CN103267383A - 采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，包括由热桥耦合的多个脉管制冷机单元，多个脉管制冷机单元中的至少一个包括依次连接的压缩装置、回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器，脉管内置有一个包括弹簧和自由活塞的自由活塞***，自由活塞通过弹簧与脉管热端换热器相连；自由活塞是由气凝胶柱构成，该气凝胶柱与脉管间隙密封配合；多个脉管制冷机单元中的最低温度级脉管制冷机单元的回热器的低温端填充有全碳气凝胶层。通过在脉管制冷机的回热器中填充有孔隙率可达95%以上、吸附能力强的全碳气凝胶层以及利用气凝胶材料制成脉管制冷机的自由活塞，以达到在深低温下制冷效率高的效果。

Description

采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机

技术领域

本发明涉及一种回热式低温制冷机，尤其是涉及一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机。

背景技术

液氦温区在国防军事、能源医疗、航空航天、低温物理等领域有着不可或缺的重要作用。自荷兰物理学家Kamerlingh.Onnes于1908年首次实现氦的液化以来，液氦温区（4K）一直是低温工程领域研究的重点和难点。同时，特别是20世纪80年代以来，人类对深低温制冷技术有了更高的技术和性能要求，对低温制冷机的效率、可靠性、体积和重量，以及振动等提出了越来越苛刻的要求。

脉管制冷机由Gifford和Longsworth于1964年提出，它在冷端不存在运动部件，具有高可靠性和长寿命的潜在优势，经过近半个世纪的发展，脉管制冷机目前已广泛应用于航空航天、低温超导等领域。根据驱动源的不同，脉管制冷机主要分为低频脉管制冷机（也称G-M脉管制冷机）和高频脉管制冷机（也称Stirling脉管制冷机）；低频脉管制冷机由G-M制冷机的压缩机驱动，其工作频率一般为1～2Hz，高频脉管制冷机由线性压缩机驱动，其工作频率一般在30Hz以上。

目前低频脉管制冷机可以获得的最低温度为1.3K，已实现液氦及以上温区的商业化应用，但是其在液氦温区的效率很低（在4.2K获得1W的制冷量需要输入6～10kW的电功）；而与低频脉管制冷机相比，高频脉管制冷机具有结构紧凑、效率高、重量轻等一系列优势，而且它在35K及以上温区的技术相对成熟，目前已广泛应用于上述温区的航空航天任务中，但是高频脉管制冷机在深低温（<10K）的效率仍然极低。造成深低温温区脉管制冷机效率低下的主要原因是：

（1）氦气的体积比热容在15K以下温区急剧增大，而常用回热填料（如铅丸、不锈钢等材料）的比热容则显著下降，虽然磁性回热填料（Er3Ni、GOS等）具有较高的体积比热容峰值，但是该峰值也只存在其相变温度区域内，从而引起深低温回热器的效率急剧减小（如图4所示），进而导致液氦温脉管制冷机效率极低，所以寻找在深低温下（<10K）具有高比热容的回热填料是解决当前液氦温区脉管制冷机效率低下的一个关键。

（2）脉管制冷机由于采用被动式调相装置（如惯性管/气库、小孔阀等）无法回收脉管中工质的膨胀功造成脉管制冷机的本征效率低于卡诺效率，所以回收声功成为提高脉管制冷机效率的另一个关键。

脉管制冷剂的回热器一般采用不锈钢网或铅丸作为回热填料，申请号为CN200910100286.X的专利文献公开了一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器及其制冷机，采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器是在不锈钢管内填充有丝径为2mm-15mm的不锈钢纤维构成高频回热器，在300-80K温区的工作频率为150HZ-1000HZ，在80K-35K温区的工作频率为100HZ-1000HZ。这种新型的高频回热器不仅可以应用于80K温区单级脉管制冷机，也可以应用在35K温区多级热耦合或气耦合脉管制冷机。不锈钢纤维具有比传统不锈钢丝网更小的丝径，能够形成更小的流体通道，可以使得回热器在300K-80K温区，150-1000HZ的高频工况下，或者在80K-35K温区，100-1000HZ的高频工况下，高效工作。但是如上所述，在深低温下（<10K）该回热材料的比热容则会显著下降，则大大影响了回热器和脉管制冷机的制冷效率。

气凝胶是一种具有多孔结构的外表呈固体状的物质，密度极小，可以获得95%及以上的孔隙率，具有较强的吸附能力，当前世界上最轻的全碳气凝胶的密度仅为0.16毫克/立方厘米，同时具有非常好的力学性能，可以在体积压缩至20%时恢复原状，而且具有较好的隔热性能，气凝胶的制备以及应用成为当前的研究热点。

发明内容

本发明提供了一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，通过在脉管制冷机的回热器中填充有孔隙率可达95%以上、吸附能力强的全碳气凝胶层以及利用气凝胶材料制成脉管制冷机的自由活塞，以达到在深低温下制冷效率高的效果。

