CN105115182A - 采用环形脉管结构的单级同轴脉管制冷装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用环形脉管结构的单级同轴脉管制冷装置及其设计方法，装置包括热端换热器，冷端换热器，外部的环形脉管及与其内同轴的圆筒形回热器等。本发明采用环形脉管结构，通过其狭缝结构，减少了脉管内交变流工作气体的环流等恶化脉管性能的现象，可提高了脉管性能乃至整机性能；可将冷指设计为环形凹槽或凸台结构，更有利于与需冷设备的耦合，缩短制冷时间，提高制冷效率；降低整机设备的制作工艺难度，提高生产效率，降低设计及加工成本。

Description

采用环形脉管结构的单级同轴脉管制冷装置及其设计方法

技术领域

本发明涉及单级脉管低温制冷领域，特别涉及一种脉管采用环形结构的脉管制冷装置。

背景技术

因冷端无运动部件，经多年的发展，脉管制冷机以其机械振动小，结构紧凑简单，运行寿命长，可靠性高等诸多优点，在军事、航空航天、医药、生物技术、超导技术、移动通讯、农业、交通等诸多领域得以广泛应用。

根据回热器和脉管的布置位置的不同，可以将单级脉管制冷机结构分为三种类型，即直线型单级脉管制冷机，如图1所示，U型单级脉管制冷机，如图2所示，同轴型脉管制冷机，脉管位于同轴的回热器内，如图3所示。直线型布置的脉管制冷机，因工作气体直线流动而不折返现象，效率最高，但冷指置于制冷机的中部，不利于与其他器械的耦合；U型布置的单级脉管制冷机，回热器与脉管之间无直接接触，减少了径向导热损失，较之直线型脉管制冷机在一定程度上改善空间布局的限制，但结构不够紧凑，与其他设备耦合时存在一定局限；同轴型脉管制冷机虽存在气流有较大折弯等问题，但其结构紧凑，冷指易于其他器械相耦合，即便冷指面积不大，但适用于对空间有着特殊需求的场所。

图3给出了常规同轴型单级脉管制冷机结构示意图。压缩机1压缩后的工作气体经连接管2进入热端换热器3.3冷却，然后进入环形回热器4.3。回热器4.3内填充环形丝网4.3.2。环形丝网4.3.2需根据设计的回热器尺寸、横截面积等进行设计加工，并经特殊工艺填充入回热器内。事实上，回热器环形丝网的填充工艺对回热器的性能影响很大，工作气体在回热器内经过了一系列的状态参数改变，然后进入冷端换热器5.3，经换热器5.3换热和导流后，进入脉管6.3。冷指在换热器5.3处往往设计成一个触点，通过与其他设备的耦合，冷量被传导出，冷指制冷面积偏小，且在中心位置，在与其他设备耦合时需要特殊设计。图4给出了常规单级同轴脉管制冷机回热器和脉管相对位置的结构剖面图。流经回热器的工作气体，经过180°的折流后进入脉管，虽经导流器导流，易在脉管内形成环流，恶化制冷机性能。目前有报道在脉管内增设导流装置，或将脉管做成同轴管套结构以改善脉管内工作气体的环流现象。

发明内容

鉴于上述已有技术及单级脉管制冷机存在的缺点和不足，本发明设计了一种采用环形脉管的单级同轴型脉管制冷机结构及其制造方法。

本发明的目的在于，对同轴型单级脉管制冷机结构进行优化布局，即将脉管做成环形，放在回热器之外，即优化了回热器的填充工艺，又可使气流经过脉管时减少环流和紊流扰动，从而一定程度上可以提高脉管制冷机的整机效率，降低制作工艺难度，简化制作流程，提高设计加工效率。

图5给出了本发明的采用环形结构的同轴型脉管制冷机系统结构示意图。采用环形结构脉管的单级同轴型脉管制冷装置，其特征在于，所述装置主要包括线性压缩机1，连接管2，热端换热器3.4，回热器4.4，冷端换热器5.4，脉管6.4，相位调节装置即惯性管8，气库9。工作气体经连接管2后进入热端换热器3.4内的气道与冷却介质进行换热，冷却后的工作气体进入位置在中心的圆筒形回热器4.4内；热端换热器3.4的内部构造与进气通道的设计与图3所示的常规单级同轴型脉管制冷机系统的热端换热器3.3有所区别，图3中的热端换热器3.3，工作气体冷却后，经其边缘气道流入环形结构的回热器4.3内，而本发明如图4所示的装置结构中，热端换热器3.4冷却后的工作介质，经其中心的气道流入中心圆筒形回热器4.4中。

本发明所述回热器4.4与常规环形结构的回热器4.3有所区别。本发明所涉及的回热器4.4为圆筒形结构，在进行丝网4.4.2或其他多孔介质填充时，较之环形回热器4.3填充将大大简化填充难度，提高工作效率。丝网4.4.2不必再加工成一定规格的环形结构，可节约成本；丝网的填充工艺简化，大大节约填充时间，设置丝网后期的更换或清洗等均十分便利，节省维修维护成本；

