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脉管制冷机

脉管制冷的基本原理是利用高低压气体对脉冲管腔的冲放气而获得低温的,它实质上是西蒙膨胀制冷的一种形式。

基本型脉管制冷机是1963奶奶由Gifford和Longsworth提出并研制的,系统由压缩机、切换阀、回热器、冷端换热器、导流器、脉冲管和脉冲管封闭端的水冷却器所组成。压缩机作为压力波发生器,导流器起到防止气体紊流混合的作用。其制冷工作过程如下:

① 高压气体通过被控制的切换阀流经回热器、冷端换热器、导流器,以层流态进入脉管,渐次推挤管内气体向封闭端移动,同时使之受到挤压,沿管长压力升高,温度上升,在脉管封闭端达到最高温度。

② 布置在封闭端的水冷换热器将热量带走,使其管内气体的温度和压力因放热而稍有降低。

③ 切换阀转动使系统内气体与气源低压侧连通,脉管内的气体又以层流态渐次向气流推移扩张,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,从而完成一个循环。

脉管制冷机采用的工质通常为He。脉管制冷机运行时,脉管气体轴向存在温度梯度,入口端温度低,封闭端温度高,这点与容器内绝热放气后气体温度是均匀的不同。

上面讨论的带有切换阀的基本型脉管制冷机由于气体在通过阀门时又节流损失而降低了制冷效率。针对这个问题,吉福特提出了可逆基本型脉管制冷机。它取消了切换阀,而直接以活塞在气缸内往复运动来产生脉管内气体的压力波动。

基本脉管制冷机由于外部热损失打、效率低,所以制冷温度有限,最低只达到124K。后经不断改进,产生了各种类型的脉管制冷机,如热声驱动的脉管制冷机(用热声振荡产生压力波驱动脉管),小孔型脉管、双向进气脉管、多级脉管等。目前,单级脉管制冷温度已达到23.5K,近年来多级脉管的研究也有很大进展。1999年,荷兰的教授在一台采用氦3为工质的三极脉管制冷机中获得了1.78K的低温。