一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，包括由热桥耦合的多个脉管制冷机单元，多个脉管制冷机单元中的至少一个包括依次连接的压缩装置、回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器，脉管内置有一个自由活塞***，该自由活塞***包括弹簧和自由活塞，自由活塞通过弹簧与脉管热端换热器相连；所述自由活塞是由气凝胶柱构成，该气凝胶柱与脉管间隙密封配合；多个脉管制冷机单元中的最低温度级脉管制冷机单元的回热器的低温端填充有全碳气凝胶层，其中，所述回热器的低温端是指回热器在10K及10K以下工作温区的部分。

所述自由活塞和弹簧可采用可拆卸的机械连接或利用化学胶连接。

所述气凝胶柱的长度为脉管长度的1/3-1/2。

所述气凝胶柱为圆柱状。

当采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机包括多个脉管制冷机单元时，脉管制冷机单元按制冷温度从高到低依次排布。

所述采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机内的工作流体为氦气。

作为一种技术方案，一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，所述脉管制冷机单元为两个，分为第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元，第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元内采用的压缩装置为低频压缩机组；所述第二级低温脉管制冷机单元的回热器包括第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器和第二级低温段回热器；

所述第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元之间通过连接在第一级预冷脉管制冷机单元的第一级冷端换热器和第二级预冷段回热器冷端换热器之间的热桥进行热耦合；

所述第二级低温脉管制冷机单元包括依次连接的第二级低频压缩机组、第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器、第二级低温段回热器、第二级冷端换热器、第二级脉管以及第二级脉管热端换热器，所述第二级脉管内置有第二级自由活塞，第二级自由活塞***由第二级自由活塞和第二级弹簧组成，第二级自由活塞通过第二级弹簧与第二级脉管热端换热器相连；

所述第二级低温段回热器的低温端填充有全碳气凝胶层；所述第二级自由活塞是由与第二级脉管间隙配合的第二级气凝胶柱构成。

所述第一级预冷脉管制冷机单元包括依次连接的第一级低频压缩机组、第一级回热器、第一级冷端换热器、第一级脉管、第一级脉管热端换热器以及第一级调相机构。

所述第一级调相机构包括：第一级气库，通过管路与所述第一级脉管热端换热器的连通；第一级小孔阀，设于所述第一级气库与所述第一级脉管热端换热器之间的管路上；第一级双向进气阀，一端与所述第一级低频压缩机组与第一级回热器之间的管路连通，另一端与第一级小孔阀与所述第一级脉管热端换热器之间的管路连通。

第一级调相机构也可采用其他具有相同调相功能的调相机构，用于相应回热器内的质量流和压力波相位的调整，保证***的稳定高效运行。

所述低频压缩机组的组成为现有技术，一般包括压缩机、级后冷却器、压缩机低压控制阀和压缩机高压控制阀等。

所述全碳气凝胶层位于所述第二级低温段回热器的低温端，全碳气凝胶层的高度，需要根据第二级低温段回热器实际工作区的温度确定，全碳气凝胶层需要处在回热器工作温区为10K及10K以下的部分。实际填充时，需要首先根据模拟计算确定，根据模拟计算确定该回热器轴向的温度分布，然后根据温度分布填充一定高度的全碳气凝胶层。

由于双向进气会产生直流效应从而造成脉管制冷机冷端温度波动和性能衰减，同时小孔阀/气库的调相装置占有较大的空间，且上述第一级预冷级脉管制冷机采用的被动式调相方式无法为回热器提供最优的相位角，所以第一级预冷级脉管制冷机的效率受到限制。

作为一种技术方案，一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，所述脉管制冷机单元为两个，分为第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元，第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元内采用的压缩装置为低频压缩机组；所述第二级低温脉管制冷机单元的回热器包括第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器和第二级低温段回热器；

所述第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元之间通过连接在第一级预冷脉管制冷机单元的第一级冷端换热器和第二级预冷段回热器冷端换热器之间的热桥进行热耦合；

所述第一级预冷脉管制冷机单元包括依次连接的第一级低频压缩机组、第一级回热器、第一级冷端换热器、第一级脉管、第一级脉管热端换热器；所述第一级脉管内置有第一级自由活塞***，第一级自由活塞***由第一级自由活塞和第一级弹簧组成，第一级自由活塞通过第一级弹簧与第一级脉管热端换热器相连；

所述第二级低温脉管制冷机单元包括依次连接的第二级低频压缩机组、第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器、第二级低温段回热器、第二级冷端换热器、第二级脉管以及第二级脉管热端换热器；所述第二级脉管内置有第二级自由活塞***，第二级自由活塞***由第二级自由活塞和第二级弹簧组成，第二级自由活塞通过第二级弹簧与第二级脉管热端换热器相连；

