CN104654654A - 极低温吸附式制冷机及制冷方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种极低温吸附式制冷机及制冷方法，极低温吸附式制冷机包括：吸附床；蒸发器；分别与吸附床和蒸发器连接的连通管，其与吸附床、蒸发器共同形成一封闭空腔；填充在所述封闭空腔内的工质气体；以及分别与吸附床和连通管连接的用于对吸附床进行冷却并对工质气体进行冷凝的冷凝件。本发明通过工质气体及其吸附装置、制冷装置等设备的结合，可以实现诸如1K以下极低温度的制冷效应，适用于空间应用等各相关领域。

Description

极低温吸附式制冷机及制冷方法
技术领域
本发明涉及极低温制冷技术领域，特别是涉及一种极低温吸附式制冷机及制冷方法。
背景技术
极低温制冷技术是低温工程学科的重要分支，主要为相关的应用场所提供1K以下温度的冷源（注：本文中极低温指mK级温度，1mK=0.001K）。
随着空间技术的不断发展，空间极低温制冷温度正日益成为微重力基础物理、空间天文、空间环境与空间物理、地球科学、空间应用新技术和深空探测等学科领域中许多研究开展的必要条件之一，例如：采用空间红外探测系统对远至银河系以外的宇宙进行深空探测，由于宇宙的背景温度约为3K，为了降低背景热噪声，提高探测器灵敏度，要求提供冷源的制冷机具有1K以下的制冷温度。因此，制冷温区在1K以下的制冷机在空间技术上有着明确的应用背景，是国际制冷技术领域的前沿。
多孔介质（活性炭）对吸附质在不同温度下具有不同的吸附特性，周期性加热和冷却多孔介质，使吸附质交替解析和吸附，加热时释放出吸附质，冷却时吸附吸附质，从而实现了以往必须依靠机械压缩机的气体压缩。由于有了压力的变化，吸附质就可以通过减压降温产生低温。由于其能获得<1K的制冷温度，加之结构紧凑而被欧洲宇航局(ESA)作为空间应用极低温制冷机的重点研究方向之一。
但是，欧洲宇航局研制的极低温吸附制冷机工质气体为氦3、前级温度为1.8K超流氦预冷。由于氦4气体在相同饱和压力下的饱和温度较氦3高，因此同样条件下，基于氦4气体比基于氦3气体的吸附制冷机制冷温度要高，达到1K以下制冷温度更困难。另一方面，基于超流氦预冷的制冷方案仍具有寿命有限等缺点，而机械制冷要实现1.8K的制冷温度困难非常大，相比之下，机械制冷实现4.5K制冷温度易于达到，利用4.5K机械制冷替代1.8K超流氦作为前级预冷方式是空间1K以下制冷温度制冷链最理想方案，但是较高的预冷温度会产生几个问题：1）氦3的临界温度为3.35K，氦4的临界温度为5.19K，较高的预冷温度使得只能选择氦4作为工质气体，而在相同制冷温度下，氦4的饱和蒸气压要低一个量级，从而提高了对氦4的流动阻力特性要求；2）氦是惰性气体，活性炭对氦的吸附很弱，较高的预冷温度会降低活性炭对氦的吸附；3）预冷温度是工质气体的冷凝温度，较高的预冷温度将提高冷凝过程中制冷机内部的饱和蒸气压，从而降低了工质气体的冷凝液体量；4）极低温吸附制冷是一个减压降温的过程，较高的预冷温度提高了为获得更低温的液体消耗。因此，基于现有技术及现有制冷设备以实现1K以下的制冷温度是非常困难的。
发明内容
（一）要解决的技术问题
为克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种极低温吸附式制冷机及制冷方法，其通过工质气体及其吸附装置、制冷装置等设备的结合，可以实现诸如1K以下极低温度的制冷效应，适用于空间应用等各相关领域。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明极低温吸附式制冷机包括：吸附床；蒸发器；分别与吸附床和蒸发器连接的连通管，其与吸附床、蒸发器共同形成一封闭空腔；填充在所述封闭空腔内的工质气体；以及分别与吸附床和连通管连接的用于对吸附床进行冷却并对工质气体进行冷凝的冷凝件。
