CN101806512B - 基于光纤技术的微型脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤技术的微型脉管制冷机。它包括压力波发生器、回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器、惯性管、气库、第二进气管；压力波发生器与回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器、惯性管、气库依次相连，在回热器热端换热器进气口与脉管热端换热器之间设有第二进气管，第二进气管与惯性管和气库构成制冷机的双向进气调相机构。本发明实现整体系统的微型化，弥补了传统金属材料在微加工方面的困难。本发明能提高系统运行的稳定性，解决了密封、磨损等带来的问题。同时，制冷机中的各关键部件采用的都是电绝缘材料，可以极大地减少制冷机本身产生的电磁干扰。

Description

基于光纤技术的微型脉管制冷机

技术领域

本发明涉及制冷机，尤其涉及一种基于光纤技术的微型脉管制冷机。

背景技术

脉管制冷机由于去除了低温运动部件——排出器，从而避免了低温下的滑动密封、机械磨损等问题，可望真正成为低成本、低振动、运行稳定可靠的长寿命低温制冷机。特别是随着小孔和气库、双向进气等调相结构的提出和成功运用，脉管制冷机制冷温度不断降低，制冷量和制冷效率也大幅提高，已经接近甚至在某些工况下超过传统的回热式低温制冷机(如：G-M制冷机、Stirling制冷机等)，已在超导器件和红外设备的冷却，以及低温流体的液化等方面得以实际应用。然而，对于那些对空间尺寸有严格限制的场合，则必须解决其小型化乃至微型化问题，对系统结构提出了极大的挑战。譬如航天器红外探测装置、卫星电子器件冷却等，由于被冷却器件本身就非常小，甚至小至厘米量级以下，显然在制冷机尺度的要求方面就会非常严格，至少也要在厘米以下量级。传统的脉管制冷机多采用金属材料制成，包括回热器和脉管采用不锈钢管，回热器材料则采用金属丝网或者金属小球，其他如阀门、换热器或者连接管道也多采用不锈钢或者铜制部件。这些材料在传热、力学等性能方面都具有非常优良的特性，但是对于微型脉管系统，它们都需要进行在尺度上的微型化，这给加工带来了极大的困难，虽然近年来发展了一些诸如光刻、化学腐蚀、镀膜等技术，但是在成本、成品率和维修性等方面都还存在很多困难。多孔光纤技术是近年来发展起来的新技术，在光电信息领域具有很大的应用潜力而受到极大关注，该领域所利用的则是该种新型光纤对于光电信号的传播特性。实际上，某些类型的多孔光纤和空心光纤本身就是一根多孔或者单孔毛细管，如果把它们的这一特性用于脉管制冷机中，来替代传统脉管制冷机所采用的金属管件，就可以实现这些器件的微型化，进而构成微型脉管制冷机系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于光纤技术的微型脉管制冷机。

基于光纤技术的微型脉管制冷机包括压力波发生器、回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器、惯性管、气库、第二进气管；压力波发生器与回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器、惯性管、气库依次相连，在回热器热端换热器进气口与脉管热端换热器之间设有第二进气管，第二进气管与惯性管和气库构成制冷机的双向进气调相机构。

所述的回热器是一段多孔光纤。所述的脉管、惯性管和第二进气管是一段空心光纤。所述的压力波发生器是压电式声波发生器。

本发明采用多孔光纤制成回热器，空心光纤制成脉管，以及更小直径的空心光纤代替常规的毛细管作为双向进气和惯性管，从而实现整体系统的微型化，弥补了传统金属材料在微加工方面的困难。此外，本发明中的压力波发生器采用压电式声波发生器替代传统的活塞式压缩机，能提高系统运行的稳定性，解决了密封、磨损等带来的问题。同时，制冷机中的各关键部件采用的都是电绝缘材料，可以极大地减少制冷机本身产生的电磁干扰。

附图说明

图1是基于光纤技术的微型脉管制冷机结构示意图；

图2是本发明的多孔光纤截面示意图；

图3是本发明的空心光纤截面示意图。

图中：压力波发生器1、回热器热端换热器2、回热器3、冷端换热器4、脉管5、脉管热端换热器6、惯性管7、气库8、第二进气管9。

具体实施方式

如图1～3所示，基于光纤技术的微型脉管制冷机包括压力波发生器1、回热器热端换热器2、回热器3、冷端换热器4、脉管5、脉管热端换热器6、惯性管7、气库8、第二进气管9；压力波发生器1与回热器热端换热器2、回热器3、冷端换热器4、脉管5、脉管热端换热器6、惯性管7、气库8依次相连，在回热器热端换热器2进气口与脉管热端换热器6之间设有第二进气管9，第二进气管9与惯性管7和气库8构成制冷机的双向进气调相机构。

