CN105222389B - 一种脉管制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及脉管制冷机，该脉管制冷机包括依次相连的直线压缩机、主水冷器、回热器、冷端换热器、脉管、导流层、惯性管冷却结构和气库；所述惯性管冷却结构包括惯性管单元和冷却单元；所述冷却单元，用于冷却所述惯性管单元内的气体。通过采用本发明的脉管制冷机，提高了制冷效率，能够去除现有的脉管制冷机中的次水冷器，简化了脉管制冷机的机构，降低了成本。本发明具有结构简单、成本低、效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及脉管制冷机领域，尤其涉及一种脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机在冷头没有运动部件，具有结构简单、运行稳定、性能可靠的优点，是一种极具发展潜力的低温制冷机。目前，斯特林型脉管制冷机已经成功应用到红外探测器、超导滤波器等诸多领域。随着强电超导技术的兴起，对脉管制冷剂的功率提出了新的要求：在液氮温区的制冷须达到kW的量级。大功率的制冷机中的需要有高热流密度的水冷器进行冷却。
图1为现有的脉管制冷机的结构示意图，依次由直线压缩机(图中未示出)、主水冷器1、回热器2、冷端换热器3、脉管4、导流层5、次水冷器6、惯性管7、气库8组成。主水冷器1和次水冷器6采用管壳式水冷器。
图2为管壳式水冷器的结构示意图，管壳式水冷器包括气流通道31和冷却水通道32。气流通道31的小管直径通常在1mm左右，气流通道的流通面积通常需要占据整个横截面积的20％，为了保持该面积比，对于一个直径100mm的水冷器气流通道31的数量需要达到2000根。这么多数量的气流通道的换热器加工是非常困难的，成本也非常高，导致了现有的脉管制冷机结构复杂、成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的脉管制冷机结构复杂、成本高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种惯性管冷却结构。该脉管制冷机包括：依次相连的直线压缩机、主水冷器、回热器、冷端换热器、脉管、导流层、惯性管冷却结构和气库；
所述惯性管冷却结构包括惯性管单元和冷却单元；
所述冷却单元，用于冷却所述惯性管单元内的气体。
优选地，所述冷却单元位于所述惯性管单元的外表面。
优选地，所述惯性管单元包括至少一根惯性管；
所述冷却单元位于每根惯性管的外表面。
优选地，所述冷却单元包括相互分离的第一冷却部分和第二冷却部分；
所述第一冷却部分位于所述惯性管单元的外表面靠近所述导流层的位置，所述第二冷却部分位于所述惯性管单元的外表面靠近所述气库的位置。
优选地，所述冷却单元为管状结构，所述管状结构设置在所述惯性管单元的外表面，所述管状结构中盛有冷却液体，所述冷却液体对所述惯性管单元进行散热。
优选地，所述冷却液体为水。
优选地，所述冷却单元为散热片结构，所述散热片结构设置在所述惯性管单元的外表面，所述散热片结构利用冷却气流对所述惯性管单元进行散热。
优选地，所述散热片结构包括多根翅片，所述多根翅片环绕在所述惯性管单元的外表面。
优选地，当惯性管单元包括多根惯性管时，所述多根惯性管中的每根惯性管的直径小于当惯性管单元包括一根惯性管时的直径，所述多根惯性管的流通面积之和大于当惯性管单元包括一根惯性管时的流通面积。
通过采用本发明的脉管制冷机，提高了制冷效率，能够去除现有的脉管制冷机中的次水冷器，简化了脉管制冷机的机构，降低了成本。本发明具有结构简单、成本低、效率高的优点。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为现有的脉管制冷机的结构示意图；
图2为管壳式水冷器的结构示意图；
图3为本发明第一个实施例的脉管制冷机的结构示意图；
图4为本发明第二个实施例的脉管制冷机的结构示意图；
图5为本发明第三个实施例的脉管制冷机的结构示意图；
图6为本发明第四个实施例的脉管制冷机的结构示意图；
1为主水冷器，2为回热器，3为冷端换热器，4为脉管，5为导流层，6为次水冷器，7为惯性管单元，8为气库，9为冷却单元，10为冷却气流，11为翅片。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
图3示出了本发明第一个实施例的脉管制冷机的结构示意图。
如图3所示，本实施例的脉管制冷机包括：依次相连的直线压缩机(图3未示出)、主水冷器1、回热器2、冷端换热器3、脉管4、导流层5、惯性管冷却结构、气库8。所述惯性管冷却结构包括惯性管单元7和冷却单元9；冷却单元9用于冷却惯性管单元7内的气体。
本实施例的脉管制冷机在工作时，直线压缩机将电能转化为声波形式的机械能，声波是气体的往复运动，伴随着压缩和膨胀；声波穿过主水冷器1进入回热器2和冷端换热器3内，利用声波的压缩和膨胀过程，将冷端换热器3内的热量经由回热器2搬运到主水冷器1内，并通过冷却水将热量散走；声波还会进一步进入脉管4、惯性管单元7和气库8内；脉管4连接冷端换热器3和处于室温的导流层5，起到热缓冲的作用，减少导热损失；利用惯性管单元7内气体的惯性以及气库8所构建的边界条件，在导流层5处获得一个合适的阻抗，合适的阻抗有助于在回热器2内获得合适的声场，减少气体在回热器2内的流动损失，提高制冷效率；导流层5防止从惯性管单元7内出来的气体在脉管4内形成射流，射流会使脉管4冷端和热端的气流混合，降低制冷性能。
