CN104807233A - 一种气耦合型高频脉冲管制冷机 - Google Patents

一种气耦合型高频脉冲管制冷机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及低温技术领域，公开了一种气耦合型高频脉冲管制冷机，其包括第一蓄冷器、第一脉冲管、冷端过渡段、第二蓄冷器、第二脉冲管、线性压缩机、第一热端调相装置、第二热端调相装置和双向进气装置；所述第一脉冲管同轴设置在第一蓄冷器中；第二蓄冷器的热端耦合在第一蓄冷器的冷端，所述冷端过渡段一端与第二蓄冷器的冷端连接，其另一端与第二脉冲管连接，所述第二脉冲管的另一端延伸到室温端；所述线性压缩机的出口与第一蓄冷器和第二脉冲管相连；所述第一热端调相装置与所述第一脉冲管连接，所述第二热端调相装置与所述第二脉冲管连接。本发明结构简单，易于与负载耦合，且能够获得更低的制冷温度。

Description

一种气耦合型高频脉冲管制冷机
技术领域
本发明涉及低温技术领域，特别是涉及一种气耦合型高频脉冲管制冷机。
背景技术
脉冲管制冷机按照蓄冷器和脉冲管的布置方式可分为直线型，同轴型和U型三大种类，直线型布置脉冲管和蓄冷器处于一条直线上，最大限度的降低了工质的流动阻力，制冷效率最高，但是结构尺寸较大，冷头处于中间部位，不利于与器件耦合；同轴型脉冲管处于蓄冷器里边，工质在冷头需要转180°，流动阻力大，效率三者里最低，但是结构最为紧凑，易于与器件耦合；U型布置脉冲管和蓄冷器并列，效率处于上述两者之间。
高频脉冲管制冷机可以分为单级结构和多级结构，单级结构只需要一个线性压缩机驱动，一套调相系统，系统简单，结构紧凑，但单级结构不易获得深低温，目前单级结构所能获得的无负荷最低温度为14K，在小于300W输入电功下，单级结构的高频脉冲管制冷机能够提供的制冷量约为0.2-0.6W/35K；多级结构，比如二级结构，相对于单级结构，机械结构较为复杂，但更易获得深低温，目前，二级结构的无负荷最低温度为12.8K，所报道的无负荷最低温度为四级结构的3.8K。为了获得10K以下的深低温，通常采用多级结构。多级结构可以分为热耦合和气耦合两种形式：热耦合一般需要多台压缩机驱动，结构复杂，若使用单台压缩机驱动，则存在着压缩机出口气量分配的问题，另外，级间的热耦合关系是通过热桥的热量传递而建立的，低温热桥的热传导存在温差，也存在着不可逆损失；气耦合，通常使用一个压缩机驱动，结构较为简单，但是系统内的气量分配需要精心的优化。
对于多级结构，比如二级结构，通常把二级的调相机构置于一级冷头处，一方面，这种结构将双向进气、长径管气库等调相装置置于冷端，相位的调节与实验优化过程存在一定的难度；另一方面，通过一级蓄冷器以及二级蓄冷器后，工质气体的压力波动大幅度衰减，冷端脉冲管内会出现压力比不足的情况，致使二级的制冷性能受到影响。
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如何在单级制冷机的基础上进一步获得更低的制冷温度，同时又保持单级结构系统简单、易于与负载耦合和便于调节优化的特点。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种气耦合型高频脉冲管制冷机，其包括第一蓄冷器、第一脉冲管、第二蓄冷器、冷端过渡段、第二脉冲管、线性压缩机、第一热端调相装置、第二热端调相装置和双向进气装置；所述第一脉冲管同轴设置在所述第一蓄冷器中；所述第二蓄冷器的热端耦合在所述第一蓄冷器的冷端，所述冷端过渡段的一端与第二蓄冷器的冷端连接，其另一端与第二脉冲管的一端连接，所述第二脉冲管的另一端延伸到室温端；所述线性压缩机的出口通过管路与所述第一蓄冷器连接，所述线性压缩机的出口通过所述双向进气装置与所述第二脉冲管相连；所述第一热端调相装置与所述第一脉冲管连接，所述第二热端调相装置与所述第二脉冲管连接。
其中，还可以包括传冷结构，所述传冷结构的一端与所述第一蓄冷器或第二蓄冷器的外壁连接，所述传冷结构的另一端与所述第二脉冲管的外壁连接。
优选地，所述传冷结构为热桥。
其中，所述双向进气装置可以为喷嘴、针阀、毛细管或小孔中的一种或多种的组合。
