CN106996655A - 一种带有套管式惯性管的脉管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带有套管式惯性管的脉管制冷机，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层结构的惯性套管；本发明设计的脉管制冷机，采用套管式惯性管进行调相，通过添加套管，减小了当量直径，增大了流阻和流感，从而增大调相，提升制冷机性能；采用套管式惯性管进行调相，套管可以采用多层嵌套，扩大了调相范围，增强了调相的灵活性。

Description

一种带有套管式惯性管的脉管制冷机
技术领域
本发明涉及高频脉管低温制冷机领域，特别涉及一种带有套管式惯性管的脉管制冷机。
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与气库作为调相器。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，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
本发明提供了一种带有套管式惯性管的脉管制冷机，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。
一种带有套管式惯性管的脉管制冷机，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层结构的惯性套管。
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。为了使调相范围更广，适应性更强，所述惯性套管，可以选择多层嵌套，每层套管长径可以不同。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，改变套管层数和套管长度、直径，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，调相角度呈螺旋式变化，不同套管情况下，惯性管阻抗实部虚部体现出不同的分布情况，当总阻抗的相角出现在单调增加的区间时，惯性套管调相增大。同时，采用这种灵活变化的结构，相对于传统的单管调相，明显提高了其调相的适应范围。
优选的，所述惯性套管的各层管之间通过径向延伸的连接片连接。上述结构迎风面积小，可以减小对振荡气流的影响，还可以保证较高的稳定性，并且结构简单，节省成本。
为了使内层的套管稳定安装，优选的，所述连接片设有至少两片，沿着周向均匀分布。
为了进一步增加调相角度，优选的，所述惯性套管的各层管中，至少有一组相邻两根管的长度不同。
优选的，所述惯性套管包括：
外套管，连接所述脉管单元和所述气库；
内套管，布置在外套管内且外壁通过连接片与外套管的内壁连接。上述结构有效增加调相角角度，同时结构较简单。
进一步优选的，所述内套管的长度比外套管的长度短。上述结构可以进一步增加调相角角度。
进一步优选的，所述外套管一端与所述内套管端部平齐，另一端与所述内套管另一端部之间的间隔区域为单管结构，所述单管结构端与所述气库连接。
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，脉管热端输入声功较小，采用惯性套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。
本发明的有益效果：
(1)本发明设计的脉管制冷机，采用套管式惯性管进行调相，通过添加套管，减小了当量直径，增大了流阻和流感，从而增大调相，提升制冷机性能。
(2)本发明设计的脉管制冷机，采用套管式惯性管进行调相，套管可以采用多层嵌套，扩大了调相范围，增强了调相的灵活性。
附图说明
图1是实施例1的惯性套管的结构示意图。
图2是图1的右视图。
图3是实施例1的脉管制冷机的结构示意图。
图4是实施例2的惯性套管的结构示意图。
图5是图4的右视图。
图6是实施例3的惯性套管的结构示意图。
图7是图6的右视图。
图8是不同结构的惯性套管和单管惯性管调相的模拟结果对比示意图。
图9是实施例4的脉管制冷机的结构示意图。
其中：1.外套管；2.内套管；3.连接片；4.线性压缩装置；5.传输管；6.回热器热端换热器；7.回热器；8.回热器冷端换热器；9.U型连接管；10.脉管冷端换热器 11.脉管；12.脉管热端换热器；13.惯性套管；14.气库；15.三层惯性套管；16.不同长径的惯性套管；17.热桥；21.第一内套管；22.第二内套管；23.第二级线性压缩装置；24.第二级传输管；25.第二级回热器热端换热器；26.第二级回热器；27.第二级回热器冷端换热器；28.第二级U型连接管；29.第二级脉管冷端换热器；30.第二级脉管；31.第二级脉管热端换热器；32.第二级惯性套管；33.第二级气库；101.单管结构。
具体实施方式
实施例1
如图1～3所示，本实施例的带有套管式惯性管的脉管制冷机，包括顺次连接的线性压缩装置4、传输管5、回热器热端换热器6、回热器7、回热器冷端换热器8、U型连接管9、脉管冷端换热器10、脉管11、脉管热端换热器12、惯性套管13、气库14。
本实施例中，惯性套管13为两层，包括：外套管1，脉管热端换热器12和气库14；内套管2，布置在外套管1内且外壁通过径向延伸的连接片3与外套管1的内壁连接。
如图8所示，在压比1.2，频率60Hz，充气压力2.0MPa的工况条件下，惯性管长度在1.5m～3m范围内时，惯性套管调相角度始终高于同条件下的单管惯性管。且外套管管径越大，则调相角度的提升越明显。
实施例2
如图4和5所示，本实施例除了惯性套管的结构以外，其余结构与实施例1相同。
本实施例中，三层惯性套管15为三层，包括：外套管1，脉管热端换热器12和气库14；第一内套管21，布置在外套管1内且外壁通过径向延伸的连接片3与外套管1的内壁连接；第二内套管22，布置在第一内套管21内且外壁通过径向延伸的连接片3与第一内套管21的内壁连接。
如图8所示，在压比1.2，频率60Hz，充气压力2.0MPa的工况条件下，三层惯性套管15的调相角度相比单管的调相角度也有较小幅度的提高。
实施例3
如图6和7所示，本实施例除了惯性套管的结构以外，其余结构与实施例1相同。
本实施例中，不同长径的惯性套管16为两层，包括：外套管1，脉管热端换热器12和气库14；内套管2，布置在外套管1内且外壁通过径向延伸的连接片3与外套管1的内壁连接。外套管1一端与内套管2端部平齐，另一端与内套管2另一端部之间的间隔区域为单管结构101，单管结构101端与所述气库14连接。
如图8所示，在压比1.2，频率60Hz，充气压力2.0MPa的工况条件下，不不同长径的惯性套管16相比同条件下的单管惯性管调相角度有小幅度的提升。
实施例4
如图9所示，本实施例的带有套管式惯性管的脉管制冷机，包括顺次连接线性压缩装置4、传输管5、回热器热端换热器6、回热器7、回热器冷端换热器8、U型连接管9、脉管冷端换热器10、脉管11、脉管热端换热器12、惯性套管13、气库14，组成制冷机的第一级，然后顺次连接线性压缩装置23、传输管24、回热器热端换热器25、回热器26、回热器冷端换热器27、U型连接管28、脉管冷端换热器29、脉管30、脉管热端换热器31、惯性套管32和气库33，组成制冷机的第二级，热桥17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惯性套管，结构可以是实施例1、实施例2和实施例3中惯性套管的任意一种或者组合，在一定的运行工况下，待系统稳定，记录相关数据，然后变化工况和套管形式，最后根据数据绘制惯性管入口阻抗变化曲线，找到最佳调相状态点。

