CN201104048Y - 一种采用氦3-氦4混合工质的1-4k温区脉管制冷机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种采用氦3－氦4混合工质的1－4K温区脉管制冷机。它包括预冷级制冷机、热桥、压缩机、1－4K温区脉管制冷机，1－4K温区脉管制冷机包括回热器、冷头、脉管、调相机构，压缩机与脉管制冷机的回热器热端相连，预冷级制冷机的冷端采用热桥与脉管制冷机的回热器中部连接，1－4K温区制冷机采用氦3氦4混合工质。本实用新型在2.17－4K温区时，氦3氦4混合工质具有比纯氦4低的比热容，可以提高制冷机的回热性能，从而提高制冷机的效率；在1－2.17K温区，氦3氦4混合工质不仅能利用氦3低沸点、能够突破氦4超流转变温度等特性，还能利用超流氦4的高热导率和高比热容改善换热效果并有效传输制冷量，使制冷机能够获得更低的制冷温度和在1－4K温区有更大的制冷量。
Description
技术领域
本实用新型涉及制冷机，尤其涉及一种采用氦3-氦4混合工质的1-4K温区脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机是世界各国最近十几年重点研究的一种回热式制冷机，主要由回热器、脉管、室温端换热器、冷端换热器、导流器以及调相机构组成。由于消除了低温下的排出器，和传统的回热式制冷机(如：GM制冷机、Stirling制冷机)相比，脉管制冷机具有在低温下无运动部件、结构简单、成本低廉、可靠性高、较小的机械振动和电磁噪音等优点。
根据采用的压缩机不同，脉管制冷机主要分为G-M型和斯特林型两种。G-M型脉管制冷机采用了有阀压缩机和气体切换阀(工作频率一般在1-2Hz)，斯特林型脉管制冷机采用了无阀压缩机，其工作频率一般在30-60Hz，因此也称它为高频脉管制冷机。
低温超导磁体冷却或电子仪器冷却方面都需要运用到液氦温区制冷机。大多数液氦制冷机为工作频率为1Hz左右的GM制冷机或者G-M型脉管制冷机。在4K温区只有0.5-1％的卡诺效率。
为了获得优良的制冷性能，需要使用具有优越的热力性质的流体作为工质。在低温工程中，氦是一种常见的工质。在所有的低温流体中，氦的性质最接近于理想气体，因为氦的分子势能很小。氦是获取10K以下低温的唯一制冷工质，也是低温制冷机最理想的制冷工质。因此在军事、空间、超导等方面氦流体有着广泛的应用。液氦具有一个独特的性质，就是它能够存在于两种截然不同的状态下，即正常氦和超流氦。正常氦是一种正常的流体，具有经典流体的典型特性。正常氦的性质表现为一种弱相互作用气体。这一特征部分归因于氦分子之间的弱相互作用以及它的低粘滞性。正常氦的粘性与室温下空气的粘性相当。超流氦，具有与经典流体截然不同的物理特性。最为显著的特征是运输特性，具有几乎接近于零的粘性以及显著的热传导性，其热传导性比普通流体甚至高传导性固体大好几个数量级。区分两种液态的分界线成为λ线，因为比热在接近相变的区域的形状及其类似希腊字母λ。
目前绝大多数低温制冷机采用氦4为工质，另外在一定的温区也有一些学者使用其他气体或者混合工质进行研究。在液氦温区，氦4作为工质其性能与理想气体相差甚远。氦3由于其低沸点、低密度、高热容、高热导率、能够突破氦4超流转变温度等性质，其性能更接近于理想气体，能显著降低回热器中由于实际气体效应导致的损失，获得更低的制冷温度和更大的制冷量，提高制冷机的效率，使得其成为低温制冷机的理想工质。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种采用氦3-氦4混合工质的1-4K温区脉管制冷机。
它包括预冷级制冷机、热桥、压缩机、1-4K温区脉管制冷机，1-4K温区脉管制冷机具有相连接的回热器、冷头、脉管、调相机构，压缩机与1-4K温区脉管制冷机的回热器热端相连，预冷级制冷机的冷端采用热桥与1-4K温区脉管制冷机的回热器中部进行连接，1-4K温区制冷机采用氦3氦4混合工质。
所述的预冷级制冷机采用氦4作为工质。1-4K温区脉管制冷机为G-M型脉管制冷机或斯特林型脉管制冷机。