所述第二级低温段回热器的低温端填充有全碳气凝胶层；所述第一级自由活塞是由与第一级脉管间隙配合的第一级气凝胶柱构成，所述第二级自由活塞是由与第二级脉管间隙配合的第二级气凝胶柱构成。

低频压缩机组的组成为现有技术，一般包括压缩机、级后冷却器、低压控制阀和高压控制阀等。

所述全碳气凝胶层位于所述第二级低温段回热器的低温端，全碳气凝胶层的高度，需要根据回热器实际工作区的温度确定，全碳气凝胶层需要处在第二级低温段回热器工作温区为10K及10K以下的部分。实际填充时，需要首先根据模拟计算确定，根据模拟计算确定该回热器轴向的温度分布，然后根据温度分布填充一定高度的全碳气凝胶层。

当采用低频压缩机组时，一般采用两级结构即可达到10K及10K以下的工作温区。当采用高频压缩机组时，例如当采用线性压缩机时，目前条件下，两级结构很难达到10K及10K以下的工作温区，所以为了保证本发明的回热器更有效的工作，以下采用三级结构。

作为一种技术方案，一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，所述脉管制冷机单元为三个，分为第一级预冷脉管制冷机单元、第二级低温脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元；所述第一级预冷脉管制冷机单元、第二级低温脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元内采用的压缩装置为线性压缩机；所述第二级预冷脉管制冷机单元的回热器包括第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器、第二级低温段回热器；所述第三级低温脉管制冷机单元的回热器包括第三级第一预冷段回热器、第三级第一预冷段回热器冷端换热器、第三级第二预冷段回热器、第三级第二预冷段回热器冷端换热器、第三级低温段回热器；

所述第一级预冷脉管制冷机单元包括依次连接的第一级线性压缩机、第一级回热器、第一级冷端换热器、第一级脉管以及第一级脉管热端换热器，第一级脉管内置有第一级自由活塞***，第一级自由活塞***由第一级自由活塞和第一级弹簧组成，第一级自由活塞通过第一级弹簧与第一级脉管热端换热器相连；

所述第二级预冷脉管制冷机单元包括依次连接的第二级线性压缩机、第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器、第二级低温段回热器、第二级冷端换热器、第二级脉管以及第二级脉管热端换热器，第二级脉管内置有第二级活塞***，第二级自由活塞***由第二级自由活塞和第二级弹簧组成，第二级自由活塞布通过第二级弹簧与第二级脉管热端换热器相连；

所述第三级低温脉管制冷机单元包括依次连接的第三级线性压缩机、第三级第一预冷段回热器、第三级第一预冷段回热器冷端换热器、第三级第二预冷段回热器、第三级第二预冷段回热器冷端换热器、第三级低温段回热器、第三级冷端换热器、第三级脉管以及第三级脉管热端换热器，其中，第三级脉管内置有第三级活塞***，第三级自由活塞***由第三级自由活塞和第三级弹簧组成，第三级自由活塞通过第三级弹簧与第三级脉管热端换热器相连；

所述第一级预冷脉管制冷机单元、第二级预冷脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元通过连接在第一级预冷脉管制冷机单元的第一级冷端换热器、第二级预冷段回热器冷端换热器以及第三级第一预冷段回热器冷端换热器之间的第一级热桥进行一次热耦合，第二级预冷脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元通过连接在第三级第二预冷段回热器冷端换热器以及第二级预冷脉管制冷机单元的第二级冷端换热器的第二级热桥进行二次热耦合；

所述第三级低温段回热器的低温端填充有全碳气凝胶层，所述第一级自由活塞是由与第一级脉管间隙配合的第一级气凝胶柱构成，所述第二级自由活塞是由与第二级脉管间隙配合的第二级气凝胶柱构成，所述第三级自由活塞是由与第三级脉管间隙配合的第三级气凝胶柱构成。

为便于加工和安装，可以根据需要采用其他的调相机构取代所述第一级自由活塞***、第二级自由活塞***。其中，全碳气凝胶层的高度，需要根据第三级低温段回热器实际工作区的温度确定，全碳气凝胶层需要处在该回热器工作温区为10K及10K以下的部分。实际填充时，需要首先根据模拟计算确定，根据模拟计算确定该回热器轴向的温度分布，然后根据温度分布填充一定高度的全碳气凝胶层。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

（1）本发明的采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，首先，通过在回热器的低温端（低于或等于10K）填充具有高孔隙率和表面积/体积比的全碳气凝胶层，利用全碳气凝胶在低温和高压下较强的吸附能力，由于氦气在液氦温区的体积比热容较高，所以吸附了氦气的全碳气凝胶在较宽的温度范围内（4-10K）也具有较高的体积比热容，同时具有较好的稳定性，是一种非常优异的深低温温区回热填料，与使用传统回热填料（如稀土类磁性回热材料等）的回热器相比，采用全碳气凝胶作为回热填料的回热器可以获得具有更高的效率，从而提高了脉管制冷机在深低溫下的性能。

