熱聲磁製冷低溫系統的製作方法

2023-12-01 04:45:01 3

專利名稱：熱聲磁製冷低溫系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種低溫獲得裝置，特別是涉及一種完全無運動部件的 熱聲磁製冷低溫系統。
技術背景熱聲斯特林發動機具有效率高、無運動部件的優點，用它來驅動脈 管制冷機，可實現完全無運動部件的低溫系統，該系統具有壽命長，無需維護等特點。然而，由於在30K以下的低溫環境中，隨著溫度的進一 步降低，回熱器填料(通常為不鏽鋼或鉛材料)的體積熱容將遠小於工質 (氦氣)的體積熱容，此時回熱器的蓄冷功能無法實現，結果使製冷溫度 很難進一步降低，同時製冷效率也將大大降低。磁製冷技術與氣體製冷方式相比在低溫下有著較大的優勢， 一方面， 它使用的磁工質在低溫下由於磁相變其體積熱容將出現異常變化，其體 積熱容將與氦氣相當，由此磁工質可以起到較好的蓄冷作用；另一方面， 磁製冷通過控制外部磁場的變化使得磁工質的磁熵發生變化從而產生制 冷效應，在低溫下其效率較高。然而現有磁製冷技術還無法實現大的制 冷溫差，如從室溫到120K及至20K以下的大溫差，它需要其它方式對其 高溫端進行預冷。 發明內容本發明的目的在於克服現有技術的不足，將熱聲驅動脈管制冷機與磁製冷機結合，提供一種高效的熱聲磁製冷低溫系統。為此，本發明提供一種熱聲磁製冷低溫系統，包括依次相連的反饋 管，彈性膜，室溫端換熱器，回熱器，回熱器，熱緩衝管，室溫端換熱 器，三通處的諧振管，其特徵在於，還包括一以支路形式接於諧振管上的脈管制冷機以及一以支路形式接於諧振管上的磁製冷機，兩制冷機系 統處於高真空的真空罩中。將熱聲驅動脈管制冷機與磁製冷機結合， 一方面可以前者為後者的 預冷，實現從室溫到低溫的製冷系統；另一方面還可以利用熱聲發動機 提供的交變流動流體作為熱交換流體，將磁工質的放熱量帶到熱端換熱 器，冷量帶到冷頭。本發明採用U形兩級脈管制冷機，包括 一段有著特定長度的入口 管，其一端與熱聲斯特林發動諧振管相通，另一端依次與室溫端換熱器, 一級回熱器， 一級冷端換熱器相連通，所述的一級冷端換熱器分別與一 級脈管，二級回熱器相通，使得一部分流體進入脈管，而另一部分進入 二級回熱器，所述的一級脈管另一端接有室溫端換熱器，再與小孔閥及 氣庫相接，用以耗散聲功以及調節脈管內壓力波動與流速間的相位，在 兩級脈管制冷機入口與小孔閥之間接有雙向進氣閥用以調相，所述的二 級回熱器另一端與二級冷端換熱器相通，再與二級脈管，室溫端換熱器， 小孔閥，氣庫相連接，類似的從兩級脈管制冷機入口與小孔閥前接有雙 向進氣閥用以調相，所述的二級冷端換熱器將通過導熱材料與磁製冷機 的高溫換熱器、熱緩衝管一端的高溫熱器相接，對磁製冷機進行預冷。本發明的磁製冷機包括入口管道，其一端與熱聲斯特林發動機諧 振管相通，且接入點應位於諧振管速度最大點附近，另一端先與磁製冷 機的高溫端換熱器相通，再與磁工質蓄冷器、冷頭、熱緩衝管相通，所 述的入口段前端還有一溫室端換熱器，所述的磁工質蓄冷器位於線圈內 部，當線圈通電和斷電時，磁工質將被磁化和退磁。