CN108344200B - 一种复合脉管制冷机装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合脉管制冷机装置，包括压缩机、热端换热器、n级冷头和功吸收器，n为不小于1的整数，每一级冷头包括回热器、冷端换热器和脉管组件，至少其中一级的冷头的脉管组件为复合型脉管组件，所述的复合型脉管组件由惯性管和设置在惯性管两端的脉管组成。与现有技术相比，本发明采用复合脉管的方案，组成脉管‑惯性管‑脉管的复合型结构，从而有效的将后一级的膨胀功传输到环境，这样既可以让惯性管在低温下运行增加调相能力，又减小第一级的热负荷，特别适合于多级脉管制冷机。

Description

一种复合脉管制冷机装置

技术领域

本发明涉及一种制冷机装置，尤其是涉及一种复合脉管制冷机装置。

背景技术

多级脉管制冷机装置是获得低温的有效手段。在多级脉管制冷机装置中，一般采用惯性管做调相器，其调相能力取决于膨胀功的大小。一般第一级的膨胀功足够大，调相能力足够，而第二级的制冷量一般很小，采用惯性管调相不足，因此第二级在35K时的制冷效率还比较理想，已经在空间上成功应用，而到20K以下的制冷温区，到目前位置效率仍然很低，难以满足要求。一种方案是采用将后一级的惯性管让第一级冷头冷却的方案，这个方案可让惯性管获得足够的调相能力，因为气体的粘性和导热系数减小，从而减小了气体流过惯性管的损失，由于气体的温度降低，声速减低，从而减小了惯性管的长度，也减小了气体流过惯性管的损失。但这使后级的膨胀功耗散在第一级，这样白白消耗了第一级的制冷量，效率仍然不高，因此，这个方案也仅仅停留在实验室阶段。

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复合脉管制冷机装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种复合脉管制冷机装置，包括压缩机、热端换热器、n级冷头和功吸收器，n为不小于1的整数，每一级冷头包括回热器、冷端换热器和脉管组件，至少其中一级的冷头的脉管组件为复合型脉管组件，所述的复合型脉管组件由惯性管和设置在惯性管两端的脉管组成。本发明中，热端换热器的作用主要是使得压缩机的输入功进入冷头前，通过所述热端换热器换热，因此，热端换热器不局限于结构或安装方式，只要是可以实现此功能的结构或部件均符合本发明“热端换热器”的定义。

作为一个优选的实施方案，当n≥2时，所述的n级冷头中，第1级冷头的脉管组件由接在其冷端换热器后的脉管组成，其余级冷头的脉管组件为所述复合型脉管组件。

作为上述优选实施方案的更优选，第1级冷头的脉管组件中，在脉管和冷端换热器之间还设有惯性管。

作为上述优选实施方案的更优选，所述的n级冷头中，n≥2，每一级冷头通过热端换热器连接压缩机的工作腔，其脉管组件连接功吸收器，第2级冷头至第n级冷头的回热器中均设有预冷换热器，后一级冷头的惯性管还热连接在前面任一级冷头的冷端换热器。

作为上述更优选实施方案的进一步优选，后一级冷头的惯性管还热连接前一级冷头的冷端换热器。

作为上述更优选实施方案的进一步优选，所述的n级冷头中，第1级冷头通过热端换热器连接压缩机的工作腔，第1级冷头至第n级冷头中，后一级冷头的回热器接在前一级冷头的回热器后，后一级冷头的惯性管还热连接在前面任一级冷头的冷端换热器，每一级冷头的脉管组件后还接有功吸收器。

作为上述更优选实施方案的进一步优选，后面任一级冷头的惯性管热连接第1级冷头的冷端换热器。

作为上述更优选实施方案的进一步优选，后一级冷头的惯性管热连接前一级冷头的冷端换热器。

作为一个优选的实施方案，当n＝1时，所述的冷头中的回热器中还设有预冷换热器，并热连接所述预冷换热器和惯性管，此时，所述的冷头的预冷换热器还热连接外部冷源。

作为一个优选的实施方案，所述的功吸收器为压缩机中的膨胀腔，或接在脉管组件后的气库管子和气库，所述的气库管子为功耗散管，包括惯性管、毛细管、小孔或节流阀。

对于本方案中的多级冷头，各级冷头的热端换热器可以集成一体化，以简化整体结构。

与现有技术相比，本发明采用复合脉管的方案，组成脉管-惯性管-脉管的复合型结构，从而有效的将后一级的膨胀功传输到环境，这样既可以让惯性管在低温下运行增加调相能力，又减小第一级的热负荷，特别适合于多级脉管制冷机。