优选地，所述连通管一端与所述吸附床的内腔连通，另一端穿过所述冷凝件与所述蒸发器的内腔连通；其中所述连通管的内腔、所述吸附床的内腔和所述蒸发器的内腔共同构成所述封闭空腔。
其中，所述吸附床主要由吸附剂、导热器和加热器构成。
优选地，所述吸附剂为活性炭，所述导热器为导热肋片。
优选地，所述工质气体为氦4。
优选地，本发明极低温吸附式制冷机还包括：分别与所述吸附床和所述冷凝件连接的用于进行热传导的热开关。
优选地，所述吸附床为吸附床，所述冷凝件为热沉，所述连通管为泵管。
本发明实现极低温制冷的方法包括如下步骤：1）将极低温吸附式制冷机的冷凝件与外部机械制冷机的冷头连接并进行降温，直至极低温吸附式制冷机的所有部件温度降至预定值；2）关闭热开关吸附泵的加热，对极低温吸附式制冷机的吸附床加热，随着温度和压力的升高，吸附床解吸出吸附的工质气体，工质气体将沿连通管经冷凝件冷凝液化后进入蒸发器，直至吸附的工质气体解吸完成及工质气体冷凝完成；3）开启热开关吸附泵的加热，对吸附床降温，随着温度的降低，吸附床吸附工质气体,吸附床内压力降低，蒸发器内未冷凝的工质气体经连通管流入吸附床并被吸附，蒸发器内压强和温度下降，进而获得极低温制冷效应；4）当蒸发器内制冷剂完全蒸发后，重复上述步骤2）和3），从而实现极低温度的制冷效应。
优选地，步骤4）中所述极低温度为1K以下温度。
优选地，步骤1）中所述极低温吸附式制冷机是在真空条件下进行降温的，所述的机械制冷机为≤4.5K机械制冷机，所述预定值≤4.5K。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1）本发明极低温吸附式制冷机通过将吸附床、蒸发器、冷凝件等设备结合，组装形成封闭空腔并在封闭空腔内填充工质气体，实现了极低温制冷温度的制冷效应；
2）本发明优选基于氦4工质气体和≤4.5K前级机械预冷温度，可以达到1K以下制冷温度的制冷效应；
3）本发明采用吸附床，通过对其交替加热和冷却实现了工质气体的释放和吸附；采用冷凝件，实现了加热过程中吸附床释放工质气体的冷凝；采用热开关，实现了吸附床与冷凝件间的热导通和热断开；采用蒸发器，实现了冷凝的液体聚集在其内并产生制冷；连通管与吸附床和蒸发器连接，减少了高温吸附床向低温蒸发器的漏热；
4）本发明极低温吸附式制冷机不仅结构简单、紧凑，而且重量轻、容易实现和加工，使用寿命长；
5）本发明极低温吸附式制冷机及其制冷方法可采用较高的预冷温度，从而可以采用机械制冷替代超流氦作为前级预冷方式，实现了1K以下制冷温度制冷链的全主动式制冷。
附图说明
图1是本发明极低温吸附式制冷机的结构示意图。
附图标记说明：1-吸附床；2-蒸发器；3-连通管；4-冷凝件；5-热开关；6-热开关吸附泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，需要说明的是，附图仅用于解释本发明，是对本发明实施例的示意性说明，而不能理解为对本发明的限定。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明极低温吸附式制冷机包括：吸附床1、蒸发器2、连接管3和冷凝件4等。连接管3分别与吸附床1和蒸发器2连接，连接管3与吸附床1和蒸发器2共同形成一封闭空腔，在封闭空腔内填充有工质气体。冷凝件4分别与吸附床1和连通管3连接，用于对吸附床1进行冷却并对工质气体进行冷凝。
