CN107192154A - 一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机，该脉管制冷机中的脉管中设有沿脉管长度方向设置的隔膜，所述隔膜将脉管分隔成若干沿脉管长度方向分布的管道。与现有技术相比，本发明在脉管中嵌入隔膜后，增加了脉管的长径比，减小脉管内的流动损失，从而进一步提高脉管的制冷效率。
Description
技术领域
本发明涉及制冷机技术领域，具体涉及一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机。
背景技术
20世纪60年代提出的脉管制冷机，直到经过1984年引入小孔和90年代增加双向进气及引入惯性管等重大改进，使实用成为可能后，才成为低温界研究的热点，并逐渐走上实用化。与斯特林制冷机相比，脉管制冷机由于不存在低温下的运动部件，具有如下优点：低温下无运动磨损，无间隙密封，无电磁干扰，低机械振动，成本低，可靠性高，免维修，寿命长。这些优点对低温制冷机而言是十分可贵的，可以更好地满足高新技术领域的需要。
随着军事、航空航天、医药、生物技术、农业、交通等诸多领域对低温环境的需求，脉管制冷机的发展取得了长足的进步。对于回热式制冷机来说，获得很大的制冷功率一般不是追求的目标。在我国，2002年前所谓的大冷量、大尺寸脉冲管的要求是在80K获得约10W左右的冷量。国际上2002年前也是这样的一个趋势。但此后，事情发生了突破性的变化。2003年突然有了制冷量为500W/80K、 200W/60K、100W/30K这样要求的高频脉管制冷机。这意味着制冷功率的要求要比此前的所谓大冷量大二个数量级。深究起来发现，这是高温、低温超导技术在电力工程方面的进展以及气体液化、分离工业等提出的要求。譬如30W-100W/25-30K是船用超导电动机提出的要求；500W/80K的脉冲管是高温超导电缆的要求。因此对长寿命、大冷量制冷机的需求日益增长。而常规制冷机在热效率、振动、噪音和无维护运行寿命等方面存在问题，不能满足日益增长的大冷量需求。而高频大冷量脉管制冷机可以在80K温区提供百瓦乃至千瓦以上的制冷量，有望满足这一需求。因此大功率脉管制冷机逐渐提到了日程，并逐渐成为低温制冷领域的研究热点。美国、德国、法国、日本等发达国家纷纷加入了竞争行列，在制冷温度和制冷功率上都取得了一定进展，但是离既定目标还存在相当距离。研究表明大功率脉管制冷机绝非是现有小功率制冷机尺寸的简单放大，很多复杂的传热与流动问题仅仅产生于大功率的脉管制冷机中。
大功率脉管制冷机的主要特征是回热器和脉管呈现短而粗的特点。对于小冷量的脉管制冷机来说，回热器和脉管的长度都在0.05-0.1m的范围，此时的脉管的长径比(长度/直径)一般要在2-20的量级。脉管的体积随功率的增大而增大，往往由于布置空间的限制，长度难以同步增大，尤其是对于同轴型要求脉管长度与回热器长度近似相等，因此造成脉管的截面积随之增大。脉管的长径比在2左右(不同的体积对应有不同的最优长径比)。短粗结构的主要问题是容易造成脉管内流动不稳定和不均匀。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机，该脉管制冷机中的脉管中设有沿脉管长度方向设置的隔膜，所述隔膜将脉管分隔成若干沿脉管长度方向分布的管道。
理想的脉管制冷机中热力学过程为可逆过程，即脉管中的气体与管壁绝缘，脉管中的流动是一维交变流动。这是可以形象地把脉管冷端和热端之间的气体称为气体活塞。而实际运行中，由于脉管本身的粗糙度、气体与管壁的导热、脉管进出口的非均匀性等因素的存在，脉管中的流动是不理想的。大冷量脉管制冷机中体积流率大，脉管长径比小，脉管中容易发生不均匀流动现象。脉管内流动损失可分为表面泵热损失(穿梭损失)和二次流损失。这其中，由于大尺寸脉管制冷机的长径比小，边界层占整个截面的比例较小，因此表面泵热现象对大尺寸脉管制冷机的性能影响较小，因此脉管中的损失以流动损失为主。在流动损失中，以瑞利流和射流为主，其中，由于大尺寸脉管制冷机的长径比小，脉管壁对脉管中气体的热力学作用很弱，加之制冷机体积流率大，脉管中的射流容易产生并发展，成为影响大尺寸脉管制冷机性能的一个重要因素。本发明着眼于解决大尺寸脉管制冷机中脉管内气体流动不均匀性，通过在大尺寸脉管中嵌入导流隔膜后，将原大尺寸脉管分割成众多区间，实际上增大了脉管的长径比，减少了脉管内瑞利流、射流带来的流动损失，进而提高大功率脉管制冷机的效率。
优选的，所述的隔膜包括位于脉管中心并与脉管同轴设置的圆筒状隔膜以及均匀连接在圆筒状隔膜外壁及脉管内壁之间的若干片状隔膜，所述片状隔膜的延伸面经过脉管的轴心。
所述圆筒状隔膜的内径与脉管的内径之比n为0.1≤n≤0.5。
所述片状隔膜的数量为2～100。
另一种优选的隔膜形式为，所述的隔膜包括均匀连接在脉管轴心及脉管内壁之间的若干板状隔膜。
所述板状隔膜的数量为2～100。
第三种优选的隔膜形式为：所述的隔膜包括多条相互平行的横向隔膜和多条相互平行的竖向隔膜，且相邻横向隔膜或相邻竖向隔膜之间的距离相同，所述横向隔膜和竖向隔膜相互垂直。
