1～1.5MPa，以1.0MPa为例，从图4中可以看出，1.0MPa下氦气体积比热容峰值对应的温度约为7.5K，通过试验测量和数值模拟，可以获得回热器中的温度分布，在温度低于7K的温区内，可以选择充注压力低于1.0MPa的氦气作为回热介质，因为在此温区内氦气的体积比热容随着压力的下降而升高，在高于7K的温度，选择充注压力高于1.0MPa的氦气作为回热介质，因为在此温度内氦气的体积比热容随着压力的升高而升高，使得在整个温区(4-10K)内作为回热介质的氦气的体积比热容高于作为制冷工质的氦气，从而实现高效回热，最终提高液氦温区脉管制冷机的性能。同时与液氦温区常用的磁性回热材料相比，氦气具有价格低廉、易获取、不受磁场影响等优点。

基于上述采用氦气作为回热介质的深低温回热器以及现有脉管制冷机技术，本发明提供了两种脉管制冷机，下述两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、第二级中温段回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氦气作为回热介质的深低温回热器。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、第二级中温段回热器、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。

为进一步提高制冷性能，所述热桥(TB)同时对所述第二级低温脉管制冷机单元的调相机构和脉管热端换热器进行预冷。

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氦气作为回热介质的深低温回热器。

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。

作为进一步优选，所述第一热桥(TB1)同时对第二级预冷脉管制冷机单元的调相机构和脉管热端换热器进行预冷；所述第二热桥(TB2)同时对第三级低温脉管制冷机单元的调相机构和脉管热端换热器进行预冷。

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，利用氦气在10K及10K以下温区时，具有较高的体积比热容，采用封闭空间中充注的氦气作为回热介质，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，本发明可以实现液氦温区的高效换热，且具有价格低，易获取，不受磁场影响等优点，使得采用氦气作为回热介质的深低温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1a为本发明的采用氦气作为回热介质的深低温回热器的一种实施方式的结构示意图。

图1b为图1a所示深低温回热器的下端盖的结构示意图。

图2为本发明的采用氦气作为回热介质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3为本发明的采用氦气作为回热介质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4为多种回热器填料的体积比热容与温度之间的关系。

图5为不同温度和压力下氦气的体积比热容。

上述附图中：

SC、管壳；UC、上端盖；T、换热管；DC、下端盖；FC、气体流道；CP、充气管路；1、热端流孔；2、冷端流孔；3、槽口；4、第一固定件；5、第二固定件；6、连接臂；7、连接通道；

C1、第一级压缩机；C2、第二级压缩机；C3、第三级压缩机；AC1、第一级级后冷却器；AC2、第二级级后冷却器；LV1、第一级压缩机低压控制阀；LV2、第二级压缩机低压控制阀；第HV1、一级压缩机高压控制阀；HV2、第二级压缩机高压控制阀；DO1、第一级双向进气阀；DO2、第二级双向进气阀；O1、第一级小孔阀；O2、第二级小孔阀；R1、第一级气库；R2、第二级气库组成；R3、第三级气库；HX1、第一级回热器热端换热器；HX2、第一级冷端换热器；HX3、第一级脉管热端换热器；HX4、第二级回热器热端换热器；HX5、第二级预冷段回热器冷端换热器；HX6、第二级冷端换热器；HX7、第二级脉管热端换热器；HX8、第三级回热器热端换热器；HX9、第三级第一预冷段回热器冷端换热器；HX10、第三级第二预冷段回热器冷端换热器；HX11、第三级冷端换热器；HX12、第三级脉管热端换热器；He-Re、深低温回热器；He-Re2、第二级低温段回热器；He-Re3、第三级低温段回热器；RG1、第一级回热器；RG21、第二级预冷段回热器；RG22、第二级中温段回热器；RG23、第二级低温段回热器；RG31、第三级第一预冷段回热器；RG32、第三级第二预冷段回热器；PT1、第一级脉管；PT2、第二级脉管；PT3、第三级脉管；TB、热桥；TB1、第一级热桥；TB2、第二级热桥；I1、第一级惯性管；I2、第二级惯性管；I3、第三级惯性管。

具体实施方式

实施例1

如图1a和图1b所示：一种采用氦气作为回热介质的深低温回热器He-Re包括：带有热端流孔1和冷端流孔2的管壳SC、以及置于管壳SC内的回热填料，回热填料内具有将热端流孔1和冷端流孔2连通的气体流道FC，回热填料为内部充注有氦气的密封换热结构。管壳SC为不锈钢管。

密封换热结构包括：上端盖UC、下端盖DC、以及固定在上端盖UC、下端盖DC之间的若干组用于充注氦气的换热管T。换热管T为铜管。每组换热管T呈环形设置；多组环形的换热管T同心布置。相邻两组换热管T之间为气体流道FC。

如图1(b)所示，下端盖DC由环形的第二固定件5、以及将多个环形的第二固定件5相互固定的连接臂6组成，连接臂6为周向均匀设置的四个；每个第二固定件5用于固定一组环形的换热管3，第二固定件5内设有将该组换热管T中各换热管T相互连通的连接通道7，第二固定件5顶面设有与连接通道7连通的槽口3，槽口3的数量与换热管T的数量对应，安装时换热管T底端侧壁与槽口3边缘通过焊接密封固定；相邻两个第二固定件5之间形成冷端流孔2。

