CN1067499A - 多路旁通脉冲管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一个适用于获得低于室温的温度 范围的多路旁通脉冲管制冷机，它是由压力波发生器 (1)、蓄冷器(2)、冷头(3)、脉冲管(5)、导流器(4)和 (5)、节流小孔(8)和气库(9)组成的小孔型脉冲管制 冷机，增加一个阻力填料(10)和多路旁通组(11)，来 提高脉冲管内气体的刚度，并使得脉冲管内气体的压 力波动变大，压力波和质量流的相位更加接近同相， 最终结果可以使脉冲管制冷机可以获得更大的制冷 功率和更低的制冷温度，从而提高了脉冲管制冷机的 效率。

Description

本发明涉及一种低温制冷机，特别涉及一种脉冲管制冷机。适用于获得低于室温的温度范围。
脉冲管制冷机，最早于1963年由美国人Gifford等发明（美国专利US3237421，现称为基本型脉冲管制冷机）;1984年由苏联人Mikulin等人在基本型脉冲管的基础上，又发明了改进型的带小孔和气库的脉冲管制冷机（苏联专利SU553414，称为小孔型脉冲管制冷机），使得脉冲管制冷机的制冷性能有了突破性的提高。同时，又使其具有了明显的实际应用价值。1990年发明人提出的实用型同轴结构，使得该脉冲管制冷机的应用变为现实（中国实用新型专利CN89217187.1）。小孔型脉冲管制冷机主要由九个部件组成，如图1示。其中，1.是压力波发生器;2.是蓄冷器;3.是冷头（既冷端换热器）;4.和6.是导流器;5.是脉冲管;7.是热端换热器;8.是节流小孔;9.是气库。1990年我国的朱绍伟等人又提出了所谓“双向进气”的方法，既在压力波发生器（1）出口引出一股气体，并通过一个阻力元件调整后直接进入脉冲管（2）的热端，这对提高脉冲管制冷机的效率也有一定的益处（中国实用新型专利CN89214250.2）。但是，由于脉冲管制冷机的关键性部件脉冲管内存在着一个相当于其它微型制冷机（如Stirling制冷机）推移活塞的较长的气柱（假想活塞），由于气柱的刚度远远低于推移活塞的刚度，这样严重影响了脉冲管制冷机的最大制冷量和最低制冷温度的获得，限制了脉冲管制冷机效率的提高。
本发明的任务可以通过如下方式完成：1.在脉冲管内适当布置一些丝网或能使气体均匀、顺利通过的阻力元件，来提高管内气体的刚度和气体流动的均匀性、平稳性。利用本方法的脉冲管制冷机可以称为网格填料脉冲管制冷机;2.在蓄冷器和脉冲管之间的某些位置，通过阻力元件将两者连通，即从蓄冷器中间部位旁通一股或多股气体，并通过适当的阻力元件控制流量，而直接将气体送到脉冲管中间，为了使气体能均匀、顺利地进、出脉冲管，在旁通气体进、出脉冲管的位置两端，象第一种方法一样布置一些丝网或能使气体均匀、顺利通过的阻力元件，用这种方法来提高管内气体的刚度将会比第一种方法更有效，利用本方法的脉冲管制冷机可以称为多路旁通脉冲管制冷机。上述方法主要是通过从蓄冷器旁通到脉冲管内一部分气体来增加脉冲管内的气体刚度，同时也通过从蓄冷器旁通到脉冲管一部分气体，使得脉冲管内压力波动变大，压力波和质量流的相位更加接近同相，最终结果，可以使脉冲管制冷机可以获得更大的制冷功率和更低的制冷温度，从而提高了脉冲管制冷机的效率。这样，可以用单级的结构来获得很低的制冷温度。本发明使用方便，在实际实施时并未太多增加系统的复杂性。
以下结合附图对发明作进一步的详细描述。
图2是多路旁通脉冲管制冷机原理图。
图3是多路旁通同轴脉冲管制冷机原理图。
图4是填料式脉冲管制冷机原理图。
图5是填料式同轴脉冲管制冷机原理图。
图中，1.是压力波发生器;2.是蓄冷器;3.是冷头（既冷端换热器）;4.和6.是导流器;5.是脉冲管;7.是热端换热器;8.是节流小孔;9.是气库;10.是阻力填料，11.是多路旁通组。
参照图2，一个布置于室温环境中的压力波发生器（1）通过连接管道和脉冲管部分的蓄冷器（2）的热端相连接，这里的压力波发生器是一个由无进、排气阀门的压缩机组成的或者是由高、低压气源和配气装置组成的;蓄冷器（2）和脉冲管（5）通常由薄壁金属或非金属管制作，形状可以是直线的、圆形的、弯曲的，两者之间的相对位置为图2和图4中的非同轴布置，或者象图3和图4中的同轴布置;冷头（3）是向外界或负荷输出冷量的，因此它是由导热性能良好的紫铜材料制作，并连接在蓄冷器（2）和脉冲管（5）的冷端;导流器（4）和（6）分别布置在脉冲管（5）的冷、热两端;热端换热器（7）连接在脉冲管（5）的热端和节流小孔（8）之间，节流小孔（8）的另一端和气库（9）相连接;阻力填料（10）均匀地布置在脉冲管（5）中间，材料一般选择为不同目数的丝网材料，或者为多孔介质，目的是通过填入到脉冲管内的阻力填料来增加管内气体的刚度和使得经过旁通进、出到脉冲管内的气体能够均匀、平稳的流动;多路旁通组（11）布置于蓄冷器（2）和脉冲管（5）之间，目的是通过从蓄冷器旁通到脉冲管内一部分气体来增加脉冲管内的气体刚度，同时，也通过从蓄冷器旁通到脉冲管一部分气体，使得脉冲管内压力波动变大，使得脉冲管内的压力波和质量流的相位更加接近同相，最终结果是提高了脉冲管制冷机的效率，多路旁通组实际上是在蓄冷器某些位置上引出多股气体，并通过适当的阻力元件调整流量后送到脉冲管的某些位置，在一个具体结构中它可以仅有一个、两个或者多个，阻力元件是由阀门、多孔介质壁面、小孔或毛细管组成。
参看图3，本结构为同轴布置的脉冲管制冷机流程图，本结构和图2结构不同的只是蓄冷器（2）和脉冲管（5）两者之间的相对位置不同，本结构采用同轴布置，既图中的蓄冷器（2）布置在脉冲管（5）的四周，实际中也可以将脉冲管（5）布置在蓄冷器（2）的四周，这种布置使得结构紧凑，变于实用。本结构中的阻力填料布置和图2结构的方法相同;旁通的结构可以是在脉冲管和蓄冷器的共有壁面上，按流量匹配的要求，开一个、两个、多个小孔或者直接将这个壁面按流量匹配的要求，直接制作成多孔介质壁面，这样就实现了连续的旁通式脉冲管制冷机。
参看图4和图5，图4、图5的结构和图2、图3的结构区别只在于它们无旁通系统，这在某些结构中不允许布置旁通结构时，只在脉冲管内均匀布置一些丝网或者多孔介质的阻力材料，同样可以通过增强脉冲管内的气体刚度以及气体流动的均匀性和平稳性，来增强脉冲管制冷机的制冷能力。
发明人曾对本发明进行了原理性实验，所得实验结果如下：利用图1所示的小孔型脉冲管制冷机流程，无功率最低制冷温度达到了91K;然后，在其它条件都不改变的情况下，在脉冲管内距冷端三分之一的地方，均匀布置了几十片铜丝网，既采用了图2所示的填料式脉冲管制冷机流程，无功率最低制冷温度降到了84K;最后，采用了图3所示的旁通式脉冲管制冷机流程，实际中是将蓄冷器和脉冲管分别在距冷端三分之一的地方用一根毛细管连接起来，既实现了一路旁通，并在脉冲管内旁通进、出口两端分别均匀布置了几十片铜丝网，毛细管的长短是经过阻力匹配而调整的，这样无功率最低制冷温度就达到了72K。上述实施例子，清楚的表明了本发明是容易实现的，而且效果也是比较明显的。
对于技术上熟练的人，对本发明作各种修正亦属于本发明的范围。
本发明与现有技术相比，有着效率高，制冷温度低，制冷量大的特点。