其中，所述第一热端调相装置和第二热端调相装置可以为多路旁通、双向进气阀、小孔阀、长颈管、气库或主动活塞中的一种或多种的组合。
其中，所述第一蓄冷器和与其同轴设置的第一脉冲管可以为变截面型结构。
其中，所述第一蓄冷器内可以设有一路旁通或多路旁通；所述第一蓄冷器的下端可以设有与所述线性压缩机的出口连通的双向进气阀。
其中，所述第一蓄冷器的冷端与第二蓄冷器的热端之间可以设有小孔、毛细管或阀门元件。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种气耦合型高频脉冲管制冷机，其包括第一蓄冷器、第一脉冲管、冷端过渡段、第二蓄冷器、第二脉冲管、线性压缩机、第一热端调相装置、第二热端调相装置和双向进气装置；采用第一脉冲管与第一蓄冷器同轴设置；所述第二蓄冷器的热端耦合在所述第一蓄冷器的冷端，所述冷端过渡段的一端与第二蓄冷器的冷端连接，其另一端与第二脉冲管的一端连接，第二脉冲管的另一端延伸到室温端；所述第二脉冲管通过所述冷端过渡段布设在所述第一蓄冷器和第二蓄冷器的一侧，整体形成U型结构，所述第二脉冲管用于将所述第二蓄冷器的冷端延伸到室温端，便于与负载耦合，所述第二热端调相装置与所述第二脉冲管连接，从而达到易于调节、便于实验优化的目的；所述线性压缩机的出口通过管路与所述第一蓄冷器连接，所述线性压缩机的出口通过所述双向进气装置与所述第二脉冲管相连，整机只使用一个线性压缩机驱动，结构简单；采用双向进气装置来调节相位，直接从线性压缩机的出口引入一股气流进第二脉冲管，能够有效的提高制冷机冷端压比，提高制冷性能，便于获得深低温的目的。
附图说明
图1为本发明实施例1的气耦合型高频脉冲管制冷机的结构示意图；
图2为本发明实施例2的气耦合型高频脉冲管制冷机的结构示意图；
图3为本发明实施例3的气耦合型高频脉冲管制冷机的结构示意图；
图4为本发明实施例4的气耦合型高频脉冲管制冷机的结构示意图。
图中：1：线性压缩机；2、2a、2b：第一蓄冷器；3、3a、3b：第一脉冲管；4：第一热端调相装置；5：第二蓄冷器；6：第二脉冲管；61；冷端过渡段；7：双向进气装置；8：第二热端调相装置；9、9a、9b：传冷结构；10：双向进气阀；11：多路旁通。
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。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。
实施例1
如图1所示，为本发明提供的一种气耦合型高频脉冲管制冷机，其包括第一蓄冷器2、第一脉冲管3、冷端过渡段61、第二蓄冷器5、第二脉冲管6、线性压缩机1、第一热端调相装置4、第二热端调相装置8和双向进气装置7；所述第一脉冲管3同轴设置在所述第一蓄冷器2中，两者配合连接，结构紧凑；所述第二蓄冷器5的热端气耦合在所述第一蓄冷器2的冷端，图1中所示，所述第一蓄冷器2的上端为冷端，下端为热端，所述冷端过渡段61的一端与所述第二蓄冷器5的冷端连接，其另一端与第二脉冲管的一端连接，所述第二脉冲管6布设在所述第一蓄冷器2和第二蓄冷器5的一侧，整体形成类U型结构，使得第二蓄冷器5的冷端仍处于制冷机的末端，易于与负载耦合，所述第二脉冲管6的另一端用于将所述第二蓄冷器5的冷端延伸到室温端，所述第二热端调相装置8与所述第二脉冲管6连接，从而第二热端调相装置8也处于室温端，从而达到易于调节、便于实验优化的目的；所述线性压缩机1的出口通过管路与所述第一蓄冷器2连接，所述线性压缩机1的出口通过所述双向进气装置7与所述第二脉冲管6相连，在线性压缩机1的出口处直接通过双向进气装置7引入一股气流进入第二脉冲管6，其优点是可以增加第二脉冲管6内的压力波动，从而可以提高第二蓄冷器5的制冷性能，便于获得深低温；相应地，所述第一热端调相装置4与所述第一脉冲管3连接。
本发明气体流动过程为：从线性压缩机1出来的气体工质一部分流入第一蓄冷器2，另一部分通过双向进气装置7流入第二蓄冷器5的第二脉冲管6，流入第一蓄冷器2的气体工质一部分依次通过第一蓄冷器2、第一脉冲管3流入第一热端调相装置4；另外一部分气体工质流经第一蓄冷器2后，依次流经第二蓄冷器5、第二脉冲管6进入第二热端调相装置8。
