CN101603743B - 用于惯性管调相的声功放大器及其脉管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于惯性管调相的声功放大器及其脉管制冷机。声功放大器是内部填充回热材料的金属管，回热材料可以是不锈钢丝网，铅丸、铅丝绒等所有可用于低温的蓄冷材料。声功放大器位于距脉管热端X处，或在脉管内距热端X处填充长度为L的回热材料构成声功放大器，满足X-L＞0。本发明不仅可用于单级脉管制冷机，且同时可用于多级热耦合或气耦合型脉管制冷机系统。声功放大器可增大脉管热端声功，减小压比，均有利于惯性管的相位调节，从而提高脉管制冷机的性能，同时避免了采用低温惯性管的复杂性。

Description

用于惯性管调相的声功放大器及其脉管制冷机
技术领域
本发明涉及声功放大器和采用惯性管调相的脉管制冷机，尤其涉及一种用于惯性管调相的声功放大器及其脉管制冷机。 
背景技术
脉管制冷机无低温下的运动部件，具有结构简单、成本低、机械振动小、可靠性高、寿命长等优点，成为当前低温制冷机的研究热点。相比GM型脉管制冷机，斯特林型脉管制冷机由于体积小、结构紧凑，受到广泛关注。由焓流调相理论可知，质量流和压力波之间的相位差对脉管制冷机的制冷性能影响很大，所以选择恰当的调相机构对提高脉管制冷机性能有着重要意义。目前脉管制冷机根据调相方式主要可分为以下三种：小孔型、双向进气型、惯性管型。与小孔型调相方式相比，惯性管利用细长管内振荡气流的惯性作用来调节相位差，具有更宽的相位调节能力和更好的性能。与双向进气型调相方式相比，惯性管型结构中没有环路，可消除由于直流现象引起的脉管冷端温度的波动，因此，惯性管调相方式更适用于斯特林型高频脉管制冷机。 
Radebaugh等人的研究表明：在交变流动中，当回热器中部质量流和压力波同相的时候，脉管制冷机的制冷效率最高，此时回热器热端的质量流约超前压力波30°，冷端的质量流约落后压力波30°，这就要求在惯性管入口处质量流落后压力波约60°，这就意味着惯性管要有至少60°的调相能力。对于冷端PV功较小的脉管制冷机来说，惯性管入口质量流落后压力波60°是不现实的，迫切需要提高脉管热端的声功，增强惯性管调相能力，以满足调相角度！ 
对于理想的回热器，其热端声功与冷端声功之比正比于热端温度与冷端温度，利用这一原理，在脉管内适当位置填入回热材料，将具有将冷端声功放大的作用，也即本发明的核心内容，这使得脉管热端惯性管可获得所需要的相位调节。 
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于惯性管调相的声功放大器及其脉管制冷机。 
用于惯性管调相的声功放大器是：在脉管内距热端X处填充长度为L的回热材料，满足X-L＞0。 
一种带有声功放大器的脉管制冷机包括一级压缩机、一级回热器、一级脉 管、一级声功放大器、一级惯性管、一级气库，一级压缩机与一级回热器热端相连，一级回热器冷端与一级脉管冷端相连，一级脉管热端经一级惯性管与一级气库相连，一级声功放大器位于一级脉管内距热端X处，一级声功放大器的长度为L，X-L＞0。 
一种带有声功放大器的脉管制冷机包括一级压缩机、一级回热器、一级脉管、一级声功放大器、一级惯性管、一级气库，二级压缩机、二级回热器预冷段、二级回热器段、二级脉管、二级声功放大器、二级惯性管、二级气库，热桥，一级压缩机与一级回热器热端相连，一级回热器冷端与一级脉管冷端相连，一级脉管热端经一级惯性管与一级气库相连，一级声功放大器位于一级脉管内距热端X处，一级声功放大器的长度为L，X-L＞0。二级压缩机与二级回热器预冷段热端相连，二级回热器预冷段冷端与二级回热器段热端相连，二级回热器段冷端与二级脉管冷端相连，二级脉管热端经二级惯性管与二级气库相连，二级声功放大器位于二级脉管内距热端X处，二级声功放大器的长度为L，X-L＞0。二级回热器预冷段冷端通过热桥与一级冷端相连。 