所述的回热器3是一段多孔光纤。利用其孔径为1μm～100μm的空孔做为回热器流道，起到强化换热与减小压降的作用。同时增大了气体换热的比表面积，从而减小回热器尺寸，使得装置微型化。

所述的脉管5、惯性管7和第二进气管9是一段空心光纤。所述的空心光纤属于中空薄壁的光纤，其中包含有一个通道，可供流体通过；而所述的多孔光纤则在一根光纤内包含有多个按照一定规律布置的通道，即由多个平行通道构成的多孔结构，或者可被视为一组管束。在结构尺寸方面，构成回热器3的多孔光纤和构成脉管5的空心光纤在直径上处于相当量级，而构成第二进气管9和惯性管7的空心光纤则比构成脉管5的空心光纤在直径上小一个数量级。其中，第二进气管9和惯性管7及气库8共同构成系统的双向进气调相机构。

此外，所述的压力波发生器1是压电式声波发生器。

本发明的工作过程如下：

基于光纤技术的微型脉管制冷机运行时，以压电式压力波发生器产生的压力波作为驱动源，在高频交变的压缩、膨胀过程中实现制冷效应。具体来讲，在压缩过程阶段，来自压力波发生器的高压气体在回热器进气口分流，一部分流经回热器热端换热器、回热器被预冷，然后通过冷端换热器进入脉管冷端，另一部分流经第二进气管流向脉管一侧，其中部分经脉管热端换热器进入脉管，推移脉管中的气体活塞向冷端方向移动，脉管内工质被压缩，压缩热由脉管热端换热器带出系统。在膨胀过程阶段，回热器进气口处于低压，脉管中工质因膨胀实现降温，脉管冷端的工质将冷量传递给冷端换热器后，从回热器冷端向热端流动，回热器中的填料被冷流体冷却(为下一压缩过程储备冷量)；而脉管内的高温端部分工质经脉管热端换热器和第二进气管回到压力波发生器。在此过程中，惯性管和气库会根据第二进气和脉管之间的气体流动情况，参与系统内的气量和相位的调节。如此周而复始，冷端温度逐渐下降，直到达到平衡状态。

与传统的小孔型脉管或惯性管型相比，本发明中的第二进气管旁通了部分流经回热器的工质，减小了回热器流动损失，于是回热器效率得以提高。由焓流调相理论可知，脉管制冷机的理论制冷量等于流经脉管的焓流，而当脉管中速度波与压力波同相时，脉管内的焓流最大，也即理论制冷量将会最大。在小孔型结构运行模式下，脉管内的压力波总是滞后于质量波，而流经第二进气管进入脉管热端的质量流，能够促使在脉管的冷端实现压力波与速度波同相，甚至于压力波超前于速度波，从而能提供合适的压力波与速度波相位关系，实现高效的脉管制冷过程。同时，由第二进气流向脉管热端的质量流还可起到强化脉管内工质压缩膨胀过程的作用，从而提高其制冷性能。本发明中采用了惯性管-气库结构代替传统的小孔-气库结构。与小孔相比，惯性管除了具有阻力元件特性外，还同时具有感抗的调节能力，大大增强了其调相能力，于是可以缩小气库的体积，有助于整体系统实现微型化。

在本发明中，通过实验优化作为第二进气和惯性管的光纤的流阻特性，确定其长度和直径，在运行过程中无需再对第二进气和惯性管做任何调节，而且，由于结构的确定性，使得系统的运行更加稳定。

Claims (2)

1.一种基于光纤技术的微型脉管制冷机，其特征在于包括压力波发生器(1)、回热器热端换热器(2)、回热器(3)、冷端换热器(4)、脉管(5)、脉管热端换热器(6)、惯性管(7)、气库(8)、第二进气管(9)；压力波发生器(1)与回热器热端换热器(2)、回热器(3)、冷端换热器(4)、脉管(5)、脉管热端换热器(6)、惯性管(7)、气库(8)依次相连，在回热器热端换热器(2)进气口与脉管热端换热器(6)之间设有第二进气管(9)，第二进气管(9)与惯性管(7)和气库(8)构成制冷机的双向进气调相机构；所述的回热器(3)是一段多孔光纤；所述的脉管(5)、惯性管(7)和第二进气管(9)是一段空心光纤。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤技术的微型脉管制冷机，其特征在于，所述的压力波发生器(1)是压电式声波发生器。

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