（2）本发明通过在脉管制冷机的脉管中布置由气凝胶柱构成的自由活塞取代脉管制冷机中的气体活塞，实现脉管中膨胀功的回收，进而实现脉管制冷机本征制冷性能的提高，与当前被动调相式脉管制冷机相比，采用气凝胶的自由活塞式脉管制冷机可以回收脉管中的膨胀功，同时结构紧凑；与采用热端膨胀机或弹簧振子的脉管制冷机相比，该种脉管制冷机结构简单，同时由于气凝胶具有较好的绝热性能，可以有效的减少脉管中的穿梭损失和气体导热损失，从而进一步提高脉管制冷机的效率。

本发明在综合上述两个主要优点的基础上，可以使脉管制冷机在深低温下高效工作。

附图说明

图1为本发明的采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机的一种实施方式的结构示意图。

图2为本发明的采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机的另一种实施方式的结构示意图。

图3为本发明的采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机的又一种实施方式的结构示意图。

图4为多种物质的体积比热容与温度之间的关系。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，应当明白，以下仅作为例示性，并不限制本发明的范围。

实施例1

参照图1，一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，包括由热桥TB热耦合的两个脉管制冷机单元，分别为第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元：第一级预冷脉管制冷机单元由第一级压缩机C1、第一级级后冷却器AC1、第一级压缩机低压控制阀LV1、第一级压缩机高压控制阀HV1、第一级回热器RG1、第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3及第一级调相机构组成，第一级调相机构包括第一级双向进气阀DO1、第一级小孔阀O1、第一级气库R1；第二级低温脉管制冷机单元由第二级压缩机C2、第二级级后冷却器AC2、第二级压缩机低压控制阀LV2、第二级压缩机高压控制阀HV2、第二级预冷段回热器RG21、第二级预冷段回热器冷端换热器HX5、第二级低温段回热器RG22、第二级冷端换热器HX6、第二级脉管PT2、第二级自由活塞FP2、第二级弹簧S2和第二级脉管热端换热器HX7组成。

其中，在第二级低温段回热器RG22的低温端填充有全碳气凝胶层RG23，全碳气凝胶层RG23的高度需要根据实际模拟实验确定，全碳气凝胶层RG23是在第二级低温段回热器RG22中工作温区在10K及10K以下的部分。具体装配方法是：在第二级低温段回热器RG22的不锈钢管中均匀填充一定高度的全碳气凝胶材料，两端用致密的硬质丝网封住构成第二级低温段回热器RG22。

第二级自由活塞FP2布置在第二级脉管PT2内并与第二级脉管PT2间隙配合，通过第二级弹簧S2与第二级脉管热端换热器HX7相连，第二级自由活塞FP2是由第二级气凝胶柱构成，第二级气凝胶柱为圆柱状，直径略小于第二级脉管PT2的内径，长度为第二级脉管PT2长度的1/3-1/2。

上述各部件的连接关系如下：第一级压缩机C1、第一级级后冷却器AC1、第一级压缩机高压控制阀HV1和第一级压缩机低压控制阀LV1依次串连形成第一级低频压缩机组的循环回路；第一级回热器RG1的入口与第一级压缩机高压控制阀HV1和第一级压缩机低压控制阀LV1之间的管路连通；第一级回热器RG1的出口依次通过管路与第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3、第一级小孔阀O1以及第一级气库R1进口连通；第一级双向进气阀DO1一端与第一级回热器RG1与第一级低频压缩机组之间的管路连通，第一级双向进气阀DO1另一端与第一级小孔阀O1与第一级脉管热端换热器HX3之间的管路连通。第二级压缩机C2、第二级级后冷却器AC2、第二级压缩机高压控制阀HV2和第二级压缩机低压控制阀LV2依次连通形成第二级低频压缩机组；第二级预冷段回热器RG21通过管路依次与第二级预冷段回热器冷端换热器HX5、第二级低温段回热器RG22、第二级冷端换热器HX6、第二级脉管PT2以及第二级脉管热端换热器HX7相连通，第二级自由活塞FP2布置在第二级脉管PT2内，通过第二级弹簧S2与第二级脉管热端换热器HX7相连；第一级预冷脉管制冷机单元与第二级低温脉管制冷机单元之间通过连接在第一级冷端换热器HX2、第二级预冷段回热器冷端换热器HX5的热桥TB进行热耦合，实现第一级冷端换热器HX2对第二级预冷段回热器冷端换热器HX5的预冷。