本实用新型采用氦3-氦4混合工质，它与氦4相比，在液氦温区具有更好的热力性能；与氦3相比，当制冷温度低于氦3-氦4的超流转变温度且氦3在混合物中的摩尔百分比较小时，不仅能利用氦3低沸点、高热容、高热导率、能够突破氦4超流转变温度等特性，还能利用氦4在相对较高温度下获得超流流动背景环境，使得氦3在接近于真空的环境中无摩擦的流动，降低粘性损失，并利用超流氦4的高热导率和高比热容改善换热效果并有效地把制冷量传输出来。然而由于氦3气体非常稀缺，价格昂贵，而在较高温度区域，同位素氦3与氦4物性差距很小。因此对于预冷级制冷机，采用氦4作为工质。在制冷温度最低的1-4K温区制冷机采用氦3氦4混合工质。
附图说明
图1是采用氦3-氦4混合工质的1-4K温区脉管制冷机系统示意图。图中：预冷级脉管制冷机1、热桥2、压缩机3以及1-4K温区脉管制冷机的回热器4、冷头5、脉管6以及脉管热端调相机构7。
图2是氦3氦4混合物相图。
具体实施方式
图1所示，采用氦3-氦4混合工质的1-4K温区脉管制冷机包括预冷级制冷机1、热桥2、压缩机3、1-4K温区脉管制冷机，1-4K温区脉管制冷机具有相连接的回热器4、冷头5、脉管6、调相机构7，压缩机3与1-4K温区脉管制冷机的回热器4热端相连，预冷级制冷机1的冷端采用热桥2与1-4K温区脉管制冷机的回热器4中部进行连接，1-4K温区制冷机采用氦3氦4混合工质。
所述的预冷级制冷机1采用氦4作为工质。1-4K温区脉管制冷机为G-M型脉管制冷机或斯特林型脉管制冷机。
氦3氦4混合工质与氦3和氦4单一工质相比，氦3和氦4混合物的一些特殊性质为制取极低温创造了条件。氦3和氦4混合物的平衡相图如图2所示。作为液态氦4的正常态He I和液态氦4的超流态He II分界点的λ点的温度随着加入的少量氦3而降低。λ线和相分离线的交点被称作TCP点。在温度-浓度相图中，TCP点的温度为T＝0.872K，x＝0.669。而气体膨胀制冷的有效温区在1K以上，因此我们只关注1K温区以上的混合物特性。在饱和蒸气压下，纯氦4液体在温度低于2.17K时就表现出超流性，在超流氦4中混入少量氦3，仍能保持超流性，在其中的氦3就像在真空中一样，能不受摩擦地自由运动。如图2所示，当温度低于氦3-氦4混合物的超流转变温度Tλ且氦3在混合物的摩尔百分比小于66.9％时，氦3在氦4提供的超流背景环境中，具有几乎接近于零的粘性，显著的热传导性以及高比热容，为获取更低的制冷温度以及有效的传输制冷机冷头冷量提供了极佳的条件。而当温度高于氦3-氦4混合物的超流转变温度Tλ或者混合物中氦3的摩尔百分比大于66.9％时，混合物均处于正常态。此时，氦3-氦4混合物与纯氦4相比，具有较小的比热和更接近于理想气体的性质，因此能够改善制冷机的回热效果。因此，在1K-Tλ温区下，采用氦3氦4的混合物作为工质，不仅能利用氦3优良的制冷性能，还能利用氦4相对较高的超流转变温度，使得混合物中的氦3能够不受摩擦的自由运动，降低了粘性损失，且超流状态下氦的高热导率以及也能增强低温下的换热效果，超流氦具有的高比热容特性能够使制冷量有效的传输；在Tλ-4K温区下，氦3-氦4混合物与纯氦4相比，具有较小的比热和更接近于理想气体的性质，能够改善回热效果提高制冷机效率。
本实用新型具体的装配方法是：首先将预冷级脉管制冷机1的冷头通过热桥2与1-4K温区脉管制冷机的回热器4的中部相连；其次，将压缩机3与回热器4相连，脉管6与调相机构7相连。
把整个制冷系统装配完成后，先打开预冷级的压缩机，使预冷级的制冷机达到需要的制冷温度来预冷1-4K温区脉管制冷机。然后打开压缩机3，直到脉管制冷机获得稳定的制冷温度。
Claims (3)
1.一种采用氦3-氦4混合工质的1-4K温区脉管制冷机，其特征在于它包括预冷级制冷机(1)、热桥(2)、压缩机(3)、1-4K温区脉管制冷机，1-4K温区脉管制冷机具有相连接的回热器(4)、冷头(5)、脉管(6)、调相机构(7)，压缩机(3)与1-4K温区脉管制冷机的回热器(4)热端相连，预冷级制冷机(1)的冷端采用热桥(2)与1-4K温区脉管制冷机的回热器(4)中部进行连接，1-4K温区制冷机采用氦3氦4混合工质。
2.根据权利要求1所述的一种采用氦3-氦4混合工质的1-4K温区脉管制冷机，其特征在于所述的预冷级制冷机(1)采用氦4作为工质。
3.根据权利要求1所述的一种采用氦3-氦4混合工质的1-4K温区脉管制冷机，其特征在于所述的1-4K温区脉管制冷机为G-M型脉管制冷机或斯特林型脉管制冷机。
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