CN108168133B - 一种惯性管脉管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种惯性管脉管制冷机，包括压缩机和冷头，所述的冷头包括顺次连接的热端换热器、回热器、冷端换热器、惯性管和脉管，所述的热端换热器连接压缩机，在脉管处还连接有功耗散装置，并用以耗散气体的膨胀功。与现有技术相比，本发明通过在脉管处设置功耗散装置，可以有效消耗气体的膨胀功，从而保证制冷机的制冷效果，相比于采用压缩机工作腔回收膨胀功的方式，虽然由于无法回收膨胀功而使得理论效率略有降低，但是却极大的简化了压缩机的结构，在保持紧凑的特征下，减少制造成本，具有很大的实际意义。

Description

一种惯性管脉管制冷机
技术领域
本发明涉及一种制冷机，尤其是涉及一种惯性管脉管制冷机。
背景技术
在一种阶梯活塞型直线压缩机驱动的惯性管脉管制冷机中，冷头由热端换热器、回热器、低温换热器、脉管、惯性管和气库组成。阶梯活塞与阶梯气缸形成两个工作腔，一个工作腔通过放热器连接于回热器室温端，另一个工作腔连接于气库。脉管的冷端的气体的膨胀功一部分通过惯性管耗散掉，余下的通过惯性管到达气库被连接于气库的工作腔回收。其效率要高于简单的惯性管脉管制冷机。惯性管是一根细长管，气体在里面高速往复流动，惯性管两端的压力波相位相差约180度。由于惯性管在室温下，气体的粘度大，因而产生很大的损失。同时，室温下的气体的声速很大，惯性管很长，系统不紧凑。中国专利201310597043.8公开了一种惯性管脉管装置，包括冷头和压缩机，所述的冷头包括热端换热器，回热器，冷量换热器，惯性管，脉管。所述的压缩机具有两个同相工作腔，所述的脉管与压缩机其中一个工作腔连接，所述的热端换热器与压缩机另一个工作腔连接；由于惯性管在低温下，气体粘度较小，同时由于气体声速减低而带来惯性管长度的减小，从而使惯性管的损失减低，也变得紧凑。理论上，这种结构的效率和卡诺一样，但阶梯活塞与阶梯气缸总比简单的活塞和气缸复杂。如果能够采用简单的活塞气缸，并使惯性管置于低温下获得结构紧凑的方法存在，将是很有意义的。
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惯性管脉管制冷机。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种惯性管脉管制冷机，包括压缩机和冷头，所述的冷头包括顺次连接的热端换热器、回热器、冷端换热器、惯性管和脉管，所述的热端换热器连接压缩机，在脉管处还连接有功耗散装置，并用以耗散气体的膨胀功。
优选的，所述的冷头设有并排设置的m列，每列设有串联连接的n级，每一级冷头由一个热端换热器、一个回热器、一个冷端换热器、一个惯性管和一个脉管组成，其中，同一列中，第1级冷头连接压缩机，第2级冷头至第n级冷头介于第一级冷头与功耗散装置之间，m、n均为正整数。
更优选的，位于同一列的相邻两级冷头之间，在下一级冷头的回热管中部加设预冷换热器，并采用热桥热连接所述的预冷换热器和上一级冷头的冷端换热器。
优选的，所述的功耗散装置由一个子脉管制冷机组成，所述的子脉管制冷机包括一个热端换热器、一个回热器、一个冷端换热器、一个脉管、一个惯性管和一个气库。
更优选的，在m列冷头的不同两列冷头中，其中一列冷头的任一级冷头的回热器中部设有预冷换热器，并采用热桥连接另一列冷头的任一级冷头的冷端换热器。
优选的，所述的冷头设有n个，相邻的两个冷头中，后一个的冷头的回热器高温端连接上一个冷头的回热器的低温端。
优选的，所述的功耗散装置包括依次连接脉管的功耗散管和气库。
优选的，所述的功耗散装置由与脉管连接的气库，以及置于气库中部的多孔介质组成，所述的多孔介质满足：气体流过多孔介质时会产生不可逆传热损失或流阻损失。
优选的，在脉管的热端还连接有脉管死容积。
一种惯性管脉管制冷机，包括压缩机和n个冷头，每个冷头包括顺次连接的热端换热器、回热器、冷端换热器、惯性管和脉管，所述的n个冷头依次串列连接，最后一个冷头的脉管的室温端有调相器。
