CN105509375B - 采用阻隔流动的声功传输部件的回热器及脉管制冷机 - Google Patents

采用阻隔流动的声功传输部件的回热器及脉管制冷机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用阻隔流动的声功传输部件的回热器以及脉管制冷机，其中回热器包括回热器外壳、以及填充在回热器外壳内的回热填料，以及设于回热器外壳内的一个或多个阻隔流动的声功传输部件，该阻隔流动的声功传输部件两侧的回热器空间分隔开来，保证各个回热器空间工作在各自的最佳充气压力下，且可将相邻回热器空间的声功传输。本发明在回热器不同的位置布置阻隔流动的声功传输部件，可以实现回热器不同区域之间的流动阻隔，使得其两侧的回热器内可以运行在不同的充气压力，同时不阻碍来自压缩机的声功的传输，从而实现回热器在整个温区内的当地运行压力与当地工作温度一一最佳耦合，最终实现回热式制冷机的高效制冷，且结构更加紧凑。

Description

采用阻隔流动的声功传输部件的回热器及脉管制冷机
技术领域
本发明涉及一种回热式低温制冷机，尤其是涉及一种采用阻隔流动的声功传输部件的回热器及带有该回热器的脉管制冷机。
背景技术
回热式低温制冷技术在国防军事、能源医疗、航空航天、低温物理等领域有着不可或缺的重要作用。其中回热器是回热式低温制冷技术的关键，当前的回热式制冷技术在80K温区技术相对成熟，但是对20K以下的温区，当前回热式制冷技术的效率低下，结构复杂。
脉管制冷机由Gifford和Longsworth于1964年提出，它在冷端不存在运动部件，具有高可靠性和长寿命的潜在优势，经过近半个世纪的发展，脉管制冷机目前已广泛应用于航空航天、低温超导等领域。根据驱动源的不同，脉管制冷机主要分为G-M脉管制冷机(也称低频脉管制冷机)和Stirling脉管制冷机(也称高频脉管制冷机)；G-M脉管制冷机由G-M制冷机的压缩机驱动，其工作频率一般为1～2Hz，Stirling脉管制冷机由线性压缩机驱动，其工作频率一般在30Hz。
目前G-M脉管制冷机可以获得的最低温度为1.3K，已实现液氦及以上温区的商业化应用，但是其在液氦温区的效率很低(在4.2K获得1W的制冷量需要输入6～10kW的电功)；而与G-M脉管制冷机相比，Stirling脉管制冷机具有结构紧凑、效率高、重量轻等一系列优势，而且它在35K及以上温区的技术相对成熟，目前已广泛应用于上述温区的航空航天任务中。
当前，为获得较低的制冷温度(如20K以下)必须采用多级制冷结构，其中制冷机的耦合方式主要有热耦合和气耦合两种方式。虽然热耦合的方式能够使各级之间独立运行在彼此的最佳工况，但是由于存在多段回热器(如两级脉管制冷机采用热耦合方式便存在三段回热器，分别为预冷级回热器，低温级预冷段回热器和低温级回热器，其中预冷级回热器和低温级预冷段回热器工作在相同温度)，与气耦合方式相比，其存在较大的回热器损失，且预冷级与低温级之间需要由热桥进行热传导，热阻的存在进一步降低了其效率。
对于气耦合方式而言，虽然其回热器段数较少，但是由于回热器在不同的温区存在不同的最佳运行压力，而气耦合回热器只能在一个充气压力下工作，导致高温段回热器和低温段回热器性能无法兼顾，从而导致气耦合方式的回热式制冷机效率也不高。
图4展示了不同冷端温度(80K，35K，4K)下的最佳运行压力，从图中可以看出对80K，35K和4K温度而言，对应的最优运行压力分别3MPa，1.5MPa和1Mpa，如上所述不同温区之间最优运行压力不同，气耦合的方式使得回热器在整个温区内只能选择一个充气压力，而且往往选择低温段回热器，从而导致高温段回热器较大的偏离了最佳运行工况，进而造成深低温温区的回热式制冷方式效率极低。
当前气耦合的方式虽然效率不高，但是由于其存在较少的回热器段数减小了回热器损失，同时由于其采用内预冷的方式减少了预冷的热阻，使其成为一种非常具有前景的深低温回热式制冷机耦合方式，其关键技术难题为如何实现整个温区内充气压力与工作温度的耦合。
发明内容
