一种多屏真空多层绝热的单级脉管制冷机

摘要

本发明公开了一种多屏真空多层绝热的单级脉管制冷机。它包括脉管、回热器、压缩机、平面旋转阀、双向进气阀、小孔阀、气库、冷端换热器、热端换热器，压缩机经平面旋转阀分别与回热器热端、双向进气阀一端相连接，气库经小孔阀分别与脉管热端、双向进气阀另一端相连接，在回热器上30－40K和70－80K温区位置分别引出两个冷屏，或者在回热器上30－40K、70－80K和150－160K温区位置分别引出三个冷屏；冷屏通过固定在回热器各温区位置的铜环相连接。本发明通过将冷屏置于脉管制冷机冷头与绝热材料之间，可使脉管制冷机冷头真正处于高真空状态下，可减少多层绝热材料含有的残余气体带来的漏热损失；引入不同温度的多层冷屏，可有效减少辐射漏热损失。

说明书

技术领域

本发明涉及制冷与低温技术领域中的小型低温制冷机，尤其涉及一种多屏真空多层绝热的单级脉管制冷机。

背景技术

脉管制冷机技术在现代低温制冷技术领域中占有举足轻重的地位。因其低温端无运动部件，所以要比传统的G-M制冷机和斯特林制冷机更加可靠，无维护运行时间大大延长，因此在航天、军事等方面有着非常广泛的应用前景。

脉管制冷机的基本原理是利用高低压气体对脉管空腔的充放气过程而获得制冷效果的。其制冷过程如下：

1)高压气体通过被控制的切换阀流经回热器、冷端换热器以层状流动形式进入脉管，渐次推挤管内气体向封闭端移动，同时使之受到挤压，压力升高，温度上升，在脉管封闭端气体的温度达到最高值。

2)布置在封闭端的热端换热器将热量带走，使管内气体因放热其温度和压力稍有降低。

3)切换阀转动使系统内气体与气源低压侧直接联通，脉管内的气体又以层状流动渐次向气源推移扩张，气体膨胀降压而获得低温。

4)切换阀再次转换，使系统与气源高压侧连通，重复上述循环。

目前单级脉管制冷机的性能取得了大幅提升。在课题组成员的不断努力下，我们研制出了可达到10K温区的单级脉管制冷机，但目前采用的单一真空多层绝热的方法已不适应制冷机的发展需要。目前低温制冷机通常采用的绝热技术是真空多层绝热，即在制冷机的冷头、脉管和回热器上分别包多层单面镀铝涤纶薄膜，然后将其放入真空腔中，腔内的真空度在10^-3-10^-4Pa。该种绝热方式存在一个问题：由于绝热材料的层数比较多，而且间隙比较小，很难使脉管制冷机冷端所处的空间即绝热材料包住的空间，达到很高的真空度，因此无法得知制冷机冷端所处的确切真空度，由此产生的漏热对制冷机的性能有较大影响。经计算分析表明，10K温区的漏热较大，为了能使单级脉管制冷机获得更低的无负荷制冷温度以及在20K温区有更大的制冷量，这就需要一种新的绝热技术，本发明由此产生。

从其他研究者的工作中，可以看出，在回热器中部引出部分冷量对制冷机冷头的制冷温度和整机功耗几乎没有太大的影响。这就使从回热器上引出冷量到冷屏上具有可行性。

发明内容

本发明的目的是提供一种多屏真空多层绝热的单级脉管制冷机。

它包括脉管、回热器、压缩机、平面旋转阀、双向进气阀、小孔阀、气库、冷端换热器、热端换热器，压缩机经平面旋转阀分别与回热器热端、双向进气阀一端相连接，气库经小孔阀分别与脉管热端、双向进气阀另一端相连接，在回热器上30-40K和70-80K温区位置分别引出两个冷屏，或者在回热器上30-40K、70-80K和150-160K温区位置分别引出三个冷屏；冷屏通过固定在回热器各温区位置的铜环相连接。

所述的冷屏外侧设有多层绝热材料。

本发明改变了传统单级脉管制冷机的真空多层绝热方式。采用一种多屏真空多层绝热技术，具有以下优点：

1)通过将冷屏置于脉管制冷机冷头与绝热材料之间，可使脉管制冷机冷头真正处于高真空状态下，可减少多层绝热材料含有的残余气体带来的漏热损失；

2)引入不同温度的多层冷屏，可有效减少辐射漏热损失；

3)将多层冷屏与多层绝热材料交替布置，可显著提高多层绝热材料之间的真空度，同样可有效减少漏热损失。

附图说明

附图是用于单级脉管制冷机的多屏真空多层绝热系统示意图。

图中：脉管1、回热器2、冷屏3、铜环4、压缩机5、平面旋转阀6、双向进气阀7、小孔阀8、气库9、冷端换热器10、热端换热器11。

具体实施方式

如附图所示，多屏真空多层绝热的单级脉管制冷机包括脉管1、回热器2、压缩机5、平面旋转阀6、双向进气阀7、小孔阀8、气库9、冷端换热器10、热端换热器11，压缩机5经平面旋转阀6分别与回热器2热端、双向进气阀7一端相连接，气库9经小孔阀8分别与脉管1热端、双向进气阀7另一端相连接，在回热器2上30-40K和70-80K温区位置分别引出两个冷屏3，或者在回热器2上30-40K、70-80K和150-160K温区位置分别引出三个冷屏3；冷屏3通过固定在回热器2各温区位置的铜环4相连接。所述的冷屏3外侧设有多层绝热材料。

利用脉管制冷机回热器上的温度梯度，在回热器2上30-40K和70-80K温区位置分别引出两个冷屏3，或者在回热器2上30-40K、70-80K和150-160K温区位置分别引出三个冷屏3；冷屏3通过固定在回热器2各温区位置的铜环4相连接，能够有效的将回热器上的冷量引入到冷屏上，使每个冷屏保持在一定温度，最内层冷屏温度最低，向外依次升高，形成一个温度梯度。在脉管制冷机冷端与冷屏之间布置2-3层绝热材料，冷屏外侧也包绝热材料，形成冷屏与绝热材料间隔布置的形式。