与现有技术相比，本发明通过在脉管处设置功耗散装置，可以有效消耗气体的膨胀功，从而保证制冷机的制冷效果，相比于采用压缩机工作腔回收膨胀功的方式，虽然由于无法回收膨胀功而使得理论效率略有降低，但是却极大的简化了压缩机的结构，在保持紧凑的特征下，减少制造成本，具有很大的实际意义。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例3的结构示意图；
图4为本发明实施例4的结构示意图；
图5为本发明实施例5的结构示意图；
图6为本发明实施例6的结构示意图；
图7为本发明实施例7的结构示意图；
图8为本发明实施例8的结构示意图；
图9为本发明实施例9的结构示意图；
图中，1-压缩机，11-活塞，12-气缸，2-第一冷头，21-第一热端换热器，22-第一回热器，23-第一冷端换热器，24-第一惯性管，25-第一脉管，3-第二冷头，31-第二热端换热器，32-第二回热器，321-预冷换热器，322-热桥，33-第二冷端换热器，34-第二惯性管，35-第二脉管，3a-第三冷头，4-第一功耗散装置，41-第一功耗散管，42-第一气库，43-第一脉管死容积，44-多孔介质。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例的制冷机由压缩机1，第一冷头2，第一功耗散装置4组成。压缩机1由活塞11和气缸12组成，形成压缩腔13，第一冷头2由依次连接的第一热端换热器21、第一回热器22、第一冷端换热器23、第一惯性管24、第一脉管25顺次连接而成。第一功耗散装置4由功耗散管41和第一气库42组成。压缩腔13与第一热端换热器21相连接，第一功耗散管41与第一脉管25相连接。
活塞11一般由直线电机驱动，也可由其他原动机驱动。
工作时，活塞11往复运动从而使冷头的气体左往复运动，压力周期性的波动。活塞11输入功，气体在第一热端换热器21散热，气体在第一冷端换热器23吸热产生冷量。这个冷量是由在第一冷端换热器23右端的气体膨胀做功制的，气体的膨胀功通过第一惯性管24到达第一脉管25，并由通过第一功耗散管41的气体的往复流动的不可逆损失耗散掉。脉管的左端为室温端，这里，第一冷端换热器23、第一惯性管24处于低温。第一惯性管24的一个重要作用是对第一回热器22调相，使气体流量与压力波在回热器冷端有一个最佳的相位差，提高回热效率，进而提高制冷效率。
这里第一功耗散管41可是惯性管，或毛细管，也可是小孔或节流阀，或其他节流装置。
这里，惯性管由于在低温，长度变短，同时由于在低温，气体导热系数和粘度变小，膨胀功通过惯性管损失小部分后，通过脉管传递到脉管的室温端由功耗散装置耗散掉。功耗散装置耗散功的原理是气体通过节流阀时的阻力很大，从而产生很大的不可逆损失。耗散掉的功等于脉管从冷端到热端的焓流，即为制冷机的毛制冷量。毛制冷量减去回热器等的损失即为制冷量。
如果没有功耗散装置，这个系统的制冷效率很低，其制冷量主要来源于气体与回热器之间的换热，这时，回热器的换热面积要类似于热声制冷机的板叠。这时惯性管仅起到产生驻波的效应。
这个机器的优点是压缩机是传统的压缩机，结构简单，惯性管在低温，长度比较短，结构紧凑。缺点是膨胀功无法回收，理论效率较低。
实施例2
图1中，第一惯性管24由于气体的流动阻力和传热，在第一惯性管里有一部分耗散，这部分功耗散在低温下，是一种损失，如果让第一惯性管24长度变短，则可使这部分损失减小。按照热声理论，第一脉管25的容积大一些，则第一惯性管24长度可变短。理论上，第一脉管25有最佳容积，过大则由于气体的膨胀压缩引起的与壁面的不可逆传热损失增大，过小则使冷端气团与热端气团的距离过小而引起过大的轴向导热损失。因此，本实施例采用在脉管的热端加第一脉管死容积43的方式同样可使第一惯性管24长度变短，如图2所示。
实施例3
