CN106440449A - 一种多级脉管制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制冷技术领域，提供一种多级脉管制冷机。该多级脉管制冷机包括压缩机以及与所述压缩机的出口依次串联的制冷单元、隔热散热管道和声功吸收器，所述制冷单元包括依次设置的主高温换热器、回热器和低温换热器，所述制冷单元的数量为多级，相邻所述制冷单元之间设置有用于声功传递的谐振子，且相邻所述制冷单元间通过中间换热器进行换热。该多级脉管制冷机，不仅能够提高制冷机系统的制冷效率，同时其结构更加紧凑、易于设计。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种多级脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机是一种极具发展潜力的小型低温制冷机，因其冷端没有运动部件，具有结构简单、运行可靠、实用寿命长等优点，在军事探测、空间技术、低温电子学、高温超导等领域获得了重要应用。
如图1，脉管制冷机的核心部件主要包括主高温换热器1(其温度一般为室温环境温度，相对于低温换热器3则是高温的)，回热器2，低温换热器3，脉管4，次高温换热器5，惯性管6及气库7。机械能以声波形式从主高温换热器1处输入，在回热器2内将热量从低温端搬运到高温端而被消耗，低温换热器3处获得低温。输入脉管制冷机的声波可以由压缩机活塞8往复运动产生。脉管4主要用于连接低温换热器及次高温换热器，起到热缓冲、减少热量损失的作用。次高温换热器5主要用于带走脉管中由低温端流向高温端的热量，使脉管高温端保持常温。惯性管6和气库7主要用于调节脉管高温端的相位，使制冷机高效工作。
现阶段脉管制冷机发展的主要方向之一是追求更低的制冷温度。单级脉管制冷机结构虽然存在结构简单、紧凑等优点，但在获得更低制冷温度方面存在很大的难度，目前仅能获得14.7K最低温。多级结构能够由上一级制冷机所获得的低温为下一级制冷机提供预冷，有利于进一步降低制冷温度，目前已突破4K温区。
气耦合型是多级脉管制冷机主要耦合形式，其各级之间相互联通，结构如图2所示。其中，低温换热器既是上一级的低温换热器，也是下一级主高温换热器，产生的低温为下一级提供了预冷。虽然该结构中每级制冷机均采用惯性管和气库进行调相，但是由于调相能力有限，一般很难获得最佳声场分布，因此制冷机难以获得最佳性能。同时，各级之间相互影响并且旁路较多，气体工质在各级的分配比较难控制。而调相能力以及气体工质分配能力的限制均直接导致多级脉管制冷机制冷效率无法有效提高。并且，多套调相机构也影响了该结构的紧凑型。
另外，目前还存在热耦合型结构，采用热桥实现多级冷头间的换热。虽然各级制冷机之间相互独立，能够避免因气体分配产生的问题，但是热桥存在传递效率，会产生一定的热损失。同时该结构存在多套压缩机及调相结构，严重降低了结构的紧凑性和实用型。
综上所述，现有的多级脉管制冷机多用惯性管和气库作为调相机构，调相能力不足，每级制冷机很难均达到最佳性能。并且，多套调相机构甚至多个压缩机使得整机结构不够紧凑，影响实用型。气耦合型结构虽然结构相对简单、紧凑，但是各级制冷机之间独立性差，每级气体工质的分配难以控制，设计非常复杂。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是：提供一种多级脉管制冷机，解决现有技术中多级脉管制冷机制冷效率不高、结构不够紧凑以及设计复杂的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多级脉管制冷机，包括压缩机以及与所述压缩机的出口依次串联的制冷单元、隔热散热管道和声功吸收器，所述制冷单元包括依次设置的主高温换热器、回热器和低温换热器，所述制冷单元的数量为多级，相邻所述制冷单元之间设置有用于用于声功传递的谐振子，且相邻所述制冷单元间通过中间换热器进行换热。
优选地，所述谐振子串联于相邻所述制冷单元之间。
优选地，所述谐振子由振谐活塞以及连接所述振谐活塞的弹簧组成，所述弹簧沿着所述多级脉管制冷机的串联路径设置。
优选地，所述谐振子与所述制冷单元之间串联有脉管和次高温换热器，且所述次高温换热器位于靠近所述谐振子的一侧。
优选地，所述谐振子采用旁通的方式设置在相邻所述制冷单元之间。
优选地，所述谐振子由振谐活塞以及连接所述振谐活塞的弹簧组成，所述弹簧垂直于所述多级脉管制冷机的串联路径设置。
优选地，所述中间换热器连接于第N级制冷单元的低温换热器以及第N+1级制冷单元的主高温换热器之间，所述第N级制冷单元位于所述第N+1级制冷单元的上游，且所述第N级制冷单元与所述第N+1级制冷单元相邻设置，其中N为任意自然数。
优选地，所述中间换热器为固体导热器或者流体换热器。
优选地，所述制冷单元的数量为三级以上。