本实施方式的采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机的运行过程为：

初始阶段，第一级压缩机低压调节阀LV1、第一级压缩机高压调节阀HV1均处于关闭状态，气体经过第一级压缩机C1压缩后变成高温高压气体，高温高压气体流经第一级级后冷却器AC1后冷却至室温，当气体压力高于设定值时，第一级压缩机高压调节阀HV1开启，高压室温气体从第一级压缩机高压阀HV1处流出并分成两股，一股通过第一级回热器RG1并与其中的填料进行换热温度降低进入后续相关部件中，另一股通过第一级双向进气阀DO1进入后续的相关部件中，使整个***均处于高压状态，然后第一级压缩机高压调节阀HV1关闭，第一级压缩机低压调节阀LV1开启，气体从第一级气库R1经第一级小孔阀O1分成两股，一股从第一级双向进气阀DO1通过第一级压缩机低压调节阀LV1回到第一级压缩机C1，另一股经过第一级脉管PT1、第一级回热器RG1最终通过第一级压缩机低压调节阀LV1回到第一级压缩机C1，由此完成一个循环，在循环过程中，进出第一级冷端换热器HX2的气体存在温差，由此产生制冷效应，第一级冷量通过热桥TB从第一级冷端换热器HX2中取出用以预冷进入第二级低温段回热器的气体。

初始阶段，第二级压缩机低压调节阀LV2、第二级压缩机高压调节阀HV2均处于关闭状态，气体经过第二级压缩机C2压缩后变成高温高压气体，高温高压气体流经第二级级后冷却器AC2后冷却至室温，当气体压力高于设定值时，第二级压缩机高压调节阀HV2开启，高压室温气体从第二级压缩机高压阀HV2处进入第二级预冷段回热器RG21并在其冷端被与热桥TB连接的第二级预冷段回热器冷端换热器HX5冷却至第一级制冷温度，然后进入后续相关部件中，第二级脉管PT2中的高压气体对第二级自由活塞FP2进行压缩将气体的压缩功储存在第二级自由活塞FP2内，使整个***均处于高压状态，然后第二级压缩机高压调节阀HV2关闭，第二级压缩机低压调节阀LV2开启，气体从第二级脉管热端回热器HX7经过第二级脉管PT2、第二级自由活塞FP2、第二级低温段回热器RG22、第二级预冷段回热器RG21最终通过第二级压缩机低压调节阀LV2回到第二级压缩机C2，第二级自由活塞FP2在低压阶段将高压阶段内储存在其内的压缩功释放出来，由此完成一个循环，在循环过程中，进出第二级冷端换热器HX6的气体存在温差，由此产生制冷效应。

实施例2

参照图2，一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，其结构与实施例1所示自由活塞式脉管制冷机相似，与实施例1的区别在于第一级预冷脉管制冷机单元中的第一级脉管PT1内布置了第一级自由活塞FP1，第一级自由活塞FP1通过第一级弹簧S1与第一脉管热端换热器HX7相连接，第一级自由活塞FP1是由第一级气凝胶柱构成并与第一级脉管PT1间隙配合，第一级气凝胶柱为圆柱状，长度为第一级脉管PT1的1/3-1/2。同时略去了第一级预冷脉管制冷机单元中的第一级调相机构。

具体连接关系如下：第一级压缩机C1、第一级级后冷却器AC1、第一级压缩机高压控制阀HV1和第一级压缩机低压控制阀LV1依次串连形成第一级低频压缩机组的循环回路；第一级回热器RG1的入口与第一级压缩机高压控制阀HV1和第一级压缩机低压控制阀LV1之间的管路连通；第一级回热器RG1的出口依次通过管路与第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3相连通，第一级脉管PT1内布置有第一级自由活塞FP1，其通过第一级弹簧S1与第一级脉管热端换热器HX3相连；第二级压缩机C2、第二级级后冷却器AC2、第二级压缩机高压控制阀HV2和第二级压缩机低压控制阀LV2依次连通形成第二级低频压缩机组；第二级预冷段回热器RG21通过管路依次与第二级预冷段回热器冷端换热器HX5、第二级低温段回热器RG22、第二级冷端换热器HX6、第二级脉管PT2以及第二级脉管热端换热器HX7相连通，第二级自由活塞FP2布置在第二级脉管PT2内，通过第二级弹簧S2与第二级脉管热端换热器HX7相连；第一级预冷脉管制冷机单元与第二级低温脉管制冷机单元之间通过连接在第一级冷端换热器HX2、第二级预冷段回热器冷端换热器HX5的热桥TB进行热耦合，实现第一级冷端换热器HX2对第二级预冷段回热器冷端换热器HX5的预冷。

由于第一级预冷脉管制冷机单元中采用了可以回收声功的第一级自由活塞FP1，可以实现第一级预冷脉管制冷机单元性能的提高，进而为第二级低温脉管制冷机单元的高效工作提供更优的预冷量和预冷温度，最终实现整机的高效工作。

