CN106839491A - 一种脉管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉管制冷机，包括依次连接的压缩单元、传输管、回热器单元、连接管、脉管单元、惯性管单元和气库，所述惯性管单元包括至少两根相互并联的惯性管；本发明的脉管制冷机，采用并联惯性管进行调相，通过增加支路减小流阻，增大了调相能力，从而提升了制冷机性能；采用并联惯性管进行调相，各支路惯性管可以进行多种组合，增强调相的灵活性，扩大调相的范围。

Description

一种脉管制冷机
技术领域
本发明涉及高频脉管低温制冷机领域，特别涉及一种脉管制冷机。
背景技术
随着军事、航天、医学和空间技术的发展，精密的设备和电子器件对于低温冷却技术的可靠性、振动、体积等要求越来越苛刻，这使得冷端无运动部件、结构紧凑和长寿命的脉管制冷机成为低温制冷技术领域的研究热点。传统的低温制冷机(例如斯特林制冷机或G-M制冷机)中，依靠在膨胀气缸中往复运动的排出器为制冷工质提供正确的相位，以实现高效的制冷效应。因此，在脉管制冷机中必须附加有效的调相器来补偿被消除的排出器的功能，才能获得满意的制冷效率。
目前高频脉管制冷机通常采用惯性管1’与气库2’作为调相器，其结构如图1所示。用电模拟方法对惯性管进行分析计算发现惯性管的调相角度主要受工质物性、频率和惯性管1’管径等参数的影响，结构比较简单。而且通过分析和实验表明，惯性管1’可在较大的范围内调节相位，不仅适用于大功率制冷机，也能满足小型制冷系统的需求。另外，对比试验指出，采用惯性管和双向进气阀联合的调相结构可获得最优的制冷性能，是适用于高频脉管制冷机的一种理想调相方式。因此研究惯性管调相很有价值。
由于惯性管内气体的流动阻力表现出阻力特性，工质的惯性表现出感性，内部的空容积表现出容性，因而可以用电路中的电阻、电感和电容的组合来表示。根据电模拟方法，如图2，忽略惯性管容抗，可以得到惯性管入口处调相机构的阻抗为：
式中，Δp＝ppt-pr，即脉管热端和气库之间的动态压力差；Uhot为脉管热端气体的体积流量；ω＝2πf，是角频率，其中f为脉管制冷机运转频率；R,L分别为惯性管的流阻和流感；Cr为气库容性。
由于气库容积较大，所以公式可以简化为：
Z＝R+iωL (2)
可以推导出脉管中压力波和质量流之间最大可能相位差为：
其中，μ为工质气体的动力粘度。
但是传统结构惯性管调相范围有限，特别是在深低温区小声功条件下，需要采用低温惯性管加强调相，也由此增加了预冷级负荷；并且这种固定的单管结构调节灵活度低，不能在频率、输入功等运行参数改变的情况下进行配合调相。
发明内容
本发明提供了一种脉管制冷机，通过惯性管的结构改进，提高惯性管的调相能力，从而提升了制冷机性能。
一种脉管制冷机，包括依次连接的压缩单元、传输管、回热器单元、连接管、脉管单元、惯性管单元和气库，所述惯性管单元包括至少两根相互并联的惯性管。
其中，回热器单元包括回热器热端换热器、回热器和回热器冷端换热器；所述连接管为U形；所述脉管单元包括脉管冷端换热器、脉管和脉管热端换热器；所述压缩单元采用线性压缩装置。
惯性管的性能类比电路中的电阻，惯性管并联之后总流阻减小，于是矢量图中的实部阻抗项减小，所以压力波和质量流之间的相角增大，调相能力增强。惯性管的数量可以根据需要进行调整，为了使调相范围更广，适应性更强，作为优选，所述并联惯性管，并联支路可以是两支以上，连接于气库与脉管热端之间。实现多种惯性管组合，适应更多工况条件下的调相要求。
优选的，所述的惯性管单元中，至少有一根惯性管上安装有调节阀。调节阀选择可以手动连续调节的调节阀，实现惯性管阻抗特性的连续变化，根据惯性管沿管长分布的阻抗可以知道阻抗幅值和相角与流阻、流容和流感紧密相关，并且不是简单的单调线性相关，在一定的工况下，通过调节阀的连续调节，阻抗和感抗同时变化，总阻抗矢量的端部沿着箭头移动，在这个变化的过程中，调相范围增大，通过连续变化，可以在不同工况下绘制出类似的图像，并找到一个最佳的调相状态。并且通过调节阀的开闭，可以实现不同的惯性管组合，适应更多的工况条件。