为解决上述气耦合方式的难以实现全温区温度与最优充气压力之间匹配的难题，本发明提供了一种采用阻隔流动的声功传输部件的回热器，该回热器在回热器外壳内填充回热填料，同时根据回热器的温度分布，在回热器不同的位置布置阻隔流动的声功传输部件，如密封弹性膜片等材料，阻隔流动的声功传输部件可以实现回热器内不同区域之间的流动阻隔，使得其两侧的回热器内可以运行在不同的充气压力，同时不阻碍来自压缩机的声功的传输，从而实现回热器在整个温区内的当地运行压力与当地工作温度一一最佳耦合，最终实现回热式制冷机的高效制冷，使用该回热器的制冷机效率高的同时，结构更加紧凑。
一种采用阻隔流动的声功传输部件的回热器，包括回热器外壳、以及填充在回热器外壳内的回热填料，还包括设于回热器外壳内的一个或多个阻隔流动的声功传输部件，该阻隔流动的声功传输部件将两侧的回热器空间分隔开来，保证各个回热器空间工作在各自的最佳充气压力下，且可将相邻回热器空间的声功传输。
作为优选，所述阻隔流动的声功传输部件可选择具有流动阻隔和声功传输功能的弹性密封材料。
所述阻隔流动的声功传输部件可选择弹性密封材料，在回热器不同的工作温区内，布置若干阻隔流动的声功传输部件，从而将回热器分成若干个相互独立且密封的子回热器，根据各子回热器的工作温度，可以根据实验测试或者数值模拟，采用现有的方法，确定与之对应的最优充气压力，同时由于该部件具有弹性可以实现来自压缩机的声功的近乎无损的高效传输，使得该回热器在任何一个温度区间都工作在最优的工况，从而使整个回热器工作在较大的温度区间(如4-300K)的同时具有较高的效率。
作为进一步优选，所述阻隔流动的声功传输部件为密封弹性膜片。
基于上述采用阻隔流动的声功传输部件的回热器以及现有脉管制冷技术，本发明还提供了一种脉管制冷机，包括一个或多个回热器，至少有一个回热器为上述任一技术方案所述的采用阻隔流动的声功传输部件的回热器。本发明提供了如下几种优选的脉管制冷机，下述几种脉管制冷机的制冷效率均较高，均能高效达到20K及更低的工作温区。
作为优选，所述多个回热器相连的部位设有所述的阻隔流动的声功传输部件。
作为优选，所述脉管制冷机包括通过管路依次连接的压缩机、回热器热端换热器、第一级回热器、第一级冷端换热器、第一级脉管、第一级脉管热端换热器、第一级调相机构；通过管路依次连接的第二级回热器、第二级冷端换热器、第二级脉管、第二级脉管热端换热器、第二级调相机构；通过管路依次连接的第三级回热器、第三级冷端换热器、第三级脉管第三级脉管热端换热器、第三级调相机构；第一级回热器冷端通过第一级阻隔流动的声功传输部件与第二级回热器热端连接；第二级回热器冷端通过第二级阻隔流动的声功传输部件与第三级回热器热端连接。
上述技术方案中，所述压缩机通过管路依次与回热器热端换热器、第一级回热器、第一级冷端换热器、第一级脉管、第一级脉管热端换热器、第一级调相机构连接；所述第二级回热器与第二级冷端换热器、第二级脉管、第二级脉管热端换热器、第二级调相结构依次连接；所述第三级回热器与第三级冷端换热器、第三级脉管、第三级脉管热端换热器、第三级调相结构依次连接；所述第一级回热器冷端与第二级回热器热端通过第一级阻隔流动的声功传输部件连接耦合；所述第二级回热器冷端与第三级回热器热端通过第二级阻隔流动的声功传输部件连接耦合。
所述第一级调相机构、第二级调相机构和第三级调相机构均由一气库以及设于该气库与相应的脉管热端换热器之间的惯性管组成，同时该气库上布置有与之对应的充气阀。
作为优选，所述第一级回热器、第二级回热器和第三级回热器中的部分或全部可选择上述任一技术方案所述的采用阻隔流动的声功传输部件的回热器或常用回热器。
作为进一步优选，所述第一级回热器和第二级回热器中至少有一个为上述任一技术方案所述的采用阻隔流动的声功传输部件的回热器。