实施例3

参照图3，一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，包括由第一级热桥TB1和第二级热桥TB2热耦合的第一级预冷脉管制冷机单元、第二级低温脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元；第一级预冷脉管制冷机单元由第一级线性压缩机C’1、第一级回热器热端换热器HX1、第一级回热器RG1、第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级自由活塞FP1、第一级弹簧S1以及第一级脉管热端换热器HX3组成；第二级低温脉管制冷机单元由第二级线性压缩机C’2、第二级回热器热端换热器HX4、第二级预冷段回热器RG21、第二级预冷段回热器冷端换热器HX5、第二级低温段回热器RG22、第二级冷端换热器HX6、第二级脉管PT2、第二级自由活塞FP2、第二级弹簧S2以及第二级脉管热端换热器HX7组成；第三级低温脉管制冷机单元由第三级线性压缩机C’3、第三级回热器热端换热器HX8、第三级第一预冷段回热器RG31、第三级第一预冷段回热器冷端换热器HX9、第三级第二预冷段回热器RG32、第三级第二预冷段回热器冷端换热器HX10、第三级低温段回热器RG33、第三级冷端换热器HX11、第三级脉管PT3、第三级自由活塞FP3、第三级弹簧S3以及第三级脉管热端换热器HX12组成。第三级低温段回热器RG33的低温端，即工作温区在10K及10K以下的部分填充有全碳气凝胶层，全碳气凝胶层的要求和规格同实施例1。

上述各部件的连接关系如下：第一级线性压缩机C’1通过管路依次与第一级回热器热端换热器HX1、第一级回热器RG1、第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3连通，第一级自由活塞FP1布置在第一级脉管PT1内并与第一级脉管PT1间隙配合，其通过第一级弹簧S1与第一级脉管热端换热器HX3相连，第一级自由活塞FP1是由第一级气凝胶柱构成，第一级气凝胶柱为圆柱状，直径略小于第一级脉管PT1的内径，长度约为第一级脉管PT1长度的1/3-1/2；第二级线性压缩机C’2通过管路依次与第二级回热器热端换热器HX4、第二级预冷段回热器RG21、第二级预冷段回热器冷端换热器HX5、第二级低温段回热器RG22、第二级冷端换热器HX6、第二级脉管PT2以及第二级脉管热端换热器HX7连通，第二级自由活塞FP2布置在第二级脉管PT2内并与第二级脉管PT2间隙配合，其通过第二级弹簧S2与第二级脉管热端换热器HX7相连，第二级自由活塞FP2是由第二级气凝胶柱构成，第二级气凝胶柱为圆柱状，直径略小于第二级脉管PT2的内径，长度约为第二级脉管PT2长度的1/3-1/2；第三级线性压缩机C’3通过管路依次与第三级回热器热端换热器HX8、第三级第一预冷段回热器RG31、第三级第一预冷段回热器冷端换热器HX9、第三级第二预冷段回热器RG32、第三级第二预冷段回热器冷端换热器HX10、第三级低温段回热器RG33、第三级冷端换热器HX11、第三级脉管PT3以及第三级脉管热端换热器HX12连通，第三级自由活塞FP3布置在第三级脉管PT3内并与第三级脉管PT3间隙配合，其通过第三级弹簧S3与第三级脉管热端换热器HX12相连，第三级自由活塞FP3是由第三级气凝胶柱构成，第三级气凝胶柱为圆柱状，直径略小于第三级脉管PT2的内径，长度约为第三级脉管PT2长度的1/3-1/2。第一级冷端换热器HX2、第二级预冷段回热器冷端换热器HX5以及第三级第一预冷段回热器冷端换热器HX9分别第一级热桥TB1连接，第三级第二预冷段回热器冷端换热器HX10和第二级预冷脉管制冷机单元的第二级冷端换热器HX6分别与第二级热桥TB2连接。

该实施方式的全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机的工作过程为：

在高压阶段，经过第一级线性压缩机C’1压缩的高温高压气体流经第一级回热器热端换热器HX1后冷却至室温，然后与第一级回热器RG1中的回热填料进行换热，温度降低，然后依次流经第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级自由活塞FP1和第一级脉管热端换热器HX3，第一级自由活塞FP1在高压阶段通过形变将气体的压缩功储存在其内；然后进入低压周期，气体依次流经第一级脉管热端换热器HX3、第一级自由活塞FP1、第一级脉管PT1、第一级冷端换热器HX2、第一级回热器RG1回到第一级线性压缩机C’1中完成一个循环，第一级自由活塞FP1在低压阶段将高压阶段内储存在其内的压缩功释放出来以实现声功的回收，在循环过程中进出第一级冷端换热器HX2的气体存在温差，从而在第一级冷端换热器HX2处产生制冷效应，该处的制冷量通过分别与第一级热桥TB1连接的第二级预冷段回热器冷端换热器HX5和第三级第一预冷段回热器冷端换热器HX9为第二级脉管制冷机和第三级脉管制冷机提供预冷。

