吸附式氦氫混合工質脈管制冷法的製作方法
2023-05-02 02:02:51 1
專利名稱：吸附式氦氫混合工質脈管制冷法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種吸附式氦氫混合工質脈管制冷法。
背景技術：
對於斯特林、G-M和脈管制冷機等回熱式低溫制冷機，回熱器是它的關鍵部件。通過回熱器的傳熱量要比氣體制冷機的製冷量大約大10-50倍，所以其傳熱性能優劣，對氣體制冷機的性能有決定性影響。
由於回熱器換熱面積和換熱係數有限，不論是在熱吹期還是在冷吹期，氣體與填料間總存在著換熱溫差，這就形成了換熱的不可逆性，稱為有限傳熱損失。理論研究表明，回熱器效率主要取決於傳熱單元數NTU和填料與工質的對比熱容Γ(填料與氣體的熱容量之比Cr/C)的大小。在假定傳熱單元數不變的情形下，回熱器效率主要取決於對比熱容Γ的大小。對比熱容越大，回熱不可逆損失越小，反之則越大。當對比熱容接近1時，便產生回熱器的「熱飽和」現象，其時回熱器效率為零，製冷性能將嚴重惡化。
隨著工作溫度的降低，氣體和填料的物性參數變化很大。金屬填料的晶格比熱容隨溫度的降低以cm∝T3的關係迅速減小，而壓力氦氣的定容比熱容和密度卻隨著溫度的降低而增加。所以對比熱容隨著工作溫度的降低明顯減小，以致回熱器各截面上填料溫度隨時間變化的波幅增大，傳熱不可逆損失增加。為此，許多學者開展了以提高回熱器比熱容為主的回熱材料的研究，並取得了進展。目前採用在低溫下具有磁比熱反常的磁性蓄冷材料的低溫制冷機，低溫下的對比熱容明顯增大，最低製冷溫度可達到液氦溫區。然而，這些研究只是單純從提高填料的比熱容角度出發，沒有顧及填料與氣體相互作用的影響。事實上，填料和工質兩者的耦合作用，有可能對回熱器性能的改善做出進一步的貢獻。
在另一方面，關於工質的選擇，長期以來人們一直認為氦氣是低溫制冷機最理想的工質。雖然混合工質在節流製冷器中具有改善製冷性能，提高熱力效率的優越性。但是在回熱式制冷機中，制冷機制是絕熱膨脹，並非節流時的等焓膨脹，一般來說，混合工質無論是其等熵膨脹製冷效應，還是傳熱與流動特性都比氦氣差。特別是用於低溫製冷的混合工質中的高沸點組分的冷凝溫度一般遠低於室溫，不可能像普冷中採用的氨、氟利昂等工質那樣將冷凝潛熱釋放到環境中去。而且，隨著溫度的降低，混合工質中高沸點組分的冷凝和固化產生的液滴或固體顆粒對於具有排出器的制冷機來說是危險的。因而，人們普遍認為混合工質在回熱式制冷機中的應用是沒有希望的。
發明內容
本發明的目的是提供一種吸附式氦氫混合工質脈管制冷法。
在脈管制冷機中，利用氦氫混合工質對在要求的製冷溫區內的高製冷效應與利用回熱器填料自身高比熱容的同時，通過回熱器填料具有的對氫組分的吸附作用增加相應的對比熱容，改善回熱性能；兩者共同作用促使脈管制冷性能更大程度的提高。
該發明與傳統的依靠純工質以及增加回熱器填料比熱容改善脈管制冷機性能的方法相比，具有原理簡單、效果顯著、操作簡便等優點，已在實驗中獲得了驗證。
圖1是由兩個等熵與兩個等壓過程組成的回熱製冷循環的T-S圖，圖中過程1-2和4-5為回熱部分；圖2是實驗用制冷機結構示意圖，圖中，I級回熱器1、II級回熱器2、I級脈管3、II級脈管4、I級小孔5、II級小孔6、I級雙向進氣孔7、II級雙向進氣孔8、第二小孔9、I級氣庫10、II級氣庫11、平面旋轉閥12；圖3是回熱器填料布置方案示意圖；圖4是不同氫組分下的製冷量和COP曲線實驗結果圖。
具體實施例方式
