CN103673370A - 气耦合型多级脉冲管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气耦合型多级脉冲管制冷机，包括：预冷级脉冲管制冷机、预冷级调相机构、低温级脉冲管制冷机和低温级调相机构；所述预冷级脉冲管制冷机与低温级脉冲管制冷机耦合连接，所述预冷级脉冲管制冷机包括：预冷级热端换热器，该预冷级热端换热器与所述预冷级调相机构连接，所述低温级脉冲管制冷机包括：低温级热端换热器，该低温级热端换热器与所述低温级调相机构连接。本发明提供的气耦合型多级脉冲管制冷机，可使减小制冷机体积，以及减小调节难度，使其最低温度达到10K以下温区。

Description

气耦合型多级脉冲管制冷机
技术领域
本发明涉及低温区制冷系统技术领域，特别涉及一种气耦合型多级脉冲管制冷机。
背景技术
目前，许多高精度的遥感设备都需要在极低温，即10K以下的温度范围工作。这些器件通常对振动和电磁干扰等特别敏感，因此，极低温区脉冲管制冷机成为首选方案，从目前研究结果看来，单级脉冲管制冷机最低制冷温度在20K左右，为了达到10K以下的低温，一般采用多级结构。在现有技术中采用热耦合方式的多级脉冲管制冷机结构，这种结构的缺点在于，系统中采用两个或更多个压缩机，压缩机的数目由制冷机的级数决定。这种结构导致两个明显的问题，其一，系统庞大，其二，调节难度加大，脉冲管制冷机有较复杂的调相机构，如果采用多级热耦合的方式，每一级都有调相机构，并且每级之间的调相机构相互影响，调节非常复杂，很难使系统达到最优状态，不能起到多级脉冲管制冷机应有的降温效果。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种气耦合型多级脉冲管制冷机，减小调节难度和制冷机体积，使其最低温度达到10K以下温区。
（二）技术方案
一种气耦合型多级脉冲管制冷机，包括：预冷级脉冲管制冷机、预冷级调相机构、低温级脉冲管制冷机和低温级调相机构；所述预冷级脉冲管制冷机与低温级脉冲管制冷机耦合连接，所述预冷级脉冲管制冷机包括：预冷级热端换热器，该预冷级热端换热器与所述预冷级调相机构连接，所述低温级脉冲管制冷机包括：低温级热端换热器，该低温级热端换热器与所述低温级调相机构连接。
其中，所述预冷级脉冲管制冷机还包括与热端换热器连接的一级蓄冷器和一级脉冲管，所述一级蓄冷器和一级脉冲管同轴布置或U型布置。
其中，所述低温级脉冲管制冷机还包括与低温级热端换热器依次连接的二级蓄冷器、二级脉冲管、多路旁通元件、三级蓄冷器、三级脉冲管和冷端换热器，其中二级蓄冷器和二级脉冲管以及三级蓄冷器和三级脉冲管均同轴布置。
其中，所述的多路旁通元件布置在二级脉冲管和三级蓄冷器之间，气体经过该多路旁通元件之后进行分流，一部分工质进入三级脉冲管，产生制冷效应；而另一部分工质进入三级蓄冷器，吸收三级蓄冷器中的冷量后再进入三级脉冲管。
其中，所述预冷级调相机构包括：与所述预冷级热端换热器依次连接的双向进气阀、预冷级惯性管和预冷级气库。
其中，所述低温级调相机构包括：与所述低温级热端换热器依次连接的低温级惯性管和低温级气库。
其中，所述多路旁通元件为小孔结构或阀门结构。
其中，所述一级蓄冷器、二级蓄冷器和三级蓄冷器，呈管状；其管壁为薄壁，由金属或非金属制成。
其中，所述一级脉冲管、二级脉冲管和三级脉冲管为薄壁管，由金属或非金属制成。
（三）有益效果
本发明提供的气耦合型多级脉冲管制冷机，可使减小制冷机体积，以及减小调节难度，使其最低温度达到10K以下温区。
附图说明
图1为本发明实施例一气耦合型多级脉冲管制冷机结构示意图；