其中，所述双向进气装置7可以为喷嘴、针阀、毛细管或小孔中的一种或多种的组合。
其中，所述第一热端调相装置4和第二热端调相装置8可以为多路旁通11、双向进气阀10、小孔阀、长颈管、气库或主动活塞中的一种或多种的组合，以便于进行调相。
实施例2
如图2所示，实施例2与实施例1的区别在于：本实施例2还包括传冷结构9，所述传冷结构9的一端与所述第一蓄冷器2或第二蓄冷器5的外壁连接，所述传冷结构9的另一端与所述第二脉冲管6的外壁连接；可以利用第一蓄冷器2的外壁或者第二蓄冷器5的外壁的部分冷量通过传冷结构9传递给第二脉冲管6以冷却所述第二脉冲管6；所述传冷结构9可以设置多个，如图3中9a和9b。
优选地，所述传冷结构9为热桥。
实施例3
如图3所示，本实施例3与实施例2的区别在于，本实施例3中所述第一蓄冷器和与其同轴设置的第一脉冲管为变截面型结构，即所述第一蓄冷器和第一脉冲管为多级结构，如图3中所示的第一蓄冷器2a、2b和第一脉冲管3a、3b。
其中，所述第一蓄冷器的下端可以设有与所述线性压缩机1的出口连通的双向进气阀10；来进行进气气量与相位的分配调节。
另外，所述第一蓄冷器的冷端与第二蓄冷器的热端之间可以设有小孔、毛细管或阀门元件(图中未示出)，进行气量分配。
实施例4
如图4所示，本实施例4与实施例3的区别在于，本实施例4中，所述第一蓄冷器2a、2b内还设有一路旁通或多路旁通11；来进行进气气量调节。
由以上实施例可以看出，本发明结构简单、易于与负载耦合、便于调节优化，能够获得更低的制冷温度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种气耦合型高频脉冲管制冷机，其特征在于，包括第一蓄冷器、第一脉冲管、第二蓄冷器、冷端过渡段、第二脉冲管、线性压缩机、第一热端调相装置、第二热端调相装置和双向进气装置；所述第一脉冲管同轴设置在所述第一蓄冷器中；所述第二蓄冷器的热端耦合在所述第一蓄冷器的冷端，所述冷端过渡段的一端与第二蓄冷器的冷端连接，其另一端与第二脉冲管的一端连接，所述第二脉冲管的另一端延伸到室温端；所述线性压缩机的出口通过管路与所述第一蓄冷器连接，所述线性压缩机的出口通过所述双向进气装置与所述第二脉冲管相连；所述第一热端调相装置与所述第一脉冲管连接，所述第二热端调相装置与所述第二脉冲管连接。
2.如权利要求1所述的气耦合型高频脉冲管制冷机，其特征在于，还包括传冷结构，所述传冷结构的一端与所述第一蓄冷器或第二蓄冷器的外壁连接，所述传冷结构的另一端与所述第二脉冲管的外壁连接。
3.如权利要求2所述的气耦合型高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述传冷结构为热桥。
4.如权利要求1所述的气耦合型高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述双向进气装置为喷嘴、针阀、毛细管或小孔中的一种或多种的组合。
5.如权利要求1所述的气耦合型高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述第一热端调相装置和第二热端调相装置为多路旁通、双向进气阀、小孔阀、长颈管、气库或主动活塞中的一种或多种的组合。
6.如权利要求1所述的气耦合型高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述第一蓄冷器和与其同轴设置的第一脉冲管为变截面型结构。
7.如权利要求1所述的气耦合型高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述第一蓄冷器内设有一路旁通或多路旁通；所述第一蓄冷器的下端设有与所述线性压缩机的出口连通的双向进气阀。
8.如权利要求1所述的气耦合型高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述第一蓄冷器的冷端与第二蓄冷器的热端之间设有小孔、毛细管或阀门元件。
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