所述冷端换热器5.4与常规同轴型脉管制冷机的冷端换热器5.3亦存在区别。工作气体经回热器后，经冷端换热器5.4与冷却介质热交换，流经其中心位置的气道，然后再分配到环形脉管6.4中；而常规冷端换热器是经外围的环形回热器4.3后，经气道汇总到中心位置，再流到中心区域与气道相连的脉管6.3空腔中。

图6本发明的同轴型单级脉管制冷机脉管及回热器结构剖面图。所述环形脉管6.4为回热器外壁4.4.1和脉管外壁6.4.1所形成的狭缝环形空腔。在靠近冷端换热器处，一般设置冷指。常规同轴型脉管制冷机的冷指一般面积很小，以触点的形式将冷量向外输出。本发明所涉及的环形脉管，其与冷端换热器接触区域较之常规脉管制冷机有所改善，冷指可以设计成环形槽道结构或凸台，更利于与外界设备相匹配，增大了接触面积，也更利于冷量的传输，缩短需冷设备的冷却时间。一般同轴型脉管制冷机的脉管为中空长直圆管，工作气体在其内高速流动，为避免环流现象，一般会在脉管靠近冷端增设导流丝网，而本发明所述环形脉管6.4为狭缝式结构，狭缝本身具有良好的导流作用，工作气体在此间高速交变流动也不会产生较大环流现象；

所述惯性管8与热端换热器3.4的外围相连，工作气体在脉管的热端被再次冷却后，经换热器3.4的外围汇总，流经惯性管8进入气库9。

本发明与现有常规单级同轴型脉管制冷系统比较，其优点在于：

1)回热器置于环形脉管之内，较之常规同轴型脉管制冷机的环形回热器，减少了环形丝网的设计、加工周期及加工成本，降低了填充工艺难度，大大缩短了制作流程；

2)采用环形脉管结构，工作气体流经脉管狭缝结构，在狭缝导流作用下，可以减少常规脉管内的工作气体环流等现象，可大大提高脉管性能，进而提高整机性能；

3)冷指结构可根据环形脉管结构设计为环形槽道或环形凸台结构，且冷指结构在装置冷端外围，更有益于与其他需冷设备相匹配，也有利于冷量的输出，冷指制冷面积较之常规同轴制冷机有所提高，可缩短设备的制冷时间。

附图说明

图1为直线型单级脉管制冷机系统结构示意图；

图2为U型布置的单级脉管制冷机系统示意图；

图3为常规同轴型单级脉管制冷机系统结构示意图；

图4为同轴型单级脉管制冷机脉管及回热器结构剖面图；

图5为本发明的采用环形脉管结构的同轴型制冷机系统结构示意图；

图6为本发明的同轴型单级脉管制冷机脉管及回热器结构剖面图。

图中标号:

1.线性压缩机；2.连接管路；3.1直线型脉管制冷机前端换热器；3.2U型脉管制冷机前端换热器；3.3常规同轴型脉管制冷机热端换热器；3.4本发明同轴型脉管制冷机热端换热器；4.1直线型脉管制冷机回热器；4.2U型脉管制冷机回热器；4.3环形回热器；4.3.1环形回热器壁；4.3.2环形填充丝网；4.4本发明同轴型脉管制冷机回热器；4.4.1本发明回热器壁；4.4.2回热器填充丝网；5.1直线型脉管制冷机冷端换热器；5.2U型脉管制冷机冷端换热器；5.3常规同轴型型脉管制冷机冷端换热器；5.4本发明同轴型脉管制冷机冷端换热器；6.1直线型脉管制冷机脉管；6.2U型脉管制冷机脉管；6.3常规同轴型脉管制冷机脉管；6.3.1常规同轴型脉管制冷机脉管管壁；6.4本发明环形脉管结构；6.4.1本发明环形脉管管壁；7.1直线型脉管制冷机脉管热端换热器；7.2U型脉管制冷机脉管热端换热器；8.惯性管；9.气库。

具体实施方式

结合附图，以下对本发明的结构原理进一步详细描述。

本发明所述的采用环形脉管结构的单级同轴型脉管制冷装置，如图5所示，其环形脉管结构和回热器结构的剖面图如图6所示。本发明是对常规同轴型脉管制冷装置及其系统的优化改进，本发明有别于常规同轴型脉管制冷装置在于回热器和脉管的结构及相对位置；工作气体的进出及分配通道和热端换热器及冷端换热器的结构。