在高压阶段，经过第二级线性压缩机C’2压缩的高温高压气体流经第二级回热器热端换热器HX4后冷却至室温，然后与第二级预冷段回热器RG21中的回热填料进行换热，温度降低，然后在第二级预冷段回热器冷端换热器HX5处冷却至第一级脉管制冷机的冷端温度，然后低温气体依次流经第二级低温段回热器RG22、第二级冷端换热器HX6、第二级脉管PT2、第二级自由活塞FP2进入第二级脉管热端换热器HX7，第二级自由活塞FP2在高压阶段通过形变将气体的压缩功储存在其内；然后进入低压周期，气体从第二级脉管热端换热器HX7依次经过第二级自由活塞FP2、第二级脉管PT2、第二级冷端换热器HX6、第二级低温段回热器RG22、第二级预冷段回热器RG21回到第二级线性压缩机C’2中完成一个循环，第二级自由活塞FP2在低压阶段将高压阶段内储存在其内的压缩功释放出来以实现声功的回收，在循环过程中进出第二级冷端换热器HX6的气体存在温差，从而在第二级冷端换热器HX6处产生制冷效应，该处的制冷量通过与第二级热桥TB2连接的第三级第二预冷段回热器冷端换热器HX10为第三级脉管制冷机提供预冷。

在高压阶段，经过第三级线性压缩机C’3压缩的高温高压气体流经第三级回热器热端换热器HX8后冷却至室温，然后与第三级第一预冷段回热器RG31中的回热填料进行换热，温度降低，在第三级第一预冷段回热器冷端换热器HX9处冷却至第一级脉管制冷机的冷端温度，然后气体进入第三级第二预冷段回热器RG32并与其中的回热填料进行换热，温度降低，在第三级第二预冷段回热器冷端换热器HX10处冷却至第二级脉管制冷机的冷端温度，然后依次流经第三级低温段回热器RG33、第三级冷端换热器HX11、第三级脉管PT3、第三级自由活塞FP3进入第三级脉管热端换热器HX12，第三级自由活塞FP3在高压阶段通过形变将气体的压缩功储存在其内；然后进入低压周期，气体从第三级脉管热端换热器HX12依次经过第三级自由活塞FP3、第三级脉管PT3、第三级冷端换热器HX11、第三级低温段回热器RG33、第三级第二预冷段回热器RG32、第三级第一预冷段回热器RG31回到第三级线性压缩机C’3中完成一个循环，第三级自由活塞FP3在低压阶段将高压阶段内储存在其内的压缩功释放出来以实现声功的回收，在循环过程中进出第三级冷端换热器HX11的气体存在温差，从而在第三级冷端换热器HX11处产生制冷效应。

Claims (6)

1.一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，包括由热桥耦合的多个脉管制冷机单元，多个脉管制冷机单元中的至少一个包括依次连接的压缩装置、回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器，其特征在于，所述脉管内置有一个自由活塞***，该自由活塞***包括弹簧和自由活塞，自由活塞通过弹簧与脉管热端换热器相连；所述自由活塞是由气凝胶柱构成，该气凝胶柱与脉管间隙密封配合；多个脉管制冷机单元中的最低温度级脉管制冷机单元的回热器的低温端填充有全碳气凝胶层，其中，所述回热器的低温端是指回热器在10K及10K以下工作温区的部分。

2.根据权利要求1所述的采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，其特征在于：所述气凝胶柱的长度为脉管长度的1/3-1/2。

3.根据权利要求1所述的采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，其特征在于：所述脉管制冷机单元为两个，分为第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元，第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元内采用的压缩装置为低频压缩机组；所述第二级低温脉管制冷机单元的回热器包括第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器和第二级低温段回热器；

所述第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元之间通过连接在第一级预冷脉管制冷机单元的第一级冷端换热器和第二级预冷段回热器冷端换热器之间的热桥进行热耦合；

所述第一级预冷脉管制冷机单元包括依次连接的第一级低频压缩机组、第一级回热器、第一级冷端换热器、第一级脉管、第一级脉管热端换热器以及第一级调相机构；

所述第二级低温脉管制冷机单元包括依次连接的第二级低频压缩机组、第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器、第二级低温段回热器、第二级冷端换热器、第二级脉管以及第二级脉管热端换热器，所述第二级脉管内置有第二级自由活塞，第二级自由活塞***由第二级自由活塞和第二级弹簧组成，第二级自由活塞通过第二级弹簧与第二级脉管热端换热器相连；

