CN105042923A - 带有狭缝式脉管装置的脉管制冷机脉管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有狭缝式脉管装置的脉管制冷机脉管，在脉管内部增加一段狭缝装置，狭缝装置为一段与脉管同心的薄壁圆管，狭缝装置内部由不同结构的分隔板分割成数个气流通道，分隔板布置方向与气流方向平行。进入脉管气体，经狭缝装置引流使得脉管内部气体流动状态更加均匀；工作气体均匀的运动状态，在一定程度上减少了脉管内附加流动，降低脉管损失；脉管内狭缝存在一定阻力，使脉管内部节流降压作用增强，增加了系统制冷效率；狭缝装置由不同形状圆板或者分隔板组成，可改变常规脉管空心圆管的机构，设计人员可根据具体情况优化布局；一定程度改善脉管冷端质量流和压力波相位关系，增加制冷量，提高制冷机效率。

Description

带有狭缝式脉管装置的脉管制冷机脉管

技术领域

本发明涉及一种制冷设备，特别涉及一种带有狭缝式脉管装置的脉管制冷机脉管。

背景技术

航空航天、太空探测、红外、原子能、超导等技术的迅速发展，推动低温制冷技术的不断发展与进步。脉管制冷机作为低温技术的重要分支，因其冷端无运动部件，结构简单、冷头振动小、可靠性高，在低温制冷领域具有显著的优越性。脉管作为脉管制冷机的重要组成部分，其作用是将冷端PV功尽可能无损耗的传输到脉管热端，并在热端耗散。由于回热器损失占整个系统损失的一半以上，目前多数研究都集中在回热器和调相机构上，脉管损失往往被忽略，然而和制冷量相比，脉管损失实际上并不少。特别在深低温区，脉管损失不容忽视，减小脉管损失尤为重要。

脉管为一圆形空管，位于回热器和调相结构之间，脉管损失可以分为传热损失和流动损失两部分。脉管热损失主要包括传热损失、轴向导热损失，流动损失是由于高频下管内气体的非理想流动而造成的。通过理论分析，脉管中的气体可以假设成三个部分，一部分在冷端进出回热器，一部分在热端进出气库，中间部分气体始终处于脉管中间，成为气体活塞。气体活塞位于脉管中间位置，占脉管体积三分之一左右，并在冷端和热端之间进行往复运动，其与脉管壁存在温差，形成热损失。如果管内流动均匀，热损失通常发生在边界层内；如果管内流动不均匀，形成湍流微团，则热损失增大。气体活塞和脉管管壁之间存在泵气损失，调整脉管长径比可以减小边界层厚度，进而减小泵气损失。脉管内的自然对流、二次流等附加流动等在高频运行下的湍流流动，使得脉管中部气体存在温度分布不均匀性，造成流体间的冷热混合损失，因此，脉管中气体层流状态可以减小此损失，提高脉管效率。

目前，在脉管优化的方面，主要采用在脉管内增添导流丝网的方法以改变脉管内部气体流态，然而导流丝网由于孔隙率影响，一定程度上增加了流动阻力，增加了脉管损失。在深低温区时，脉管的损失严重消弱了制冷性能，通过改变脉管结构对其进行优化改进其流动状态，提高脉管膨胀效率对冷端制冷量十分重要。

发明内容

本发明是针对脉管制冷机中脉管损失的问题，提出了一种带有狭缝式脉管装置的脉管制冷机脉管，特别是涉及脉管结构优化以提高脉管内部气流层流状态，改善脉管内部气流状态。在原有脉管制冷系统基础上的改进，改善气流状态，减小脉管内部流动及传热损失，提高脉管传输效率，且内部狭缝装置可依据设计进行结构变化，尤其适用于深低温制冷及脉管尺寸较大的工况。

本发明的技术方案为：一种带有狭缝式脉管装置的脉管制冷机脉管，在脉管内部嵌入一段狭缝装置，狭缝装置为一段与脉管同心的薄壁圆管，狭缝装置内部由不同结构的分隔板分割成数个气流通道，分隔板布置方向与气流方向平行。

所述狭缝装置内部结构为被3块分隔板均分为中心对称3个相同的气流通道。

所述狭缝装置内部结构为与薄壁圆管同心的圆筒形分隔板，同心圆管通过金属丝或法兰连接至脉管内部管壁，狭缝装置与脉管同心布置，将脉管内部分为两个平行通道。

所述狭缝装置内部结构为用4个相同的半圆弧分隔板将管内分成5个气流通道。

本发明的有益效果在于：本发明带有狭缝式脉管装置的脉管制冷机脉管，进入脉管气体，经狭缝装置引流使得脉管内部气体流动状态更加均匀；工作气体均匀的运动状态，在一定程度上减少了脉管内附加流动，降低脉管损失；脉管内狭缝存在一定阻力，使脉管内部节流降压作用增强，增加了系统制冷效率；狭缝装置由不同形状圆板或者分隔板组成，可改变常规脉管空心圆管的机构，可根据工程及空间利用情况，设计人员可根据具体情况优化布局；一定程度改善脉管冷端质量流和压力波相位关系，增加制冷量，提高制冷机效率。