所述横向隔膜的数量为2～100，所述竖向隔膜的数量为2～100。
本发明所用的圆筒状隔膜、片状隔膜或板状隔膜具有一定的刚性且具有良好的导流特性，但导流隔膜的材质、数量和形状可按需求设计。
本发明的脉管可适用于所有的脉管制冷机，包括GM型脉管制冷机或斯特林型脉管制冷机；包括单级脉管制冷机或多级脉管制冷机；包括同轴型、U型、直线型等结构形式的脉管制冷机；包括小孔型脉管制冷机、双向进气型脉管制冷机、惯性管型脉管制冷机、活塞调相型脉管制冷机、双向进气与惯性管联合调相型脉管制冷机或活塞与惯性管联合调相型脉管制冷机。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：在脉管中嵌入隔膜后，增加了脉管的长径比，减小脉管内的流动损失，从而进一步提高脉管的制冷效率。
附图说明
图1为实施例1所用的脉管制冷机的连接示意图；
图2为实施例1所用脉管的横截面结构示意图；
图3为实施例2所用脉管的横截面结构示意图；
图4为实施例3所用脉管的横截面结构示意图。
其中，1为压缩机，2为水冷器，3为回热器，4为冷端换热器，5为脉管，6 为热端换热器，7为惯性管，8为气库，9为圆筒状隔膜，10为片状隔膜，11为板状隔膜，12为横向隔膜，13为竖向隔膜。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机，其结构如图1所示，本实施例采用斯特林型脉管制冷机，包括依次连接的压缩机1、水冷器2、回热器3、冷端换热器4、脉管5、热端换热器6、惯性管7和气库8。其中，脉管5中设有沿脉管长度方向设置的隔膜，隔膜包括位于脉管5中心并与脉管5同轴设置的圆筒状隔膜9以及均匀连接在圆筒状隔膜9外壁及脉管5内壁之间的8块片状隔膜10，片状隔膜10的延伸面经过脉管5的轴心，具体形式见图2。本实施例在原有整体式大尺寸脉管上改进，在原有大尺寸脉管内增设隔膜实质上是增大了大尺寸脉管的长径比，减少了脉管内瑞利流、射流带来的流动损失，进而提高大功率脉管制冷机的效率。
经实验验证，再脉管中嵌入隔板后，该高脉管膨胀效率的脉管制冷机的制冷效率比没有隔板的脉管制冷机高5％，达到98％以上。
实施例2
采用与实施例1相同的脉管制冷机，不同之处在于，脉管内采用的隔板形式不同，本实施例采用的隔膜如图3所示，包括均匀连接在脉管5轴心及脉管5内壁之间的8块板状隔膜11。
经实验验证，再脉管中嵌入隔板后，该高脉管膨胀效率的脉管制冷机的制冷效率比没有隔板的脉管制冷机高4.8％，达到97.8％以上。
实施例3
采用与实施例1相同的脉管制冷机，不同之处在于，脉管内采用的隔板形式不同，本实施例采用的隔膜如图4所示，包括2块横向隔膜12和2块竖向隔膜13，横向隔膜12和竖向隔膜13将脉管5分成9个区域。
经实验验证，再脉管中嵌入隔板后，该高脉管膨胀效率的脉管制冷机的制冷效率比没有隔板的脉管制冷机高4.5％，达到97.5％以上。
Claims (8)
1.一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机，其特征在于，该脉管制冷机中的脉管中设有沿脉管长度方向设置的隔膜，所述隔膜将脉管分隔成若干沿脉管长度方向分布的管道。
2.根据权利要求1所述的一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机，其特征在于，所述的隔膜包括位于脉管中心并与脉管同轴设置的圆筒状隔膜以及均匀连接在圆筒状隔膜外壁及脉管内壁之间的若干片状隔膜，所述片状隔膜的延伸面经过脉管的轴心。
3.根据权利要求2所述的一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机，其特征在于，所述圆筒状隔膜的内径与脉管的内径之比n为0.1≤n≤0.5。
4.根据权利要求2所述的一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机，其特征在于，所述片状隔膜的数量为2～100。
5.根据权利要求1所述的一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机，其特征在于，所述的隔膜包括均匀连接在脉管轴心及脉管内壁之间的若干板状隔膜。
6.根据权利要求5所述的一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机，其特征在于，所述板状隔膜的数量为2～100。
7.根据权利要求1所述的一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机，其特征在于，所述的隔膜包括多条相互平行的横向隔膜和多条相互平行的竖向隔膜，且相邻横向隔膜或相邻竖向隔膜之间的距离相同，所述横向隔膜和竖向隔膜相互垂直。
8.根据权利要求7所述的一种高脉管膨胀效率的脉管制冷机，其特征在于，所述横向隔膜的数量为2～100，所述竖向隔膜的数量为2～100。
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