为进一步降低脉管制冷机的工作温度，作为优选，所述第三级调相机构同时与所述第三级脉管热端换热器和第二级冷端换热器相连。作为对该方案的优选，所述第一级回热器和第二级回热器中至少有一个为上述任一技术方案所述的采用阻隔流动的声功传输部件的回热器。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明的低温回热器，采用在回热器外壳内填充回热填料，同时根据回热器的温度分布，在回热器不同的位置布置阻隔流动的声功传输部件，如弹性密封膜片等材料，阻隔流动的声功传输部件可以实现回热器不同区域之间的流动阻隔，使得其两侧的回热器内可以运行在不同的充气压力，同时不阻碍来自压缩机的声功的传输，从而实现回热器在整个温区内的当地运行压力与当地工作温度一一最佳耦合，最终实现回热式制冷机的高效制冷，使用该回热器的制冷机效率高的同时，结构更加紧凑。
附图说明
图1为本发明的采用阻隔流动的声功传输部件的回热器的结构示意图。
图2为本发明的带有采用阻隔流动的声功传输部件的回热器的脉管制冷机的一种实施方式的结构示意图。
图3为本发明的带有采用阻隔流动的声功传输部件的回热器的脉管制冷机的另一种实施方式的结构示意图。
图4为不同工作温度下回热器充气压力对制冷机效率的影响。
具体实施方式
实施例1
如图1所示：一种采用阻隔流动的声功传输部件的回热器RG包括：回热器外壳W、回热填料RM和阻隔流动的声功传输部件MIAT；所述回热填料RM和阻隔流动的声功传输部件MIAT均置于回热器外壳W内且分层间隔布置，所述阻隔流动的声功传输部件MIAT具有流动阻断和声功传输的功能。
阻隔流动的声功传输部件MIAT可选择弹性密封材料，比如可采用密封弹性膜片等材料。在回热器不同的工作温区内，布置若干阻隔流动的声功传输部件，从而将回热器分成若干个相互独立且密封的子回热器，根据各子回热器的工作温度，可以根据实验测试或者数值模拟，确定与之对应的最优充气压力，同时由于该部件具有弹性可以实现来自压缩机的声功的近乎无损的高效传输，使得该回热器在任何一个温度区间都工作在最优的工况，从而使整个回热器工作在较大的温度区间(如4-300K)的同时具有较高的效率。
实施例2
如图2所示：一种带有采用阻隔流动的声功传输部件的回热器的三级高频脉管制冷机包括：压缩机C、回热器热端换热器HX1、第一级回热器RG1、第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3、第一级惯性管I1、第一级气库R1、第一级充气阀V1、第一级阻隔流动的声功传输部件MIAT1、第二级回热器RG2、第二级冷端换热器HX4、第二级脉管PT2、第二级脉管热端换热器HX5、第二级惯性管I2、第二级气库R2、第二级充气阀V2、第二级阻隔流动的声功传输部件MIAT2、第三级回热器RG3、第三级冷端换热器HX6、第三级脉管PT3、第三级脉管热端换热器HX7、第三级惯性管I3、第三级气库R3和第三级充气阀V3。第一级回热器RG1、第二级回热器RG2和第三级回热器RG3其中部分或全部可采用实施例1中所述的采用阻隔流动的声功传输部件的回热器RG，也可采用常用回热器。
上述各部件的连接方式如下：压缩机C通过管路依次与回热器热端换热器HX1、第一级回热器RG1、第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3、第一级惯性管I1、第一级气库R1、第一级充气阀V1连通；第二级回热器RG2通过流道依次与第二级冷端换热器HX4、第二级脉管PT2、第二级脉管热端换热器HX5、第二级惯性管I2、第二级气库R2、第二级充气阀V2连通；第三级回热器RG3通过流道依次与第三级冷端换热器HX6、第三级脉管PT3、第三级脉管热端换热器HX7、第三级惯性管I3、第三级气库R3和第三级充气阀V3连通；第一级回热器RG1冷端通过第一级阻隔流动的声功传输部件MIAT1与第二级回热器RG2热端连接，实现第一级回热器RG1和第二级回热器RG2之间的流动阻隔和声功传输；第二级回热器RG2冷端通过第二级阻隔流动的声功传输部件MIAT2与第三级回热器RG3热端连接，实现第二级回热器RG2和第三级回热器RG3之间的流动阻隔和声功传输。
本实施方式的采用阻隔流动的声功传输部件的回热器的三级高频脉管制冷机的运行过程为：