附图说明

图1为本发明带有狭缝式脉管装置的脉管制冷机结构示意图；

图2为本发明狭缝式脉管结构示意图；

图3为本发明衍化的一种脉管内部狭缝结构剖面图；

图4为本发明衍化的另一种脉管内部狭缝结构剖面图。

具体实施方式

如图1所示带有狭缝式脉管的脉管制冷机脉管结构示意图，常规脉管制冷机包括PV功输入1、连接管2、热端换热器3、回热器4、冷端换热器5、脉管6、狭缝结构7、脉管热端换热器8、惯性管9、气库10。

本发明是在常规脉管制冷装置上的改进，本发明的主要有别于常规脉管系统的部件为增加了脉管内部狭缝装置7，狭缝装置7设计成不同长度及内径的同心薄壁圆管，同心圆管通过金属丝或法兰等结构连接至脉管内部管壁，狭缝装置7与脉管6同心布置，将脉管内部分为两个平行通道，如图2所示狭缝式脉管结构示意图，狭缝装置7位于脉管6内部中间某一位置，所述的狭缝装置7可经支架嵌入脉管可中；运行过程中，脉管作为中空不锈钢圆管，并非完全绝热；在脉管中部增加了狭缝装置之后，内部气体流态更加接近层流流动，PV功损耗减小，提高脉管效率。狭缝装置7也可设计成其他结构，如图3、4所示脉管内部狭缝结构剖面图，图3中在狭缝装置的壁圆管内部中心对称被分隔板均分为3个相同的气流通道，图4中在狭缝装置的壁圆管内部用4个相同的半圆弧分隔板将管内分成5个气流通道，在不同的脉管尺寸时分别采用图3或图4的结构将脉管依据设计要求进行流道划分，特别是将大尺寸脉管内部流道划分可以更好的整合内部流体，也可根据需要设计成内部不同的类似整流装置。

狭缝装置为一段与脉管6同心的薄壁圆管，内部由不同结构的分隔板分割成数个气流通道，分隔板之间依据一定组合方式排列，分隔板布置方向与气流方向平行，不同组合方式均对气流起到引流作用；根据设计需要可以适当改变狭缝结构的长度及分隔板数量；所述狭缝结构是在常规脉管基础上进行优化，尤其在常规设计中脉管尺寸较大引起的脉管内部气流扰动较大的情况。

脉管制冷机回热器冷端5低温气体从回热器冷端5进入脉管6，经由脉管内部狭缝装置7进入脉管热端8；狭缝装置7嵌入脉管内壁；运行过程中，脉管6作为中空不锈钢圆管，并非完全绝热；在脉管6中部增加了狭缝装置7之后，内部气体流态更加接近层流流动，PV功损耗减小，提高脉管效率。

本发明亦可设计成不同结构11、12及尺寸的脉管狭缝结构，其结构中挡板应该平行于气体流动方向，以免产生脉管内部气流扰动。

本发明改变脉管中空的常规设计方法，增加狭缝装置；提高脉管效率，进而提高整机效率；在脉管制冷机脉管直径较大时，表现尤为明显。

Claims (4)

1.一种带有狭缝式脉管装置的脉管制冷机脉管，其特征在于，在脉管（6）内部嵌入一段狭缝装置（7），狭缝装置（7）为一段与脉管（6）同心的薄壁圆管，狭缝装置（7）内部由不同结构的分隔板分割成数个气流通道，分隔板布置方向与气流方向平行。

2.根据权利要求1所述带有狭缝式脉管装置的脉管制冷机脉管，其特征在于，所述狭缝装置（7）内部结构为被3块分隔板均分为中心对称3个相同的气流通道。

3.根据权利要求1所述带有狭缝式脉管装置的脉管制冷机脉管，其特征在于，所述狭缝装置（7）内部结构为与薄壁圆管同心的圆筒形分隔板，同心圆管通过金属丝或法兰连接至脉管内部管壁，狭缝装置（7）与脉管（6）同心布置，将脉管内部分为两个平行通道。

4.根据权利要求1所述带有狭缝式脉管装置的脉管制冷机脉管，其特征在于，所述狭缝装置（7）内部结构为用4个相同的半圆弧分隔板将管内分成5个气流通道。