所述的兩級脈管制冷機可以是同軸型布置，且兩級脈管可共用一個 氣庫。所述的兩級脈管制冷機可以是一級脈管制冷機，在布置形式上可以是u形或者同軸型。所述的磁製冷機的入口管中的流體可採用兩級脈管制冷機的一級冷 端換熱器的溫度環境進行預冷，減小二級冷端換熱器的熱負荷。所述的磁製冷機的線圈可採用高溫超導材料，在兩級脈管制冷機的 一級冷端換熱器的溫度環境下工作，可提供強磁場。本發明提供的無運動部件的熱聲磁製冷低溫系統與現有的低溫系統相比有如下優點(1) 無運動部件，可靠性好；(2) 可以實現低於30-1K的超低溫製冷，並且在低溫下仍具有較高的 效率；


圖1為本發明提供的無運動部件的熱聲磁製冷低溫系統實施例1的 結構示意圖。圖2為磁工質蓄冷器內部氣體運動與線圈電流圖。 圖3本發明提供的完全無運動部件的熱聲磁製冷低溫系統實施例2 的結構示意圖。圖4本發明提供的完全無運動部件的熱聲磁製冷低溫系統實施例3 的結構示意圖。圖面說明反饋管l 回熱器3 彈性膜7 一級回熱器ll 小孔閥15， 22 二級回熱器18室溫端換熱器2， 6， 10， 14, 21， 34加熱器4 諧振管8 一級冷端器12 氣庫16， 23 二級冷端器19熱緩衝管5 脈管制冷機入口管9一級脈管13 雙向進氣閥17， 24二級脈管20導熱金屬25 磁工質蓄冷器28 線圈31磁製冷機入口管26 冷頭29 真空罩32高溫端換熱器27 熱緩衝管30 輻射屏3具體實施方式
下面結合具體實施方式
和附圖對本發明做進一步的描述 實施例1:實施例1的結構如圖1所示， 一種完全無運動部件的熱聲磁製冷低 溫系統，包括依次相連的反饋管(l)，彈性膜(7)，室溫端換熱器(2)，回熱器(3)，回熱器(4)，熱緩衝管(5)，室溫端換熱器(6)，三通處的諧振 管(8)，其特徵在於，還包括一以支路形式接於諧振管(8)上的U形兩級 脈管制冷機以及一以支路形式接於諧振管(8)上的磁製冷機，兩制冷機系 統處於高真空的真空罩(32)中，其中脈管制冷機二級部分與磁製冷機處 於熱輻射屏(33)中。當熱量由加熱器(4)進入系統，回熱器(3)兩端出現 溫度差，在回熱器(3)軸向建立起溫度梯度。當該溫度梯度大於臨界溫度 梯度時，熱聲斯特林發動機產生自激振蕩，在系統各處形成壓力波動。所述的兩級脈管制冷機包括 一段有著特定長度的入口管(9)用以放 大入口的壓力波動，其一端與熱聲斯特林發動諧振管(8)相通，另一端依 次與室溫端換熱器(IO)， 一級回熱器(ll)， 一級冷端換熱器(12)相連通， 所述的一級冷端換熱器(12)分別與一級脈管(13)，二級回熱器(18)相通， 使得一部分流體進入脈管(13)，而另一部分進入二級回熱器(18)，所述 的一級脈管(13)另一端接有室溫端換熱器(14)，再與小孔閥(15)及氣庫 (16)相接，用以耗散聲功以及調節脈管內壓力波動與流速間的相位，在 兩級脈管制冷機入口與小孔閥(15)之間接有雙向進氣閥(17)用以調相， 所述的二級回熱器(18)另一端與二級冷端換熱器(19)相通，再與二級脈管(20)，室溫端換熱器(21)，小孔閥(22)，氣庫(23)相連接，類似的從 兩級脈管制冷機入口與小孔閥(22)前接有雙向進氣閥(24)用以調相，所 述的二級冷端換熱器(19)將通過導熱材料(25)與磁製冷機的高溫換熱器(27) 、熱緩衝管(30)—端的高溫熱器相接，對磁製冷機進行預冷。