进一步优选的，所有惯性管分别安装有调节阀。
优选的，在一根装有调节阀的惯性管中，所述的调节阀安装在靠近惯性管入口的位置。这样调节阀，改变气流局部阻力，就能灵活改变调节阀后惯性管内阻抗特性，增大调相的范围。
优选的，在一根装有调节阀的惯性管中，所述的调节阀距离惯性管入口的长度与惯性管的长度之比为1：11～1:9。
优选的，所述的脉管制冷机为特林脉管制冷机。高频情况下调相作用更加明显，调相范围更大。
优选的，所述的脉管制冷机为多级。在多级结构下，脉管热端声功较小，采用并联惯性管调相优势更加明显，省去了利用低温惯性管带来的额外预冷负荷。
为了进一步增大调相角度，优选的，所有惯性管中，至少有两根惯性管的长度不同。不同实验工况下，不同长度的惯性管的变化范围不同，例如在入口压比1.0～1.4，频率50～70Hz，充气压力1.8～2.2MPa的条件下，并联惯性管长度在2m～2.5m范围内，且长度不同，其调相角度相比同条件下单根惯性管的调相角度有明显的提高。
为了进一步增大调相角度，优选的，所有惯性管中，至少有两根惯性管的直径不同。不同实验工况下，不同直径的惯性管的变化范围不同，例如在入口压比1.0～1.4，频率50～70Hz，充气压力1.8～2.2MPa的条件下，并联惯性管直径在3mm以上范围内，且直径不同，其调相角度相比同条件下单根惯性管的调相角度有明显的提高。
本发明的有益效果：
本发明的脉管制冷机，采用并联惯性管进行调相，通过增加支路减小流阻，增大了调相能力，从而提升了制冷机性能；采用并联惯性管进行调相，各支路惯性管可以进行多种组合，增强调相的灵活性，扩大调相的范围。
附图说明
图1是惯性管型脉管制冷机热端调相机构的结构示意图。
图2是图1的电模拟图。
图3是实施例1的脉管制冷机的示意图。
图4是现有技术的惯性管调相的脉管制冷机的示意图。
图5是惯性管入口阻抗的矢量示意图。
图6是惯性管总阻抗随长度变化的轨迹图。
图7是实施例2的脉管制冷机的示意图。
图8是实施例3的脉管制冷机的调相机构的示意图。
图9是不同结构的并联惯性管和单管惯性管调相的模拟结果对比示意图。
图10是实施例4的脉管制冷机的示意图。
其中：1.线性压缩装置；2.传输管；3.回热器热端换热器；4.回热器；5.回热器冷端换热器；6.U型连接管；7.脉管冷端换热器；8.脉管；9.脉管热端换热器；10.惯性管；11.气库；12.并联惯性管；13.调节阀；14.热桥；15.长径不同的并联惯性管；16.第二级线性压缩装置；17.第二级传输管；18.第二级回热器热端换热器；19.第二级回热器；20.第二级回热器冷端换热器；21.第二级U型连接管；22第二级脉管冷端换热器；23.第二级脉管；24.第二级脉管热端换热器；25.第二级并联惯性管；26.第二级气库。
具体实施方式
实施例1
如图3所示，本实施例的脉管制冷机包括：顺次连接线性压缩装置1、传输管2、回热器热端换热器3、回热器4、回热器冷端换热器5、U型连接管6、脉管冷端换热器7、脉管8、脉管热端换热器9、并联惯性管12、气库11，调节阀13安装在靠近并联惯性管12入口的位置。
而现有技术的制冷机如图4所示，除了惯性管10为单根以外，其余结构与本实施例相同。
在矢量图中表示脉管热端(即惯性管10入口)阻抗如图5所示。横轴表示阻抗R，纵轴表示感抗ωL，二者的矢量和为总阻抗Z，类比电路中的电阻，当惯性管并联之后总流阻减小，于是矢量图中的实部阻抗项减小，所以压力波和质量流之间的相角增大，调相能力增强。
如图6所示，反映了并联惯性管12总阻抗随惯性管长度变化的关系，在频率67Hz，充气压力2.5MPa，气库容积足够大的条件下，通过调节阀13的连续调节，阻抗和感抗同时变化，总阻抗矢量的端部沿着箭头移动，在这个变化的过程中，调相范围增大，通过连续变化，可以在不同工况下绘制出类似的图像，并找到一个最佳的调相状态。并且通过调节阀13的开闭，可以实现不同的并联惯性管组合，适应更多的工况条件。