一种带有声功放大器的脉管制冷机包括一级脉管、一级声功放大器、一级惯性管、一级气库，二级压缩机、二级回热器预冷段、二级回热器段、二级脉管、二级声功放大器、二级惯性管、二级气库，热桥，一级脉管冷端与二级回热器预冷段 冷端相通，一级脉管热端经一级惯性管与一级气库相连，一级声功放大器位于一级脉管内距热端X处，一级声功放大器的长度为L，X-L＞0。二级压缩机与二级回热器预冷段热端相连，二级回热器预冷段冷端与二级回热器段热端相连，二级回热器段冷端与二级脉管冷端相连，二级脉管热端经二级惯性管与二级气库相连，二级声功放大器位于二级脉管内距热端X处，二级声功放大器的长度为L，X-L＞0。 
本发明通过在脉管内增加声功放大器，增大脉管热端的声功，从而增大惯性管的调相角度，提高制冷机的性能。对于理想的回热器，其热端声功与冷端声功之比正比于热端温度与冷端温度，利用这一原理，在脉管内适当位置增加声功放大器，将具有将冷端声功放大的作用，也即本发明的核心内容，这使得脉管热端惯性管可获得所需要的相位调节。 
附图说明
图1是带有声功放大器的单级脉管制冷机示意图，声功放大器位于脉管适当位置； 
图2(a)是带有声功放大器的两级热耦合型脉管制冷机示意图，一级和二 级均采用声功放大器； 
图2(b)是带有声功放大器的两级热耦合型脉管制冷机示意图，仅二级采用声功放大器； 
图3(a)是带有声功放大器的两级气耦合型脉管制冷机示意图，一级和二级均采用声功放大器； 
图3(b)是带有声功放大器的两级气耦合型脉管制冷机示意图，仅二级采用声功放大器； 
图中：C1：第一级线性压缩机  RG1：第一级回热器  PT1：第一级脉管  R1：第一级气库  I1：第一级惯性管(室温)  C2：第二级线性压缩机  RG21：第二级回热器预冷段RG22：第二级回热器工作段  PT2：第二级脉管  R2：第二级气库(室温)  I2：第二级惯性管(室温)  TB：热桥。 
具体实施方式
用于惯性管调相的声功放大器是：金属管内部填充回热材料，它位于距脉管热端X处，或在脉管内距热端X处填充长度为L的回热材料，X-L＞0。 
如图1所示，带有声功放大器的脉管制冷机包括一级压缩机C1、一级回热器RG1、一级脉管PT1、一级声功放大器A1、一级惯性管I1、一级气库R1，一级压缩机C1与一级回热器RG1热端相连，一级回热器RG1冷端与一级脉管PT1冷端相连，一级脉管PT1热端经一级惯性管I1与一级气库R1相连，一级声功放大器A1位于一级脉管PT1内距热端X处，一级声功放大器A1的长度为L，X-L＞0。 
如图2所示，带有声功放大器的脉管制冷机包括一级压缩机C1、一级回热器RG1、一级脉管PT1、一级声功放大器A1、一级惯性管I1、一级气库R1，二级压缩机C2、二级回热器预冷段RG21、二级回热器段RG22、二级脉管PT2、二级声功放大器A2、二级惯性管I2、二级气库R2，热桥TB，一级压缩机C1与一级回热器RG1热端相连，一级回热器RG1冷端与一级脉管PT1冷端相连，一级脉管PT1热端经一级惯性管I1与一级气库R1相连，一级声功放大器A1位于一级脉管PT1内距热端X处，一级声功放大器A1的长度为L，X-L＞0。二级压缩机C2与二级回热器预冷段RG21热端相连，二级回热器预冷段RG21冷端与二级回热器段RG22热端相连，二级回热器段RG22冷端与二级脉管PT2冷端相连，二级脉管PT2热端经二级惯性管I2与二级气库R2相连，二级声功放大器A2位于二级脉管PT2内距热端X处，二级声功放大器A2的长度为L，X-L＞0。二级回热器预冷段RG21冷端通过热桥TB与一级冷端相连。 
如图3所示，带有声功放大器的脉管制冷机包括一级脉管PT1、一级声功放大器A1、一级惯性管I1、一级气库R1，二级压缩机C2、二级回热器预冷段RG21、二级回热器段RG22、二级脉管PT2、二级声功放大器A2、二级惯性管I2、二级气库R2，热桥TB，一级脉管PT1冷端与二级回热器预冷段RG21冷端相通，一级脉管PT1热端经一级惯性管I1与一级气库R1相连，一级声功放大器A1位于一级脉管PT1内距热端X处，一级声功放大器A1的长度为L，X-L＞0。二级压缩机C2与二级回热器预冷段RG21热端相连，二级回热器预冷段RG21冷端与二级回热器段RG22热端相连，二级回热器段RG22冷端与二级脉管PT2冷端相连，二级脉管PT2热端经二级惯性管I2与二级气库R2相连，二级声功放大器A2位于二级脉管PT2内距热端X处，二级声功放大器A2的长度为L，X-L＞0。 