如图3所示，本实施例中的功耗散装置由第一气库42和其内的多孔介质44组成。第一气库42直接连接与第一脉管25相连接。多孔介质44可以为多孔烧结金属或丝网，或其他形式的有一定换热面积的介质，且其散热面积要适中，以保证气体在多空介质中有足够的不可逆传热损失与流阻损失，从而将功耗散掉。其余结构均与实施例1一样。
实施例4
如图4所示，本实施例在图1所示的脉管制冷机的第一脉管25的室温端与第一功耗散装置4之间接入第二冷头3，第二冷头3由依次连接的第二热端换热器31、第二回热器32、第二冷端换热器33、第二惯性管34、第二脉管35顺次连接而成。第二脉管35与第一功耗散管41相连接，第二热端换热器31与第一脉管25的室温端相连接。这样第二冷头3可利用第一冷头2的膨胀功进一步制冷提高效率。而且也可占据第一脉管死容积43的位置。这是，可在第一冷端换热器23和第二冷端换热器33处获得冷量，并且，二者的制冷温度可不同，从而使应用更广泛。这里第二冷头的工作原理与第一冷头一样。这种结构可看作是串列脉管制冷机。
实施例5
如图5所示，本实施例将图4中的第二冷头3的第二惯性管34省略变为第三冷头3a。这时可将第一功耗散管41变为惯性管用以对第二回热器32调相。
实施例6
如图6所示，本实施例将图4中的第二回热器33大约中部加预冷换热器321，并于第一冷端换热器23用热桥322热联结，则可使图5的串列脉管制冷机变成预冷型多级脉管制冷机。
实施例7
如图7所示，本实施例在图1的基础上，在回热器22的冷端接入第三冷头3a，并在第三冷头3a的脉管35处接入第二功耗散装置5，第二功耗散装置5由第二气库51和第二功耗散管51组成。这时，可在第二冷量换热器33处获得更低的温度。
实施例8
如图8所示，本实施例将图7中的第三冷头3a换成第二冷头2。
实施例9
如图9所示，本实施例将图6中的第二级冷头3直接接于压缩腔13，形成并列的两列冷头，同时，在第一冷头2后接第一功耗散装置4，在第二冷头3后接第二功耗散装置5。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种惯性管脉管制冷机，包括压缩机和冷头，所述的冷头包括顺次连接的热端换热器、回热器、冷端换热器、惯性管和脉管，所述的热端换热器连接压缩机，其特征在于，在脉管处还连接有功耗散装置。
2.根据权利要求1所述的一种惯性管脉管制冷机，其特征在于，所述的冷头设有并排设置的m列，每列设有串联连接的n级，每一级冷头由一个热端换热器、一个回热器、一个冷端换热器、一个惯性管和一个脉管组成，其中，同一列中，第1级冷头连接压缩机，第2级冷头至第n级冷头介于第一级冷头与功耗散装置之间，m、n均为正整数。
3.根据权利要求2所述的一种惯性管脉管制冷机，其特征在于，位于同一列的相邻两级冷头之间，在下一级冷头的回热器中部加设预冷换热器，并采用热桥热连接所述的预冷换热器和上一级冷头的冷端换热器。
4.根据权利要求1或2所述的一种惯性管脉管制冷机，其特征在于，所述的功耗散装置由一个子脉管制冷机组成，所述的子脉管制冷机包括一个热端换热器、一个回热器、一个冷端换热器、一个脉管、一个惯性管和一个气库。
5.根据权利要求2所述的一种惯性管脉管制冷机，其特征在于，在m列冷头的不同两列冷头中，其中一列冷头的任一级冷头的回热器的中部设有预冷换热器，并采用热桥连接另一列冷头的任一级冷头的冷端换热器。
6.根据权利要求1所述的一种惯性管脉管制冷机，其特征在于，所述的冷头设有n个，相邻的两个冷头中，后一个的冷头的回热器高温端连接上一个冷头的回热器的低温端。
7.根据权利要求1所述的一种惯性管脉管制冷机，其特征在于，所述的功耗散装置包括依次连接脉管的功耗散管和气库。
8.根据权利要求1所述的一种惯性管脉管制冷机，其特征在于，所述的功耗散装置由与脉管连接的气库，以及置于气库中部的多孔介质组成，所述的多孔介质满足：气体流过多孔介质时会产生不可逆传热损失或流阻损失。
9.根据权利要求1所述的一种惯性管脉管制冷机，其特征在于，在脉管的热端还连接有脉管死容积。
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