优选地，所述隔热散热管道为与所述制冷单元的低温换热器串联的脉管和次高温换热器。
(三)有益效果
本发明的技术方案具有以下优点：本发明的多级脉管制冷机，包括压缩机以及与所述压缩机的出口依次串联的制冷单元、隔热散热管道和声功吸收器，所述制冷单元包括依次设置的主高温换热器、回热器和低温换热器，所述制冷单元的数量为多级，相邻所述制冷单元之间设置有用声功传递的谐振子，且相邻所述制冷单元间通过中间换热器进行换热。该方案的多级脉管制冷机，不仅能够提高制冷机系统的制冷效率，同时其结构更加紧凑、易于设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中脉管制冷机的结构示意图；
图2是现有技术中气耦合型多级脉管制冷机的结构示意图；
图3和图4是实施例一中多级脉管制冷机的结构示意图；
图5是实施例二中多级脉管制冷机的结构示意图；
图6是实施例三中多级脉管制冷机的结构示意图；
图中：1、主高温换热器；2、回热器；3、低温换热器；4、脉管；5、次高温换热器；6、惯性管；7、气库；8、压缩机活塞；9、振谐活塞；10、弹簧；11、中间换热器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能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”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“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。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。
实施例一
请参见图3和图4，本实施例一的多级脉管4制冷机，包括压缩机以及与所述压缩机的出口依次串联的制冷单元、隔热散热管道和声功吸收器，所述制冷单元包括依次设置的主高温换热器1、回热器2和低温换热器3，所述制冷单元的数量为多级，相邻所述制冷单元之间设置有用于声功传递的谐振子，且相邻所述制冷单元间通过中间换热器11进行换热。本实施例一的多级脉管4制冷机，不仅能够提高制冷机系统的制冷效率，同时其结构更加紧凑、易于设计。
其中，图中并未示出完整的压缩机，而仅仅是通过压缩机活塞8表示在制冷单元的左侧设置有压缩机。
此外，附图3和附图4中的声功吸收器采用的是惯性管6和气库7的组合，且所述隔热散热管道通过所述惯性管6连接所述气库7。不过声功吸收器不受附图的限制，其还可以是小孔阀和气库7的组合，此时隔热散热管道通过所述小孔阀连接所述气库7。并且，在满足吸收或者耗散声功的前提下，任何形式的声功吸收器都应当包含在本申请当中。
进一步地，附图3和附图4中所述隔热散热管道为与所述制冷单元的低温换热器3串联的脉管4和次高温换热器5。其中，脉管4主要起到热缓冲、减少热量损失的作用，次高温换热器5主要用于带走脉管4中由低温端流向高温端的热量，使脉管4高温端保持常温。当然，隔热散热管道也可以采用其它结构形式，例如连接管和隔热散热块的组合；所述连接管的一端和制冷单元连接，另一端中设置所述隔热散热块。
进一步地，相邻制冷单元之间通过中间换热器11连接，并且通过该中间换热器11连接实现相邻所述制冷单元之间的换热。其中，中间换热器11可以采用固体导热，如紫铜，也可以用流体换热，最终使相邻的两级中间换热器11中，位于上游的制冷单元的低温换热器3和位于下游的制冷单元的主高温换热器1温度相等。此时，相当于上游制冷单元为下游制冷单元提供了预冷，有利于下游制冷单元获得更低温。此处的“上游”、“下游”，靠近压缩机的方向为上游方向，远离压缩机的方向为下游方向。
以两级制冷单元为例，并且假设上游制冷单元为一级制冷单元，从而其包括的主高温换热器1、回热器2和低温换热器3分别为一级主高温换热器1、一级回热器2和一级低温换热器3；下游冷单元为二级制冷单元，从而其包括的主高温换热器1、回热器2和低温换热器3分别为二级主高温换热器1、二级回热器2和二级低温换热器3。那么，得到本实施例一中，包括两级制冷单元的多级脉管4制冷机的工作原理如下：压缩机活塞8往复运动产生声波形式的机械功，声功在一级回热器2中将热量从低温端搬运到高温端而被消耗，使一级低温换热器3产生低温T1；一级低温换热器3和二级主高温换热器1经过中间换热器11换热，使二级高温换热器产生温度T1；声功经过谐振子后传递到二级制冷单元中，在二级回热器2中将热量从低温端搬运到高温端而被消耗，使二级低温换热器3产生更低温T2。
对于脉管4制冷机而言，其内部的声场条件对实现较高的制冷效率至关重要，必须保证回热器2中部能够实现行波声场。在图1结构中，回热器2内行波声场是通过调节压缩机参数和惯性管6、气库7的参数来实现的。一般来说，脉管4制冷机入口处所需的气体相位差，也即压力波动与体积流量的相位差为负，而脉管4热端出口的气体相位差为正。因此，如果在相邻制冷单元之间没有谐振子，理论上无法在两个制冷单元内同时实现合适的声场。