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；

图中，1-第一级冷头，11-第一级热端换热器，12-第一级回热器，13-第一级冷端换热器，15-第一级惯性管，16-第一级脉管，161-第一级第二脉管气体均匀器a，162-第一级第二脉管气体均匀器b，17-第一级气库管子，180-第一级功吸收器，18-第一级气库，2-第二级冷头，21-第二级热端换热器，22a-第二级回热器第一段，22b-第二级回热器预冷段，22c-第二级回热器第二段，23-第二级冷端换热器，24-第二级第一脉管，241-第二级第一脉管气体均匀器，25-第二级惯性管，26-第二级第二脉管，261-第二级第二脉管气体均匀器c，262-第二级第二脉管气体均匀器d，27-第二级气库管子，280-第二级功吸收器，28-第二级气库，3-第三级冷头，32-第三级回热器，33-第三级冷端换热器，34-第三级第一脉管，341-第三级第一脉管气体均匀器，35-第三级惯性管，36-第三级第二脉管，361-第三级第二脉管气体均匀器c，362-第三级第二脉管气体均匀器d，37-第三级气库管子，380-第三级功吸收器，38-第三级气库，4-压缩机，41-活塞，41a-二级阶梯活塞，41b-三级阶梯活塞，42-气缸，42a-二级阶梯气缸，42b-三级阶梯气缸，43-第一压缩腔，44-第二压缩腔，45-第三压缩腔，51-热桥a，52-热桥b，53-热桥c。

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

一种复合脉管制冷机装置，如图1所示，包括压缩机4、第二级冷头2，第二级功吸收器180。

压缩机4包括活塞41，气缸42，压缩腔43；第二级冷头2包括第二级热端换热器21，第二级回热器第一段22a，第二级回热器预冷段22b，第二级回热器第二段22c，第二级冷端换热器23，第二级复合脉管240；第二级复合脉管240由第二级第一脉管24，第二级惯性管25和第二级第二脉管26组成；第二级功吸收器280由第二级气库28和第二级气库管子27组成，第二级气库管子27接于第二级第二脉管26室温端。各脉管两端可加气体均匀器。第二级第一脉管24的热端有第二级第一脉管气体均匀器241，第二级第二脉管的两端分别有第二级第二脉管气体均匀器c261和第二级第二脉管气体均匀器d262。各个气体均匀器也可起到换热器的作用，如第二级冷端换热器23也可起到气体均匀器的作用。

这个系统是一个搭建多级脉管制冷机的原理图，需要外部冷源对第二级回热器预冷段22b和第二级惯性管25提供冷量。本实施例可用在有低温冷量，并需更低温度冷量的场合，如在实验室采用其他制冷机预冷本制冷机以获得更低制冷温度。

这个系统的脉管是一个复合型脉管，由惯性管两端分别加一个脉管组成。

工作时，活塞41在气缸42内往复运动压缩压缩腔43里的气体，气体在第二级热端换热器21散热后流经第二级回热器和第二级冷端换热器13后到达第二级第一脉管24的冷端膨胀做功。膨胀功经过第二级第一脉管24传输到热端经惯性管25传输到第二级第二脉管26后被功吸收器280变为热散入环境。第二级气库管子27既可以是惯性管，也可以是毛细管，也可以用小孔或节流阀取代。气体流过第二级气库管子27时由于流动阻力和传热会将膨胀功变为热而散失在环境。第二级惯性管25的工作温度在第二级温度下，其温度比第二级冷端换热器23的温度高，膨胀功在第二级惯性管25内消耗一部分成为低温的热负荷，剩余部分通过第二级第二脉管26传输到室温变为热散入环境。如果没有第二级第二脉管26，则全部的膨胀功变为第二级的热负荷，系统的效率降低。

这个方案可让惯性管获得足够的调相能力，因为气体的粘性和导热系数减小，从而减小了气体流过惯性管的损失，由于气体的温度降低，声速减低，从而减小了惯性管的长度，也减小了气体流过惯性管的损失。这样，只要较小的膨胀功即可获得足够的调相能力。

惯性管的调相原理是惯性管有一个合适的长度和直径，从而气体在惯性管里面振动，产生一个与气体压力成90度的气流分量，这个分量可调整回热器冷端的气流与压力的相位差，从而使回热器的损失减小，进而提高制冷机的效率。气体在惯性管里面振动需要能量，在低温下需要的能量低减，因此，膨胀功的一部分用于让气体在惯性管里面振动，另一部分通过第二级第二脉管传输到室温端散失在环境里。

这个方案的不足之处是惯性管仍然有损失，这部分损失是第二级的热负荷。与以前的冷惯性管相比，损失减小了。如果第二级的制冷量太小，则没有功可传输到室温端，因此这个方案的应用范围也是有一定限制的。这个方案可用于多级形式。