图2为本发明实施例二气耦合型多级脉冲管制冷机结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种气耦合型多级脉冲管制冷机包括：预冷级脉冲管制冷机、预冷级调相机构、低温级脉冲管制冷机和低温级调相机构；所述预冷级脉冲管制冷机与低温级脉冲管制冷机耦合连接，所述预冷级脉冲管制冷机包括：预冷级热端换热器，该预冷级热端换热器与所述预冷级调相机构连接，所述低温级脉冲管制冷机包括：低温级热端换热器，该低温级热端换热器与所述低温级调相机构连接。所述预冷级脉冲管制冷机还包括与热端换热器连接的一级蓄冷器和一级脉冲管，所述一级蓄冷器和一级脉冲管同轴布置或U型布置。所述低温级脉冲管制冷机包括还与低温级热端换热器依次连接的二级蓄冷器、二级脉冲管、多路旁通元件、三级蓄冷器、三级脉冲管和冷端换热器，其中二级蓄冷器和二级脉冲管以及三级蓄冷器和三级脉冲管均同轴布置。所述的多路旁通元件布置在二级脉冲管和三级蓄冷器之间，气体经过该多路旁通元件之后进行分流，一部分工质进入三级脉冲管，产生制冷效应；而另一部分工质进入三级蓄冷器，吸收三级蓄冷器中的冷量后再进入三级脉冲管，产生制冷效应。所述预冷级调相机构包括：与所述预冷级热端换热器依次连接的与所述预冷级热端换热器依次连接的双向进气阀、预冷级惯性管和预冷级气库。所述低温级调相机构包括：与所述低温级热端换热器依次连接的低温级惯性管和低温级气库。所述多路旁通元件为小孔结构或阀门结构。所述一级蓄冷器、二级蓄冷器和三级蓄冷器，呈管状；其管壁为薄壁，由金属或非金属制成。所述一级脉冲管、二级脉冲管和三级脉冲管为薄壁管，由金属或非金属制成。
实施例1
如图1所示，本实施例的气耦合型多级脉冲管制冷机由预冷级脉冲管制冷机和低温级脉冲管制冷机耦合而成，其包括依次流体连通的压缩机110，预冷级热端换热器111，一级蓄冷器18，一级脉冲管19，低温级热端换热器17，二级蓄冷器15，二级脉冲管16，多路旁通元件14，三级蓄冷器12，三级脉冲管13和低温级冷端换热器11，另外，该气耦合多级多路旁通型脉冲管制冷机还设有与预冷级热端换热器111流体连通的双向进气阀112、预冷级惯性管113和预冷级气库114以及与低温级热端换热器17相连的低温级惯性管115和低温级气库116。在此实施例中，一级蓄冷器18和一级脉冲管19同轴布置，二级蓄冷器15和二级脉冲管16以及三级蓄冷器12和三级脉冲管13也同轴布置。在此实施例中，多路旁通元件14为小孔机构，其上设有不同直径或相同直径的小孔，小孔的直径和数量可根据制冷机内部的压力和流量分配。多路旁通元件采用阀门机构也是可行的，并且其可以由铜、不锈钢、聚四氟乙烯等材料制成。
在这里，预冷级热端换热器111是层流化元件，其作用是，使高温工质均匀进入一级蓄冷器，减少冷量损失。
在脉冲管制冷机中，工质流动为交变流动，在压力波和工质流之间存在一个相位角。为了调节压力波和质量流之间的相位，与热端换热器流体连通的惯性管和气库构成调相机构，使得脉冲管制冷机可以获得更好的制冷性能。另外，本领域技术人员应当理解，在本发明中，调相机构也可以为纯惯性管，或是惯性管、小孔和气库的组合。
在根据本发明的实施例中，为了获得想要的极低温度，预冷级脉冲管制冷机将进入低温级脉冲管制冷机的工质冷却到60K左右。当工质流动到多路旁通元件时，该工质分成两部分，其中一部分工质通过气耦合元件上的小孔直接进入三级级脉冲管113中，产生制冷效应，使多路旁通元件14处的温度降低到例如大约40K，而另一部分工质进入三级蓄冷器12并且吸收三级蓄冷器12中的冷量，温度进一步降低后，流过低温级冷端换热器11并进入三级脉冲管13，在三级脉冲管13中压缩膨胀产生制冷效应，从而低温级冷端换热器11的温度降低至大约10K。
实施例2