从图3和图4中可知，谐振子串联于相邻所述制冷单元之间。具体地，谐振子由质量振谐活塞和弹簧10组成，所述弹簧10沿着所述多级脉管4制冷机的串联路径设置。由于图3和图4中多级脉管4制冷机串联路径沿着附图的水平方向延伸，那么弹簧10也就是沿着附图3和图4中水平方向设置。在此基础上，为了实现声波的传递，那么显然振谐活塞的平面是垂直于弹簧10的长度方向的，也即附图中的竖直平面方向。
其中，多级脉管4制冷机的串联路径不受附图的限制，从而谐振子的设置也不受附图的限制。例如，多级脉管4制冷机的结构也可以串联形成U型结构、L型结构或者Z型结构等等。
进一步地，谐振子的作用是通过调节动质量、弹簧10刚度、振谐活塞面积等参数，使两个制冷单元之间获得良好匹配，在两个回热器2内同时实现行波声场，同时实现声功的传递。
相比惯性管6和气库7，谐振子能够获得更全面的相位调节范围，从而保证制冷单元内获得理想的声场分布。例如对于某一脉管4制冷机，采用惯性管6和气库7调相时脉管4高温端气体相位差仅能达到60°左右，而采用谐振子时该处相位差能达到68°，此时声场分布更理想。
在图3结构中，通过谐振子将每级制冷单元隔开，制冷单元之间相互影响小、独立性好，非常利于对各级的设计。对于一级制冷单元，通过调节压缩机参数及谐振子参数(振谐活塞面积、动质量、弹簧10刚度)使声场分布最优；对于二级制冷单元，通过调节谐振子参数、惯性管6及气库7参数使声场分布最优。最终，该结构可使各级制冷单元独立工作在最理想的声场分布下，从而实现较高的制冷效率，并且整机结构更加紧凑。
当然需要说明的是，制冷单元的级数不受附图的限制，其可以是任意多级。例如图4中就提供了一种包括三级制冷单元的多级脉管4制冷机，由于其工作原理和包括两级制冷单元的多级脉管4制冷机相同，因此此处不再赘述。
值得一提的是，随着制冷单元级数的增加，最后一级低温换热器3能够获得的制冷温度也更低。
实施例二
请参见图5，和实施例一不同之处在于，本实施例二中，所述谐振子与所述制冷单元之间串联有脉管4和次高温换热器5，且所述次高温换热器5位于靠近所述谐振子的一侧。
本实施例二中，由于谐振子两侧设置有脉管4和次高温换热器5，从而可以使得谐振子工作在常温下。
实施例三
请参见图6，和实施例一不同之处在于，本实施例二中，谐振子采用旁通的方式安装在两个制冷机之间。采用旁通的安装方式时两个活塞相对运动，可以抵消振动。相对于直通结构，旁通结构可以更安静。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种多级脉管制冷机，包括压缩机以及与所述压缩机的出口依次串联的制冷单元、隔热散热管道和声功吸收器，所述制冷单元包括依次设置的主高温换热器、回热器和低温换热器，其特征在于，所述制冷单元的数量为多级，相邻所述制冷单元之间设置有用于声功传递的谐振子，且相邻所述制冷单元间通过中间换热器进行换热。
2.根据权利要求1所述的多级脉管制冷机，其特征在于，所述谐振子串联于相邻所述制冷单元之间。
3.根据权利要求2所述的多级脉管制冷机，其特征在于，所述谐振子由振谐活塞以及连接所述振谐活塞的弹簧组成，所述弹簧沿着所述多级脉管制冷机的串联路径设置。
4.根据权利要求2所述的多级脉管制冷机，其特征在于，所述谐振子与所述制冷单元之间串联有脉管和次高温换热器，且所述次高温换热器位于靠近所述谐振子的一侧。
5.根据权利要求1所述的多级脉管制冷机，其特征在于，所述谐振子采用旁通的方式设置在相邻所述制冷单元之间。
6.根据权利要求5所述的多级脉管制冷机，其特征在于，所述谐振子由振谐活塞以及连接所述振谐活塞的弹簧组成，所述弹簧垂直于所述多级脉管制冷机的串联路径设置。
7.根据权利要求1所述的多级脉管制冷机，其特征在于，所述中间换热器的一端与第N级制冷单元的低温换热器连接，另一端与第N+1级制冷单元的主高温换热器连接，所述第N级制冷单元位于所述第N+1级制冷单元的上游，且所述第N级制冷单元与所述第N+1级制冷单元相邻设置，其中N为任意自然数。
8.根据权利要求7所述的多级脉管制冷机，其特征在于，所述中间换热器为固体导热器或者流体换热器。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的多级脉管制冷机，其特征在于，所述制冷单元的数量为三级以上。
10.根据权利要求1至8中任意一项所述的多级脉管制冷机，其特征在于，所述隔热散热管道为与所述制冷单元的低温换热器串联的脉管和次高温换热器。
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