由於脈管制冷機的脈管中沒有運動部件，因而避免了由工質相變導致的液滴或固體顆粒使排出器等運動部件受損害的可能性，是適合於用混合工質製冷的首選低溫制冷機。在不考慮填料對工質吸附作用時，脈管制冷機的性能取決於與工質熱物性相關的循環熱力學性能及回熱器傳熱和壓降損失等因素的共同作用。基於申請者提出的如圖1所示的改進的布雷頓循環，對氦氫混合工質熱力學性能的初步計算表明，採用合適的氦氫混合工質對(含氫量為7-80％)，在13-40K溫區能夠獲得比純氦更高的製冷效應。與此同時，基於回熱器的傳熱和壓降損失的理論計算也表明，採用氦氫混合工質時的回熱器傳熱和壓降損失小於相同條件下的氦氣。因此，無論從提高循環熱力學性能，還是從減少回熱器損失角度出發，氦氣並不是在所有溫區的都是回熱式低溫制冷機的「最理想工質」。採用氦氫混合工質，有助於提高一定溫區內脈管制冷循環熱力學性能和減小相應的回熱器損失。
進一步研究發現，稀土化合物磁性蓄冷材料如Er3Ni、ErNi、Er(Ni1-xCox)2、Er1-xDyxNi2和HoCu2等，在某一低溫下不僅具有較高的反常體積比熱容，同時還具有較強的吸氫能力。因此，在利用回熱器填料自身高比熱容的同時，通過回熱器填料具有的對氫組分的吸附作用增加相應的對比熱容，可以進一步減少回熱器傳熱不可逆損失，由此獲得更高的製冷性能。
在上述分析的基礎上，利用工質和回熱器填料的耦合作用，我們在一臺如圖2所示的二級脈管制冷機上，初步開展了以提高30K溫區附近(13-40K)製冷性能為目標的氦氫混合工質實驗研究。為了提高低溫區回熱性能，二級回熱器採用Er3Ni作為蓄冷材料，它在低溫下不僅具有較高的體積比熱容，而且具有優越的吸氫能力，相應的填料布置方案見圖3。隨著製冷溫度的降低，工質非理想物性逐步顯現，在沒有發生吸附的情形下，如純氦作工質時，相應的填料和工質對比熱容急速減小，不可逆損失增大，產生回熱器的「熱飽和」現象，製冷性能惡化。採用磁性蓄冷材料可以顯著改善一定溫區的對比熱容，但其提高幅度仍然有限。若採用氦氫混合工質，不僅氫的熱力特性有助於提高循環熱力學性能和減少回熱器損失，而且由於Er3Ni對氫具有明顯的吸附特性，使得吸附有氫的稀土填料和工質的對比熱容維持在較大值，從而導致二級回熱器具有較高的回熱性能，兩者共同作用使得製冷性能比純氦時明顯改善。如圖4給出的氦氫混合工質脈管制冷初步實驗結果表明，採用含氫7％、20％、34％、45％和60％的氦氫混合物，在25-40K溫區均獲得了明顯高於純氦的製冷量和COP。以30K溫區為例，含氫60％時的氦氫混合工質製冷量和COP分別比純氦時提高了33％和42％。隨著對工質和回熱器填料耦合作用機理的深入研究，製冷性能有望進一步提高。
權利要求
1.一種吸附式氦氫混合工質脈管制冷法，其特徵在於在脈管制冷機中，利用氦氫混合工質對在要求的製冷溫區內的高製冷效應與利用回熱器填料自身高比熱容的同時，通過回熱器填料具有的對氫組分的吸附作用增加相應的對比熱容，改善回熱性能；兩者共同作用促使脈管制冷性能更大程度的提高。
2.根據權利要求1所述的一種吸附式氦氫混合工質脈管制冷法，其特徵在於所說的氦氫混合工質的含氫量為7-80％。
3.根據權利要求1所述的一種吸附式氦氫混合工質脈管制冷法，其特徵在於所說的回熱器填料為稀土化合物磁性蓄冷材料。
4.根據權利要求1所述的一種吸附式氦氫混合工質脈管制冷法，其特徵在於所說的磁性蓄冷材料為Er3Ni、ErNi、Er(Ni1-xCox)2、Er1-xDyxNi2和HoCu2。
5.根據權利要求1所述的一種吸附式氦氫混合工質脈管制冷法，其特徵在於所說的要求的製冷溫區為13-40K。
全文摘要
本發明公開了一種吸附式氦氫混合工質脈管制冷法。在脈管制冷機中，利用氦氫混合工質對在要求的製冷溫區內的高製冷效應與利用回熱器填料自身高比熱容的同時，通過回熱器填料具有的對氫組分的吸附作用增加相應的對比熱容，改善回熱性能；兩者共同作用促使脈管制冷性能更大程度的提高。該發明與傳統的依靠純工質以及增加回熱器填料比熱容改善脈管制冷機性能的方法相比，具有原理簡單、效果顯著、操作簡便等優點，已在實驗中獲得了驗證。
文檔編號F25B9/12GK1514190SQ0312881
公開日2004年7月21日 申請日期2003年5月19日 優先權日2003年5月19日
發明者陳國邦, 甘智華, 黃永華, 蔣彥龍, 邱利民 申請人:浙江大學