充气和冷却过程，经线性压缩机1压缩的工作气体经连接管2进入热端回热器3.4，在其中将热量传递给冷却介质。热端换热器3.4的内部结构有别于常规同轴型单级脉管制冷机的热端换热器3.3。热端换热器3.4的中心进气通道与位于中心位置的回热器4.4相连接。工作气体于其间，与丝网4.4.2或其他填充介质进行热交换。工作气体经冷却后，在冷端换热器5.4处温度降低到设定值，并在其中折流180°，分配冲入环形脉管装置6.4。冷端换热器5.4的内部构造也和常规同轴型脉管制冷机的冷端换热器5.3有别。常规冷端换热器5.3是将环形回热器内的工作气体汇总后，集中于中心气道，冲入中心脉管6.3；本发明的冷端换热器5.4，将中心区域回热器6.4内的工作气体汇集后，分配到环形结构的脉管6.4内进行膨胀。工作气体沿着脉管壁6.4.1和回热器壁4.4.1所围成的狭缝空间流动，减少了常规长直空圆管的环流及激波等恶化脉管性能的现象。该狭缝结构的有益之处还在于，该结构可以改善脉管的性能，甚至可以减少常规脉管内的导流装置。脉管6.4的热端换热器在3.4内，冷却的工作介质会有一部分经热端换热器3.4的外围经调相机构惯性管8或其他调相机构后进入气库9，起到相位调节作用。

脉管的制冷效果集中在冷端换热器5.4处。与常规冷端换热器5.3不同。常规冷指设在脉管的冷端，即冷端换热器的中心位置，一般冷指多为一个触点，冷量通过该触点经冷却介质导出，对需冷设备进行冷却，或直接与需冷设备耦合，起到冷却作用。该位置在设计的时候需要对空间及设备的结构进行综合考虑，存在一定的局限性。采用本发明的结构及制作方法，易于发现，脉管的冷端为环形结构，可以将冷指设计为环形凹槽或凸台结构，以卡扣等方式与需冷设备进行耦合或直接用于冷却需冷设备，该结构益处在于增大了与需冷设备的接触面积，可以极大的缩短冷却时间，提高冷却效率；该结构的有益之处还在于，冷指采用这样的结构更利于与外围需冷设备耦合，减低了冷量传递的难度和空间的局限性。

在排气和回热过程，在环形脉管6.4热端经热端换热器3.4冷却的工作气体沿着环形脉管狭缝结构平稳震荡回流到冷端换热器5.4内，汇集后折流180°，从外围汇集到中心区域，流经填充丝网4.4.2或其他填充介质，将冷量传递给填充介质，起到回热器蓄冷的作用。工作气体再经热端换热器3.4及连接管2回压缩机1，完成整个循环过程。

本发明的实施效果在于，改变常规同轴型脉管制冷机的结构及设计方法，即改变脉管及回热器的结构及布局。采用环形脉管结构后，可改善脉管内的环流等恶化脉管性能的现象，提高脉管制冷机的整机性能；回热器填充介质不再需设计为环形结构，降低了制作成本和填充工艺难度，降低填充时间，提高加工效率；改变了冷指结构，更有利于与需冷设备耦合，降低了空间局限性，大大缩短了制冷时间，提高了冷量传递效率。

以上显示和描述了发明的基本原理和主要特征和发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种采用环形脉管结构的同轴型单级脉管制冷装置，它包括压缩机(1)，连接管(2)，热端换热器(3.4)，圆筒形回热器(4.4)，冷端换热器(5.4)，环形脉管装置(6.4)，相位调节装置或惯性管(8)和气库(9)，其特征在于：

所述压缩机(1)与连接管(2)相连接，连接管(2)经热端换热器(3.4)的中心区域，与圆筒形回热器(4.4)相连接，所述圆筒形回热器(4.4)与冷端换热器(5.4)中心区域相连，冷端换热器(5.4)外围与环形脉管(6.4)相连通，工作气体可经冷端换热器(5.4)在圆筒形回热器(4.4)及环形脉管(6.4)之间流通，并在环形脉管(6.4)的冷端产生制冷效果；所述热端换热器(3.4)的外围区域与惯性管(8)相连接，部分气体可再次经冷却后进入气库(9)内，起到相位调节作用。

2.根据权利要求1所述的一种采用环形脉管结构的同轴型单级脉管制冷装置，其特征在于：所述的圆筒形回热器(4.4)内填充介质为圆形薄片金属丝网(4.4.2)。

3.根据权利要求1所述的一种采用环形脉管结构的同轴型单级脉管制冷装置，其特征在于：所述热端换热器(3.4)的气道中心区域与圆筒形回热器(4.4)相连，外围气道将气体汇总后与调相机构惯性管(8)相连接。

4.根据权利要求1所述的一种采用环形脉管结构的同轴型单级脉管制冷装置，其特征在于：所述圆筒形回热器(4.4)与常规同轴型单级脉管制冷装置环形回热器的横截面积相同。

5.根据权利要求1所述的一种采用环形脉管结构的同轴型单级脉管制冷装置，其特征在于：所述冷端换热器(5.4)气道中心区域与圆筒形回热器(4.4)相连，外围气道与环形脉管结构(6.4)相连，气道采用狭缝结构，冷指设计在该装置的外围，根据需冷设备设计为环形凸台或凹槽结构。

6.根据权利要求1所述的一种采用环形脉管结构的同轴型单级脉管制冷装置，其特征在于：所述环形脉管结构(6.4)为脉管壁(6.4.1)与圆筒形回热器壁(4.4.1)所围成的狭缝结构，狭缝气道横截面积与常规同轴型单级脉管制冷装置脉管(6.3)的横截面积相同。