经过压缩机C压缩的高温高压气体流经回热器热端换热器HX1后冷却至室温，然后与第一级回热器RG1中的回热填料进行换热，温度降低，气体依次通过第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3、第一级惯性管I1进入第一级气库R1，稳定运行后在第一级冷端换热器HX2处产生制冷效应。第二级回热器RG2靠近热端的气体在第一级冷端换热器HX2的制冷效应的预冷下，温度降至第一级冷端换热器HX2的温度，同时第一级回热器RG1冷端的声功通过第一级阻隔流动的声功传输部件MIAT1传输至第二级回热器RG2，驱动第二级回热器RG2中的气体依次通过第二级冷端换热器HX4、第二级脉管PT2、第二级脉管热端换热器HX5、第二级惯性管I2进入第二级气库R2，稳定运行后在第二级冷端换热器HX4处产生制冷效应；第三级回热器RG3靠近热端的气体在第二级冷端换热器HX4的制冷效应的预冷下，温度进一步降低，第二级回热器RG2冷端的声功通过第二级阻隔流动的声功传输部件MIAT2传输至第三级回热器RG3，驱动第三级回热器RG3中的气体依次通过第三级冷端换热器HX6、第三级脉管PT3、第三级脉管热端换热器HX7、第三级惯性管I3进入第三级气库R3，稳定运行后在第三级冷端换热器HX6处产生制冷效应。
实施例3
如图3所示，一种带有采用阻隔流动的声功传输部件的回热器的三级高频脉管制冷机，与实施例2的区别在于：第三级充气阀V3、第三级气库R3、第三级惯性管I3与第三级脉管热端换热器HX7同时与第二级冷端换热器HX4相连，通过降低第三级气库R3和第三级惯性管I3的工作温度以获得更大的调相角度，最终进一步提高该脉管制冷机制冷效率。

Claims (9)

1.一种采用阻隔流动的声功传输部件的回热器，包括回热器外壳(W)、以及填充在回热器外壳(W)内的回热填料(RM)，其特征在于，还包括设于回热器外壳(W)内的一个或多个阻隔流动的声功传输部件(MIAT)，该阻隔流动的声功传输部件(MIAT)将两侧的回热器空间分隔开来，保证各个回热器空间工作在各自的最佳充气压力下，且可将相邻回热器空间的声功传输。
2.根据权利要求1所述的采用阻隔流动的声功传输部件的回热器，其特征在于，所述阻隔流动的声功传输部件(MIAT)由弹性密封材料制成。
3.根据权利要求2所述的采用阻隔流动的声功传输部件的回热器，其特征在于，所述阻隔流动的声功传输部件(MIAT)为密封弹性膜片。
4.一种脉管制冷机，包括一个或多个回热器，其特征在于，至少有一个回热器为权利要求1-3任一权利要求所述的采用阻隔流动的声功传输部件的回热器。
5.根据权利要求4所述的脉管制冷机，其特征在于，所述多个回热器相连的部位设有所述的阻隔流动的声功传输部件。
6.根据权利要求5所述的脉管制冷机，其特征在于，包括通过管路依次连接的压缩机(C)、回热器热端换热器(HX1)、第一级回热器(RG1)、第一级冷端换热器(HX2)、第一级脉管(PT1)、第一级脉管热端换热器(HX3)、第一级调相机构；通过管路依次连接的第二级回热器(RG2)、第二级冷端换热器(HX4)、第二级脉管(PT2)、第二级脉管热端换热器(HX5)、第二级调相机构；通过管路依次连接的第三级回热器(RG3)、第三级冷端换热器(HX6)、第三级脉管(PT3)、第三级脉管热端换热器(HX7)、第三级调相机构；第一级回热器(RG1)冷端通过第一级阻隔流动的声功传输部件(MIAT1)与第二级回热器(RG2)热端连接；第二级回热器(RG2)冷端通过第二级阻隔流动的声功传输部件(MIAT2)与第三级回热器(RG3)热端连接。
7.根据权利要求6所述的脉管制冷机，其特征在于，所述第一级回热器(RG1)和第二级回热器(RG2)中至少有一个为权利要求1-3任一权利要求所述的采用阻隔流动的声功传输部件的回热器。
8.根据权利要求6所述的脉管制冷机，其特征在于，所述第三级调相机构同时与所述第三级脉管热端换热器(HX7)和第二级冷端换热器(HX4)相连。
9.根据权利要求8所述的脉管制冷机，其特征在于，所述第一级回热器(RG1)和第二级回热器(RG2)中至少有一个为权利要求1-3任一权利要求所述的采用阻隔流动的声功传输部件的回热器。
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