具体地，连通管3一端与吸附床1的内腔连通，连通管3的另一端穿过冷凝件4与蒸发器2的内腔连通，其中连通管3的内腔、吸附床1的内腔和蒸发器2的内腔共同构成上述封闭空腔。吸附床1是极低温吸附制冷的关键部件，其主要由吸附剂（如活性炭）、导热器（如导热肋片）和加热器等构成，通过交替加热和冷却实现气体的释放和吸附。冷凝件4还与外界机械制冷机热链接，一方面可以实现加热过程中对吸附床1释放的工质气体的冷凝，另一方面可以冷却吸附床1。连接管3连通吸附床1和蒸发器2，可以减少高温吸附床1向低温蒸发器2的漏热。
除了上述各部件外，本发明还包括热开关5，热开关5分别与吸附床1和冷凝件4连接，用于实现吸附床1和冷凝件4之间的热传导，即实现吸附床1和冷凝件4之间的热导通和热断开，热开关5上设有控制其开闭的热开关吸附泵6。
本发明的实施例中，工质气体可优选为氦4，吸附床1可优选为吸附床，冷凝件4可优选为热沉，连通管3可优选为泵管。当然，上述各部件也可以是其他变形结构或者具有相同功能的部件构成，均可以实现本发明的目的。
本发明极低温吸附式制冷机的工作原理是：在极低温吸附制冷机运行时，断开吸附床1与冷凝件4之间的热开关5，加热吸附床1，来自吸附床1释放的工质气体在冷凝件4处进行预冷、冷凝后流入蒸发器2，然后导通吸附床1与冷凝件4之间的热开关5，冷却吸附床1，蒸发器2内的工质气体流入吸附床1并被吸附，蒸发器2内饱和蒸气压降低，从而产生制冷效应，并最终使蒸发器2内的温度降低到1K以下。
此外，本发明还提供了一种利用上述极低温吸附式制冷机实现极低温制冷的方法，该方法主要包括如下步骤：1）将极低温吸附式制冷机的冷凝件4与外部机械制冷机的冷头连接并进行降温，直至极低温吸附式制冷机的所有部件温度降至预定值；2）关闭热开关吸附泵6的加热，对极低温吸附式制冷机的吸附床1加热，随着温度和压力的升高，吸附床1解吸出吸附的工质气体，工质气体将沿连通管3经冷凝件4冷凝液化后进入蒸发器2，直至吸附的工质气体解吸完成及工质气体冷凝完成；3）开启热开关吸附泵6的加热，利用冷凝件4对吸附床1降温，随着温度的降低，吸附床1吸附工质气体,吸附床1内压力降低，蒸发器2内未冷凝的工质气体经连通管3流入吸附床1并被吸附，蒸发器2内压强和温度下降，进而获得极低温制冷效应；4）当蒸发器2内制冷剂完全蒸发后，重复上述步骤2）和3），从而可实现达到1K以下极低温度的制冷效应。
下面结合实施例对本发明的极低温制冷方法作进一步具体地说明。
第一实施例
在开始运行前，将极低温吸附制冷机的冷凝件2（为热沉，下同）与≤4.5K机械制冷机的冷头通过冷链连接，装入一个真空容器中并降温，当极低温吸附制冷机所有部件温度都达到≤4.5K左右后，加热吸附床1，吸附床1内活性炭吸附的工质气体氦4解吸出来，吸附床1的压力升高，高温气体通过连通管3（为泵管，下同）流入蒸发器2内。当工质气体流过热沉，由于热沉温度≤4.5K，高温气体与热沉处进行充分换热并冷凝为液体，液体通过泵管流入蒸发器2内。当吸附床1内活性炭吸附的气体解吸完成、气体冷凝完成后，加热热开关吸附泵6，吸附床1与热沉之间的热开关5处于热导通状态，吸附床1开始降温，吸附床1内活性炭开始吸附气体，吸附床1内压强降低，蒸发器2内未冷凝的工质气体通过泵管流入吸附床1并被吸附，蒸发器2内压强下降，根据液体饱和蒸气压与饱和温度一一对应的关系，蒸发器2内的液体温度下降，进而获得制冷效应。
上文给出了本发明实现1K以下制冷效应的优选技术方案，不难看出，本领域所述技术人员在未经过创造性劳动的前提下无法实现本发明的目的，可见本发明对本领域技术人员来说是非显而易见的，具有突出的实质性特点。此外，本发明能够带来如下有益效果：本发明极低温吸附式制冷机通过将吸附床1、蒸发器2、冷凝件4等设备结合，组装形成封闭空腔并在封闭空腔内填充工质气体，实现了极低温制冷温度的制冷效应；优选基于氦4工质气体和4.5K前级机械预冷温度，确保本发明可达到1K以下制冷温度的制冷效应；采用吸附床1，通过对其交替加热和冷却实现了工质气体的释放和吸附；采用冷凝件4，实现了加热过程中吸附床1释放工质气体的冷凝；采用热开关5，实现了吸附床1与冷凝件4之间的热导通和热断开；采用蒸发器2，实现了冷凝的液体聚集在其内并产生制冷；连通管3与吸附床1和蒸发器2连接，减少了高温吸附床1向低温蒸发器2的漏热。