Claims (9)

1.一种带有套管式惯性管的脉管制冷机，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层结构的惯性套管。
2.如权利要求1所述的带有套管式惯性管的脉管制冷机，其特征在于，所述惯性套管的各层管之间通过径向延伸的连接片连接。
3.如权利要求1所述的带有套管式惯性管的脉管制冷机，其特征在于，所述连接片设有至少两片，沿着周向均匀分布。
4.如权利要求1所述的带有套管式惯性管的脉管制冷机，其特征在于，所述惯性套管的各层管中，至少有一组相邻两根管的长度不同。
5.如权利要求2所述的带有套管式惯性管的脉管制冷机，其特征在于，所述惯性套管包括：
外套管，连接所述脉管单元和所述气库；
内套管，布置在外套管内且外壁通过连接片与外套管的内壁连接。
6.如权利要求5所述的带有套管式惯性管的脉管制冷机，其特征在于，所述内套管的长度比外套管的长度短。
7.如权利要求6所述的带有套管式惯性管的脉管制冷机，其特征在于，所述外套管一端与所述内套管端部平齐，另一端与所述内套管另一端部之间的间隔区域为单管结构，所述单管结构端与所述气库连接。
8.如权利要求1所述的带有套管式惯性管的脉管制冷机，其特征在于，所述的脉管制冷机为特林脉管制冷机。
9.如权利要求1所述的带有套管式惯性管的脉管制冷机，其特征在于，所述的脉管制冷机为多级。
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