在熱聲斯特林發動機產生的壓力波動的驅動下，通過調節各級小孔閥及雙向 進氣閥，兩級脈管制冷機消耗聲功在一級冷端換熱器(12)與二級冷端換熱器(19)獲得所需要溫度下的製冷量。所述的磁製冷機包括入口管道(26)，其一端與熱聲斯特林發動機 諧振管(8)相通，另一端先與磁製冷機的高溫端換熱器(27)相通，再與磁 工質蓄冷器(28)、冷頭(29)、熱緩衝管(30)相通，所述的磁工質蓄冷器(28) 位於線圈(31)內部，通常其材料一般為金屬釓的化合物如Gd3Ga50j2 等，當線圈通電和斷電時，磁工質將被磁化和退磁。因為磁工質蓄冷器 (28)的長度遠遠小於氦氣的波長，觀察磁工質蓄冷器內的氣體的運動與 換熱情況。如圖2所示，以向下為正方向，在前半個周期內，氣體從最 下端移動到最上端，此時線圈通有電流產生磁場，磁工質被磁化放熱， 溫度升高，氣體與磁工質換熱將熱量帶到熱端換熱器27釋放；在後半個 周期內，氣體從最上端移動到最下端，此時線圈無電流磁場消失，磁工 質退磁吸熱，氣體與磁工質換熱將冷量帶到冷頭29，完成製冷循環。容易理解，可以完成上述磁場變化的電流也可以是圖2所示位移前 半周期電流增加、位移後半周期減小的任意電流波形。容易理解，可將兩級脈管制冷機的一級冷端換熱器(12)與線圈(31) 熱連通，使得線圈(31)能工作在其超導狀態，此時線圈可以通以大電流、 產生高磁場，得到更大的磁製冷效應。容易理解，也可將兩級脈管制冷機的一級冷端換熱器(12)與磁製冷 機高溫端換熱器(27)前的一小段入口管(26)熱連通，降低高溫端換熱器的熱損失。實施例2:如圖3所示，本實施例在實施例1的基礎上，採用同軸型的兩級脈 管制冷機替代實施例1中的普通的兩級脈管制冷機，並且一級氣庫與二 級氣庫合為一個氣庫，採用同軸型脈管可使得結構更為緊湊。本實施例中，將一級回熱器(ll)製成圓環形， 一級脈管(13)置於一級回熱器中間 且與一級回熱器(ll)同軸布置，室溫端換熱器(10)被一級回熱器(11)、 一級脈管(13)和二級脈管(20)分成三個部分，各部分之間氣體流道互不 相通。實施例3如圖4所示，本實施例採用單級的U形脈管制冷機作為磁製冷機的 預冷，可實現120K 20K的較高溫區的無運動部件低溫裝置。 容易理解，單級的脈管制冷機也可以布置成同軸型。 以上是對無運動部件的熱聲磁製冷低溫系統實施例的描述。本領域 的技術人員可以理解，在不背離本發明的發明構思的前提下可以對上述 實施例進行變化。因此，應該理解，本發明不限於在此公開的具體實施 例，而是可以覆蓋在所附權利要求中限定的本發明的範圍內的各種變化。
權利要求
1. 一種熱聲磁製冷低溫系統，包括依次相連的反饋管(1)，彈性膜(7)，室溫端換熱器(2)，回熱器(3)，回熱器(4)，熱緩衝管(5)，室溫端換熱器(6)，三通處的諧振管(8)，其特徵在於，還包括一以支路形式接於諧振管(8)上的脈管制冷機以及一以支路形式接於諧振管(8)上的磁製冷機，兩制冷機系統處於高真空的真空罩(32)中.