上端盖UC的结构与下端盖DC的结构基本相同，上端盖UC上设有第一固定件4，第一固定件4与第二固定件5结构相同，用于与换热管T顶部密封固定；两个相邻第一固定件4之间形成热端流孔1；为便于完成充气，下端盖DC上的其中一个连接臂6内设有将所有连接通道连通的充气管路CP。

充注氦气时，通过充气管路CP向换热管T内部充注，当氦气压力稳定时，将充气管路CP的端部进行密封即可。

实施例2

如图2所示，一种采用氦气作为回热介质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、第二级中温段回热器RG22、第二级低温段回热器He-Re2、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He-Re2与实施例1中采用氦气作为回热介质的深低温回热器He-Re结构相同，第二级低温段回热器He-Re2工作温区为10K及10K以下，其中充注有作为回热介质的氦气。

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、第二级中温段回热器RG22、第二级低温段回热器He-Re2、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。

第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。

本实施方式的采用氦气作为回热介质的深低温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He-Re2、第二级中温段回热器RG22、第二级预冷段回热器冷端换热器HX5、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3

如图3所示，一种采用氦气作为回热介质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RG23、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He-Re3、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He-Re3与实施例1中采用氦气作为回热介质的深低温回热器He-Re结构相同，第三级低温段回热器He-Re3工作温区在10K及10K以下，其中充注有作为回热介质的氦气。

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RG23、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He-Re3、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。

该实施方式的采用氦气作为回热介质的深低温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RG23、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RG23、第二级预冷段回热器冷端换热器HX5、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He-Re3、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He-Re3、第三级第二预冷段回热器冷端换热器HX10、第三级第二预冷段回热器RG32、第三级第一预冷段回热器冷端换热器HX9、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。

上述实施例中，第三级低温段回热器He-Re3、第二级低温段回热器He-Re2的长度和充注压力需要根据实际模拟实验确定，即第三级低温段回热器He-Re3、第二级低温段回热器He-Re2工作的温度为10K及10K以下，根据图5所示的氦气在不同温度和压力下的体积比热容，以脉管制冷机的充气压力为参考压力，在该参考压力下对应体积比热容峰值的两侧选择不同的充气压力，以实现在整个工作温区充注压力下的氦气的体积比热容高于参考压力下的制冷工质氦气的体积比热容，最终实现该段回热器的高效换热。

Claims (10)

1.一种采用氦气作为回热介质的深低温回热器，包括带有热端流孔(1)和冷端流孔(2)的管壳(SC)、以及置于所述管壳(SC)内的回热填料，回热填料内具有将热端流孔(1)和冷端流孔(2)连通的气体流道(FC)，其特征在于，所述的回热填料为内部充注有氦气的密封换热结构。

2.根据权利要求1所述的采用氦气作为回热介质的深低温回热器，其特征在于，所述密封换热结构包括：

若干组用于充注氦气的换热管(T)；

用于将每组换热管(T)一端密封固定的多个第一固定件(4)，用于将每组换热管(T)另一端密封固定的多个第二固定件(5)；

所述第一固定件(4)和第二固定件(5)上设有将对应组换热管(T)内各换热管相互连通的连接通道(7)。

3.根据权利要求2所述的采用氦气作为回热介质的深低温回热器，其特征在于，每组换热管(T)呈环形布置，若干组环形布置的换热管(T)同心设置，相邻组换热管(T)之间留有所述的气体流道(FC)。

4.根据权利要求3所述的采用氦气作为回热介质的深低温回热器，其特征在于，所述密封换热结构还包括：将所有第一固定件(4)或者将所有第二固定件(5)相互定的至少一个连接臂(6)，且至少有一个连接臂(5)内设有将所有连接通道(7)连通的充气管路(CP)，通过充气管路(CP)实现对所有换热管(T)的充气。

5.根据权利要求1所述的采用氦气作为回热介质的深低温回热器，其特征在于，所述密封换热结构为：在管壳(SC)轴向上呈迂回状设置、在管壳(SC)周向上呈螺旋线布置的换热管，该换热管上至少设有一个充气口。

6.根据权利要求5或4所述的采用氦气作为回热介质的深低温回热器，其特征在于，所述换热管为铜管。

7.一种脉管制冷机，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；其特征在于，

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)、第二级中温段回热器(RG22)和第二级低温段回热器(He-Re2)；

所述第一级预冷脉管制冷机单元的冷端通过热桥(TB)实现对第二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)的预冷；

所述第二级低温段回热器(He-Re2)为权利要求1-6任一权利要求所述的采用氦气作为回热介质的深低温回热器。

8.根据权利要求7所述的脉管制冷机，其特征在于，所述热桥(TB)同时对所述第二级低温脉管制冷机单元的调相机构和脉管热端换热器进行预冷。

9.一种脉管制冷机，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；其特征在于，

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(He-Re3)；

所述第一级预冷脉管制冷机单元的冷端通过第一级热桥(TB1)实现对第三级第一预冷段回热器冷端换热器(HX9)和第二级预冷脉管制冷机单元的第二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)的一级预冷；所述第二级预冷脉管制冷机单元的冷端通过第二热桥(TB2)实现对第三级第二预冷段回热器冷端换热器(HX10)的二级预冷；

所述第三级低温段回热器(He-Re3)为权利要求1-6任一权利要求所述的采用氦气作为回热介质的深低温回热器。

10.根据权利要求9所述的脉管制冷机，其特征在于，所述第一热桥(TB1)同时对第二级预冷脉管制冷机单元的调相机构和脉管热端换热器进行预冷；所述第二热桥(TB2)同时对第三级低温脉管制冷机单元的调相机构和脉管热端换热器进行预冷。