此外，本发明极低温吸附式制冷机不仅结构简单、紧凑，而且重量轻、容易实现和加工，使用寿命长；极低温吸附式制冷机及其制冷方法可采用较高的预冷温度，从而可以采用机械制冷替代超流氦作为前级预冷方式，实现了1K以下制冷温度制冷链的全主动式制冷。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种极低温吸附式制冷机，其特征在于，其包括：
吸附床（1）；
蒸发器（2）；
分别与吸附床（1）和蒸发器（2）连接的连通管（3），其与吸附床（1）、蒸发器（2）共同形成一封闭空腔；
填充在所述封闭空腔内的工质气体；以及
分别与吸附床（1）和连通管（3）连接的用于对吸附床（1）进行冷却并对工质气体进行冷凝的冷凝件（4）。
2.根据权利要求1所述的极低温吸附式制冷机，其特征在于，所述连通管（3）一端与所述吸附床（1）的内腔连通，另一端穿过所述冷凝件（4）与所述蒸发器（2）的内腔连通；其中
所述连通管（3）的内腔、所述吸附床（1）的内腔和所述蒸发器（2）的内腔共同构成所述封闭空腔。
3.根据权利要求1或2所述的极低温吸附式制冷机，其特征在于，所述吸附床（1）主要由吸附剂、导热器和加热器构成。
4.根据权利要求3所述的极低温吸附式制冷机，其特征在于，所述吸附剂为活性炭，所述导热器为导热肋片。
5.根据权利要求1或2所述的极低温吸附式制冷机，其特征在于，所述工质气体为氦4。
6.根据权利要求1或2所述的极低温吸附式制冷机，其特征在于，其还包括：
分别与所述吸附床（1）和所述冷凝件（4）连接的用于进行热传导的热开关（5）。
7.根据权利要求1或2所述的极低温吸附式制冷机，其特征在于，所述冷凝件（4）为热沉，所述连通管（3）为泵管。
8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的极低温吸附式制冷机实现极低温制冷的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
1）将极低温吸附式制冷机的冷凝件（4）与外部机械制冷机的冷头连接并进行降温，直至极低温吸附式制冷机的所有部件温度降至预定值；
2）关闭热开关吸附泵（6）的加热，对极低温吸附式制冷机的吸附床（1）加热，随着温度和压力的升高，吸附床（1）解吸出吸附的工质气体，工质气体将沿连通管（3）经冷凝件（4）冷凝液化后进入蒸发器（2），直至吸附的工质气体解吸完成及工质气体冷凝完成；
3）开启热开关吸附泵（6）的加热，对吸附床（1）降温，随着温度的降低，吸附床（1）吸附工质气体,吸附床（1）内压力降低，蒸发器（2）内未冷凝的工质气体经连通管（3）流入吸附床（1）并被吸附，蒸发器（2）内压强和温度下降，进而获得极低温制冷效应；
4）当蒸发器（2）内制冷剂完全蒸发后，重复上述步骤2）和3），从而实现极低温吸附式制冷机的间隙工作。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤4）中所述极低温度为1K以下温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤1）中所述极低温吸附式制冷机是在真空条件下进行降温的，所述机械制冷机为≤4.5K机械制冷机，所述预定值≤4.5K。
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