现有技术中惯性管和次水冷器是直接连接的，如果次水冷器没有对气体进行有效的冷却，那么由于次水冷器内的气流会进入惯性管，从而会将热量传递到惯性管壁面，那么惯性管将会发热。惯性管由于流通面积远小于次水冷器，其内部的气流流动速度非常高，而高流速意味着对流换热系数就越大，所以气体与惯性管壁面之间的对流换热是非常充分的，因此可以对惯性管外壁面进行冷却，从而将原本应该在次水冷器散走的热量带走，这样次水冷器就可以去除，大大简化了脉管制冷机结构，且降低了成本。
同时，低温下气体的粘度减低，密度增大，因而低温下惯性管单元的惯性增强，提高了制冷效率。
在一种可选的实施方式中，冷却单元9位于惯性管单元7的外表面。惯性管单元7包括至少一根惯性管；冷却单元9位于每根惯性管的外表面。
本实施例中的惯性管单元中包括一根惯性管，在实际应用中，惯性管的数量根据需要可以为多根；采用多根惯性管的结构跟采用单根惯性管结构相比，前者惯性管的直径小于后者，但前者惯性管总的流通面积比后者大。
在另一种可选的实施方式中，冷却单元9为管状结构，所述管状结构设置在惯性管单元7的外表面，所述管状结构中盛有冷却液体，所述冷却液体对惯性管单元7进行散热。
特别地，所述冷却液体为水。
通过采用本实施例的脉管制冷机，提高了制冷效率，能够去除现有的脉管制冷机中的次水冷器，简化了脉管制冷机的机构，降低了成本。本发明具有结构简单、成本低、效率高的优点。
图4示出了本发明第二实施例脉管制冷机的结构示意图。如图4所示，本实施例的脉管制冷机与图3所示的脉管制冷机的区别在于，本实施例中包括3个惯性管制冷结构。
虽然惯性管本身具有较强的换热能力，但由于在大功率的脉管制冷机中次水冷器的散热量较大，而惯性管的水力直径又比较大，远大于气体的热穿透深度，因此也会出现换热不足的情况，这时可以采用多根惯性管连接导流层5和气库8。
图5示出了本发明第三个实施例的脉管制冷机的结构示意图。如图5所示，本实施例的脉管制冷机与图4所示的脉管制冷机的区别在于，冷却单元9包括相互分离的第一冷却部分和第二冷却部分；所述第一冷却部分位于惯性管单元7的外表面靠近5导流层的位置，所述第二冷却部分位于惯性管单元7的外表面靠近气库8的位置，即在惯性管单元7的中间段不设冷却部分。
惯性管内在靠近气库一端流速较大，并且存在流动的突变截面损失，因此需要重点冷却。气体在惯性管内流动时存在热声效应，热量会在靠近导流层处聚积，因此惯性管在靠近导流层处也需要重点冷却，而在惯性管的中间段则可以弱化，甚至不需要特别的冷却措施。
图6示出了本发明第四个实施例的脉管制冷机的结构示意图。如图6所示，本实施例的脉管制冷机与图4所示的脉管制冷机的区别在于，本实施例中的冷却单元9为散热片结构，所述散热片结构设置在惯性管单元7的外表面，所述散热片结构利用冷却气流10对所述惯性管单元进行散热。
进一步地，散热片结构包括多根翅片11，所述多根翅片11环绕在惯性管单元7的外表面。
翅片与惯性管管接触面大而紧，传热性能良好、稳定，空气通过阻力小，气体流经惯性管，热量通过紧绕在惯性管上的翅片传给经过翅片间的空气。
在实际应用中，翅片的材料为铜。翅片焊接在惯性管上面，或者与惯性管一体成型。翅片的数量根据具体的换热情况来确定。
进一步地，翅片的片距为1-2mm。
通过采用本发明的惯性管冷却结构，提高了制冷效率，能够去除现有的脉管制冷机中的次水冷器，简化了脉管制冷机的机构，降低了成本。本发明具有结构简单、成本低、效率高的优点。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (7)
1.一种脉管制冷机，其特征在于，包括依次相连的直线压缩机、主水冷器、回热器、冷端换热器、脉管、导流层、惯性管冷却结构和气库；
所述惯性管冷却结构包括惯性管单元和冷却单元；
所述冷却单元，用于冷却所述惯性管单元内的气体；
所述冷却单元位于所述惯性管单元的外表面；
所述冷却单元包括相互分离的第一冷却部分和第二冷却部分；
所述第一冷却部分位于所述惯性管单元的外表面靠近所述导流层的位置，所述第二冷却部分位于所述惯性管单元的外表面靠近所述气库的位置。
2.根据权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于，所述惯性管单元包括至少一根惯性管；
所述冷却单元位于每根惯性管的外表面。
3.根据权利要求1～2任一所述的脉管制冷机，其特征在于，所述冷却单元为管状结构，所述管状结构设置在所述惯性管单元的外表面，所述管状结构中盛有冷却液体，所述冷却液体对所述惯性管单元进行散热。
4.根据权利要求3所述的脉管制冷机，其特征在于，所述冷却液体为水。
5.根据权利要求1～2任一所述的脉管制冷机，其特征在于，所述冷却单元为散热片结构，所述散热片结构设置在所述惯性管单元的外表面，所述散热片结构利用冷却气流对所述惯性管单元进行散热。
6.根据权利要求5所述的脉管制冷机，其特征在于，所述散热片结构包括多根翅片，所述多根翅片环绕在所述惯性管单元的外表面。
7.根据权利要求2所述的脉管制冷机，其特征在于，当惯性管单元包括多根惯性管时，所述多根惯性管中的每根惯性管的直径小于当惯性管单元包括一根惯性管时的直径，所述多根惯性管的流通面积之和大于当惯性管单元包括一根惯性管时的流通面积。
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