所述第二级低温段回热器的低温端填充有全碳气凝胶层；所述第二级自由活塞是由与第二级脉管间隙配合的第二级气凝胶柱构成。

4.根据权利要求3所述的采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，其特征在于，所述第一级调相机构包括：第一级气库，通过管路与所述第一级脉管热端换热器的连通；第一级小孔阀，设于所述第一级气库与所述第一级脉管热端换热器之间的管路上；第一级双向进气阀，一端与所述第一级低频压缩机组与第一级回热器之间的管路连通，另一端与第一级小孔阀与所述第一级脉管热端换热器之间的管路连通。

5.根据权利要求1所述的采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，其特征在于：所述脉管制冷机单元为两个，分为第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元，第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元内采用的压缩装置为低频压缩机组；所述第二级低温脉管制冷机单元的回热器包括第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器和第二级低温段回热器；

所述第一级预冷脉管制冷机单元和第二级低温脉管制冷机单元之间通过连接在第一级预冷脉管制冷机单元的第一级冷端换热器和第二级预冷段回热器冷端换热器之间的热桥进行热耦合；

所述第一级预冷脉管制冷机单元包括依次连接的第一级低频压缩机组、第一级回热器、第一级冷端换热器、第一级脉管、第一级脉管热端换热器；所述第一级脉管内置有第一级自由活塞***，第一级自由活塞***由第一级自由活塞和第一级弹簧组成，第一级自由活塞通过第一级弹簧与第一级脉管热端换热器相连；

所述第二级低温脉管制冷机单元包括依次连接的第二级低频压缩机组、第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器、第二级低温段回热器、第二级冷端换热器、第二级脉管以及第二级脉管热端换热器；所述第二级脉管内置有第二级自由活塞***，第二级自由活塞***由第二级自由活塞和第二级弹簧组成，第二级自由活塞通过第二级弹簧与第二级脉管热端换热器相连；

所述第二级低温段回热器的低温端填充有全碳气凝胶层；所述第一级自由活塞是由与第一级脉管间隙配合的第一级气凝胶柱构成，所述第二级自由活塞是由与第二级脉管间隙配合的第二级气凝胶柱构成。

6.根据权利要求1所述的采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，其特征在于：所述脉管制冷机单元为三个，分为第一级预冷脉管制冷机单元、第二级低温脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元；所述第一级预冷脉管制冷机单元、第二级低温脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元内采用的压缩装置为线性压缩机；所述第二级预冷脉管制冷机单元的回热器包括第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器、第二级低温段回热器；所述第三级低温脉管制冷机单元的回热器包括第三级第一预冷段回热器、第三级第一预冷段回热器冷端换热器、第三级第二预冷段回热器、第三级第二预冷段回热器冷端换热器、第三级低温段回热器；

所述第一级预冷脉管制冷机单元包括依次连接的第一级线性压缩机、第一级回热器、第一级冷端换热器、第一级脉管以及第一级脉管热端换热器，第一级脉管内置有第一级自由活塞***，第一级自由活塞***由第一级自由活塞和第一级弹簧组成，第一级自由活塞通过第一级弹簧与第一级脉管热端换热器相连；

所述第二级预冷脉管制冷机单元包括依次连接的第二级线性压缩机、第二级预冷段回热器、第二级预冷段回热器冷端换热器、第二级低温段回热器、第二级冷端换热器、第二级脉管以及第二级脉管热端换热器，第二级脉管内置有第二级活塞***，第二级自由活塞***由第二级自由活塞和第二级弹簧组成，第二级自由活塞通过第二级弹簧与第二级脉管热端换热器相连；

所述第三级低温脉管制冷机单元包括依次连接的第三级线性压缩机、第三级第一预冷段回热器、第三级第一预冷段回热器冷端换热器、第三级第二预冷段回热器、第三级第二预冷段回热器冷端换热器、第三级低温段回热器、第三级冷端换热器、第三级脉管以及第三级脉管热端换热器，其中，第三级脉管内置有第三级活塞***，第三级自由活塞***由第三级自由活塞和第三级弹簧组成，第三级自由活塞通过第三级弹簧与第三级脉管热端换热器相连；

所述第一级预冷脉管制冷机单元、第二级预冷脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元通过连接在第一级预冷脉管制冷机单元的第一级冷端换热器、第二级预冷段回热器冷端换热器以及第三级第一预冷段回热器冷端换热器之间的第一级热桥进行一次热耦合，第二级预冷脉管制冷机单元和第三级低温脉管制冷机单元通过连接在第三级第二预冷段回热器冷端换热器以及第二级预冷脉管制冷机单元的第二级冷端换热器的第二级热桥进行二次热耦合；

所述第三级低温段回热器的低温端填充有全碳气凝胶层，所述第一级自由活塞是由与第一级脉管间隙配合的第一级气凝胶柱构成，所述第二级自由活塞是由与第二级脉管间隙配合的第二级气凝胶柱构成，所述第三级自由活塞是由与第三级脉管间隙配合的第三级气凝胶柱构成。

Images