实施例2
如图7所示，本实施例的结构与实施例1基本相同，不同之处在于，三根并联惯性管13接在脉管热端换热器9和气库11之间，各惯性管支路上的调节阀13都安装在靠近惯性管入口的位置，在不同的运行工况下，通过开闭调节阀13形成不同的惯性管组合，或者调节各并联支路上的调节阀13，满足相应工况下的调相需求。
实施例3
如图8所示，本实施例的结构与实施例1基本相同，不同之处在于，在入口压比1.2，频率60Hz，充气压力2.0MPa的条件下，并联惯性管长度或直径不同，具体的选择根据实际调相角度的需求进行，两根惯性管都接在脉管热端换热器9和气库11之间，较长的惯性管15可以适应性弯曲。
如图9所示，在入口压比1.2，频率60Hz，充气压力2.0MPa的条件下，通过模拟可以得到，在长度2m～2.5m范围内，不同长度惯性管并联之后调相角度比单根惯性管大，且略大于实施例1中相同惯性管并联之后的调相角度；在直径3mm以上，不同直径的惯性管并联之后调相角度比单根惯性管大，且大于实施例1中相同惯性管并联之后的调相角度。在设定工况下，通过模拟可以得出，一定长度和直径的变化范围内，并联惯性管最佳调相角度明显比单管惯性管大，且在达到相同调相角度的情况下，并联惯性管长度更短，系统更加紧凑。
实施例4
如图10所示，本实施例的脉管制冷机包括：顺次连接线性压缩装置1、传输管2、回热器热端换热器3、回热器4、回热器冷端换热器5、U型连接管6、脉管冷端换热器7、脉管8、脉管热端换热器9、并联惯性管12、气库11，组成制冷机的第一级，然后顺次连接第二级线性压缩装置16、第二级传输管17、第二级回热器热端换热器18、第二级回热器19、第二级回热器冷端换热器20、第二级U型连接管21、第二级脉管冷端换热器22、第二级脉管23、第二级脉管热端换热器24、第二级并联惯性管25和第二级气库26，组成制冷机的第二级，热桥14连接第一级回热器冷端换热器、第一级脉管冷端换热器和第二级回热器的中部，两级的惯性管都采用并联惯性管13，在不同的运行工况下，结构可以是实施例1、实施例2、实施例3中并联惯性管12的任意一种或者组合，满足相应工况下的最佳调相需求，使系统运行在最佳状态。

Claims (9)

1.一种脉管制冷机，包括依次连接的压缩单元、传输管、回热器单元、连接管、脉管单元、惯性管单元和气库，其特征在于，所述惯性管单元包括至少两根相互并联的惯性管。
2.如权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于，所述的惯性管单元中，至少有一根惯性管上安装有调节阀。
3.如权利要求2所述的脉管制冷机，其特征在于，所有惯性管分别安装有调节阀。
4.如权利要求2或3所述的脉管制冷机，其特征在于，在一根装有调节阀的惯性管中，所述的调节阀安装在靠近惯性管入口的位置。
5.如权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于，在一根装有调节阀的惯性管中，所述的调节阀距离惯性管入口的长度与惯性管的长度之比为1：11～1:9。
6.如权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于，所述的脉管制冷机为特林脉管制冷机。
7.如权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于，所述的脉管制冷机为多级。
8.如权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于，所有惯性管中，至少有两根惯性管的长度不同。
9.如权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于，所有惯性管中，至少有两根惯性管的直径不同。
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