2. 根據權利要求1所述的熱聲磁製冷低溫系統，其特徵在於，所述脈管 制冷機為U形兩級脈管制冷機，其中脈管制冷機二級部分與磁製冷機處 於熱輻射屏(33)中.
3. 根據權利要求2所述的熱聲磁製冷低溫系統，其特徵在於，所述的兩 級脈管制冷機包括 一段有著特定長度的入口管(9)，其一端與熱聲斯特 林發動諧振管(8)相通，另一端依次與室溫端換熱器(IO)， 一級回熱器 (11)， 一級冷端換熱器(12)相連通，所述的一級冷端換熱器(12)分別與 一級脈管(13)， 二級回熱器(18)相通，使得一部分流體進入一級脈管 (13)，而另一部分進入二級回熱器(18)，所述的一級脈管(13)另一端接 有室溫端換熱器(14)，再與小孔閥(15)及氣庫(16)相接，用以耗散聲功 以及調節脈管內壓力波動與流速間的相位，從兩級脈管制冷機入口管(9) 與小孔閥(15)前接有雙向進氣閥(17)用以調相，所述的二級回熱器(18) 另一端與二級冷端換熱器(19)相通，再與二級脈管(20)，室溫端換熱器 (21)，小孔閥(22)，氣庫(23)相連接，在兩級脈管制冷機入口管(9)與小 孔閥(22)之間接有雙向進氣閥(24)用以調相.
4. 根據權利要求1所述的熱聲磁製冷低溫系統，其特徵在於，所述的磁 制冷機包括入口管道(26)，其一端與熱聲斯特林發動機諧振管(8)相通， 且接入點應位於諧振管(8)速度最大點附近，另一端先與磁製冷機的高溫 端換熱器(27)相通，再與磁工質蓄冷器(28)、冷頭(29)、熱緩衝管(30) 相通，所述的入口段前端還有一溫室端換熱器(34)，所述的磁工質蓄冷器(28)位於線圈(31)內部，當線圈通電和斷電時，磁工質將被磁化和退 磁。
5. 根據權利要求3或4所述的熱聲磁製冷低溫系統，其特徵在於，所述 的二級冷端換熱器(19)將通過導熱材料(25)與磁製冷機的高溫換熱器 (27)、熱緩衝管(30)—端的高溫換熱器相接，對磁製冷機的高溫端換熱 器(27)進行預冷.
6. 按權利要求1所述的熱聲磁製冷低溫系統，其特徵在於，所述的脈 管制冷機為同軸型布置.
7. 按權利要求4所述的熱聲磁製冷低溫系統，其特徵在於，所述的兩 級脈管共用一個氣庫。
8. 按權利要求3或4所述的熱聲磁製冷低溫系統，其特徵在於，所述的 磁製冷機的入口管中的流體在適當的位置可採用兩級脈管制冷機的一級 冷端換熱器的溫度環境進行預冷，減小二級冷端換熱器的熱負荷。
9. 按權利要求3或4所述的完全無運動部件的熱聲磁製冷低溫系統， 其特徵在於，所述的磁製冷機的線圈可採用高溫超導材料，在兩級脈管 制冷機的一級冷端換熱器的溫度環境下工作，以提供強磁場.
全文摘要
一種熱聲磁製冷低溫系統，包括依次相連的反饋管(1)，彈性膜(7)，室溫端換熱器(2)，回熱器(3)，回熱器(4)，熱緩衝管(5)，室溫端換熱器(6)，三通處的諧振管(8)，其特徵在於，還包括一以支路形式接於諧振管(8)上的脈管制冷機以及一以支路形式接於諧振管(8)上的磁製冷機，兩制冷機系統處於高真空的真空罩(32)中。
文檔編號F25B21/00GK101275793SQ20071006481
公開日2008年10月1日 申請日期2007年3月27日 優先權日2007年3月27日
發明者吳張華, 巍 戴, 羅二倉, 胡劍英 申請人:中國科學院理化技術研究所