Claims (6)

1、一个由压力波发生器(1)、蓄冷器(2)、冷头(3)、脉冲管(5)、导流器(4)和(6)、热端换热器(7)、节流小孔(8)、气库(9)、阻力填料(10)和多路旁通组(11)组成的多路旁通脉冲管制冷机，其主要特征是阻力填料(10)均匀地布置于脉冲管(5)的中间，多路旁通组(11)连接在蓄冷器(2)和脉冲管(5)之间。
2、按权利要求1所述的制冷机，其特征是压力波发生器是一个由无进、排气阀门的压缩机所组成或者是由高、低压气源和配气装置所组成。
3、按权利要求1所述的制冷机，其特征是蓄冷器（2）和脉冲管（5）是由薄壁金属或非金属管制作，形状可以是直线的、圆形的、弯曲的，两者之间的相对位置为非同轴布置和同轴布置。
4、按权利要求1所述的制冷机，其特征是阻力填料（10）均匀地布置在脉冲管（5）中间，材料一般选择为不同目数的丝网或者多孔介质材料。
5、按权利要求1所述的制冷机，其特征是多路旁通组（11）布置于蓄冷器（2）和脉冲管（5）之间，旁通的数量可以仅有一个、两个或者多个，调整流量的阻力元件是由阀门、小孔或毛细管组成的。
6、按权利要求1所述的制冷机，其特征是在结构为同轴布置时的脉冲管制冷机，旁通的结构可以是在脉冲管和蓄冷器的共同壁面上，按流量匹配的要求，开一个、两个、多个小孔或者直接将这个壁面按流量匹配的要求，直接制作成多孔介质壁面。
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