如图2所示，在本实施例与实施例1区别在于：一级蓄冷器28和一级脉冲管29布置成U形，二级蓄冷器25和二级脉冲管26以及三级蓄冷器22和三级脉冲管23布置成同轴型。在本实施例中，气耦合多级多路旁通型脉冲管制冷机包括依次流体连通的压缩机211，预冷级热端换热器210，一级蓄冷器28，一级脉冲管29，低温级热端换热器27，二级蓄冷器25，二级脉冲管26，多路旁通元件24，三级蓄冷器23，三级脉冲管22和低温级冷端换热器21。
在根据本发明的实施例中，为了获得想要的极低温度，预冷级脉冲管制冷机将进入低温级脉冲管制冷机的工质冷却到60K左右。当工质流动到气耦合元件时，该工质分成两部分，其中一部分工质通过多路旁通元件24上的小孔直接进入三级脉冲管23中，产生制冷效应，使多路旁通元件24处的温度降低到例如大约40K，而另一部分工质进入三级蓄冷器22并且吸收三级蓄冷器22中的冷量，温度进一步降低后，流过冷端换热器并进入三级脉冲管23，在三级脉冲管23中压缩膨胀产生制冷效应，从而使低温级冷端换热器21的温度降低至大约10K。
在本发明中，脉冲管和蓄冷器的直径和长度、以及蓄冷材料的选择可根据气耦合多级多路旁通型脉冲管制冷机的压力波幅值的大小发生变化。另外，所采用的制冷工质可以为无毒、无污染且不可燃的气体，包括但不限于氦气、氦气及其混合气体。
在上述实施例中，制冷系统为预冷级和低温级，而低温级包括两级脉冲管制冷机，因此，本制冷系统为三级脉冲管制冷机。本领域技术人员应该理解，根据实际需要，也可以采用三级以上的制冷。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种气耦合型多级脉冲管制冷机，其特征在于，包括：预冷级脉冲管制冷机、预冷级调相机构、低温级脉冲管制冷机和低温级调相机构；所述预冷级脉冲管制冷机与低温级脉冲管制冷机耦合连接，所述预冷级脉冲管制冷机包括：预冷级热端换热器，该预冷级热端换热器与所述预冷级调相机构连接，所述低温级脉冲管制冷机包括：低温级热端换热器，该低温级热端换热器与所述低温级调相机构连接。
2.如权利要求1所述的气耦合型多级脉冲管制冷机，其特征在于，所述预冷级脉冲管制冷机还包括与热端换热器连接的一级蓄冷器和一级脉冲管，所述一级蓄冷器和一级脉冲管同轴布置或U型布置。
3.如权利要求1所述的气耦合型多级脉冲管制冷机，其特征在于，所述低温级脉冲管制冷机还包括与低温级热端换热器依次连接的二级蓄冷器、二级脉冲管、多路旁通元件、三级蓄冷器、三级脉冲管和冷端换热器，其中二级蓄冷器和二级脉冲管以及三级蓄冷器和三级脉冲管均同轴布置。
4.如权利要求3所述的气耦合型多级脉冲管制冷机，其特征在于，所述的多路旁通元件布置在二级脉冲管和三级蓄冷器之间，气体经过该多路旁通元件之后进行分流，一部分工质进入三级脉冲管，产生制冷效应；而另一部分工质进入三级蓄冷器，吸收三级蓄冷器中的冷量后再进入三级脉冲管。
5.如权利要求1所述的气耦合型多级脉冲管制冷机，其特征在于，所述预冷级调相机构包括：与所述预冷级热端换热器依次连接的与所述预冷级热端换热器依次连接的双向进气阀、预冷级惯性管和预冷级气库。
6.如权利要求1所述气耦合型多级脉冲管制冷机，其特征在于，所述低温级调相机构包括：与所述低温级热端换热器依次连接的低温级惯性管和低温级气库。
7.如权利要求3或4所述气耦合型多级脉冲管制冷机，其特征在于，所述多路旁通元件为小孔结构或阀门结构。
8.如权利要求2、3或4所述气耦合型多级脉冲管制冷机，其特征在于，所述一级蓄冷器、二级蓄冷器和三级蓄冷器，呈管状；其管壁为薄壁，由金属或非金属制成。
9.如权利要求2、3或4所述气耦合型多级脉冲管制冷机，其特征在于，所述一级脉冲管、二级脉冲管和三级脉冲管为薄壁管，由金属或非金属制成。
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