综上所述，本发明包含两大部分，第一部分是声功放大器，其特征是内部填充回热材料的金属管，它可以位于脉管内距热端X处，或在脉管内部内距热端X处填充长度为L的回热材料构成声功放大器，满足X-L＞0。第二部分是声功放大器可同时或分别用于单级和多级热耦合及气耦合脉管制冷机系统，声功放大器的长度L可根据具体要求自由选择。 
下面通过计算比较来说明带声功放大器的惯性管调相方式的优势：取三台35K两级高频脉管脉管制冷机，其中一台用常温惯性管调相，一台用低温惯性管调相，另一台用带声功放大器的常温惯性管调相，其中声功放大器置于脉管中部1/3处。假设其频率均为40HZ，充气压力1.25MP，热端绝热温度300K，气库无限大，冷端压比1.15。 
Figure GSB00000300936500051
由以上计算比较得知，增加声功放大器不仅可以大大增加脉管热端的声功，而且会降低压比，均有利于系统调相，同时避免了采用低温惯性管的复杂性。 

Claims (4)

1.一种用于惯性管调相的声功放大器，其特征在于：在脉管内距热端X处填充长度为L的回热材料，满足X-L＞0。
2.一种带有声功放大器的脉管制冷机，其特征在于包括一级压缩机(C1)、一级回热器(RG1)、一级脉管(PT1)、一级声功放大器(A1)、一级惯性管(I1)、一级气库(R1)，一级压缩机(C1)与一级回热器(RG1)热端相连，一级回热器(RG1)冷端与一级脉管(PT1)冷端相连，一级脉管(PT1)热端经一级惯性管(I1)与一级气库(R1)相连，一级声功放大器(A1)位于一级脉管(PT1)内距热端X处，一级声功放大器A1的长度为L，X-L＞0。
3.一种带有声功放大器的脉管制冷机，其特征在于包括一级压缩机(C1)、一级回热器(RG1)、一级脉管(PT1)、一级声功放大器(A1)、一级惯性管(I1)、一级气库(R1)，二级压缩机(C2)、二级回热器预冷段(RG21)、二级回热器段(RG22)、二级脉管(PT2)、二级声功放大器(A2)、二级惯性管(I2)、二级气库(R2)，热桥(TB)，一级压缩机(C1)与一级回热器(RG1)热端相连，一级回热器(RG1)冷端与一级脉管(PT1)冷端相连，一级脉管(PT1)热端经一级惯性管(I1)与一级气库(R1)相连，一级声功放大器(A1)位于一级脉管(PT1)内距热端X处，一级声功放大器(A1)的长度为L，X-L＞0，二级压缩机(C2)与二级回热器预冷段(RG21)热端相连，二级回热器预冷段(RG21)冷端与二级回热器段(RG22)热端相连，二级回热器段(RG22)冷端与二级脉管(PT2)冷端相连，二级脉管(PT2)热端经二级惯性管(I2)与二级气库(R2)相连，二级声功放大器(A2)位于二级脉管(PT2)内距热端X处，二级声功放大器(A2)的长度为L，X-L＞0，二级回热器预冷段(RG21)冷端通过热桥(TB)与一级冷端相连。
4.一种带有声功放大器的脉管制冷机，其特征在于包括一级脉管(PT1)、一级声功放大器(A1)、一级惯性管(I1)、一级气库(R1)，二级压缩机(C2)、二级回热器预冷段(RG21)、二级回热器段(RG22)、二级脉管(PT2)、二级声功放大器(A2)、二级惯性管(I2)、二级气库(R2)，热桥(TB)，一级脉管(PT1)冷端与二级回热器预冷段(RG21)冷端相通，一级脉管(PT1)热端经一级惯性管(I1)与一级气库(R1)相连，一级声功放大器(A1)位于一级脉管(PT1)内距热端X处，一级声功放大器(A1)的长度为L，X-L＞0，二级压缩机(C2)与二级回热器预冷段(RG21)热端相连，二级回热器预冷段(RG21)冷端与二级回热器段(RG22)热端相连，二级回热器段(RG22)冷端与二级脉管(PT2)冷端相连，二级脉管(PT2)热端经二级惯性管(I2)与二级气库(R2)相连，二级声功放大器(A2)位于二级脉管(PT2)内距热端X处，二级声功放大器(A2)的长度为L，X-L＞0。
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