热端换热器既可以和冷头在一起；也可以和压缩机在一起；也可以成为一个单独的单元，这时冷头不包括热端换热器，冷头通过热端换热器与压缩机相连，换热效果是一样的。在制冷效率要求不高的情况下，热端换热器仅仅是压缩机出口处的连接管，或气缸壁直接散热。

实施例2

一种复合脉管制冷机装置，如图2所示，包括压缩机4，第二级冷头2，第二级功吸收器280。

压缩机4包括二级阶梯活塞41a，二级阶梯气缸42a，压缩腔43和第二膨胀腔44；第二级冷头2的第二级第二脉管26接入第二膨胀腔44吸收膨胀功。这里功吸收器280为第二膨胀腔44。为了减小第二级第二脉管26的容积，第二膨胀腔44可增大死容积，或第二级第二脉管26与第二膨胀腔44之间的连接管可有大的死容积，如气库等。

这个实施例的优点是一部分膨胀功直接被第二膨胀腔44接受，效率提高，但缺点是结构复杂。

实施例3

一种复合脉管制冷机装置，如图3所示，包括压缩机4，第二级冷头2，第二级功吸收器280。

压缩机4包括二级阶梯活塞41a，二级阶梯气缸42a，压缩腔43和第二膨胀腔44；第二级冷头2包括第二级热端换热器21，第二级回热器第一段22a，第二级回热器预冷段22b，第二级回热器第二段22c，第二级冷端换热器23，第二级复合脉管240；第二级复合脉管240由第二级第一脉管24，第二级惯性管25和第二级第二脉管26组成；第二级功吸收器280为第二膨胀腔44。

本实施例即在实施例2的基础上，新增热桥b52连接第二级回热器预冷段22b和第二级惯性管25。外部冷源对第二级回热器预冷段22b提供冷量，同时由热桥b52传递给第二级惯性管25，这样气体的粘度降低，导热系数降低，从而减小气体流过惯性管的损失，同时由于声速的减低，惯性管的长度减低，从而减小气体流过惯性管损失。

实施例4

一种预冷式双级级脉管制冷机装置，如图4所示，包括压缩机4和第一级冷头1，第一级功吸收器180，第二级冷头2，第二级功吸收器280。

压缩机4包括活塞41，气缸42，压缩腔43；

第一级冷头1包括第一级热端换热器11，第一级回热器12，第一级冷端换热器13，第一级脉管16；第一级功吸收器180由第一级气库18和第一级气库管子17组成，第一级气库管子17接于第一级脉管16室温端。第一级脉管16的两端有第一级第二脉管气体均匀器c161和第一级第二脉管气体均匀器d162。在第一级脉管16与第一级冷端换热器13之间连接有第一级惯性管15。

第二级冷头2包括第二级热端换热器21、第二级回热器第一段22a、第二级回热器预冷段22b、第二级回热器第二段22c、第二级冷端换热器23、第二级第二脉管26，在第二级第二脉管26和第二级冷端换热器23之间还连接有第二级惯性管25，在第二级惯性管25和第二级冷端换热器23之间还接有第二级第一脉管24，这样，第二级第一脉管24、第二级惯性管25和第二级第二脉管26组合形成第二级复合脉管。第二级功吸收器280有第二级气库28和第二级气库管子27组成，第二级气库管子27接于第二级第二脉管26室温端。

同时，热桥a51将第一级冷端换热器13、第二级回热器预冷段22b和第二级惯性管25置于第一级制冷温度下，为了简化结构，可以将第一级冷端换热器13、第二级回热器预冷段22b和第二级惯性管25集成一体化。由于气体的粘度降低，导热系数降低，从而减小气体流过第二级惯性管25的损失，同时由于声速的减低，第二级惯性管25的长度减低，从而减小气体流过第二级惯性管25损失。这样，在同样的调相能力下，需要的功就减小，并有部分功通过第二级第一脉管到达室温在环境散掉，从而减小第一级的热负荷，进而增加系统的制冷效率。

这里，第一级气库管子17可工作在惯性管模式下耗散功，并起到调相作用。也可作在普通的毛细管模式下，仅仅耗散功。此时，当第一级气库管子17为惯性管时，第一级惯性管15可以省去。

这里，第一级惯性管15可工作在低温下，起到调相和传输功的作用。

这里，第一级惯性管15可变为普通的连接管或省略，这时，第一级气库管子17需要变为惯性管。从而第一级变为普通的惯性管形式的第一级。

一般工业上第一级冷端换热器13的温度约60-77K，第二级冷端换热器的温度约20-35K。

这里，第一级热端换热器11和第二级热端换热器21可合并为一个，为公用的。

根据这个实施例，可以做出三级或n级预冷式脉管制冷机。

实施例5

一种直冷式双级脉管制冷机装置，如图5所示，包括压缩机4和第一级冷头1，第一级功吸收器180，第二级冷头2，第二级功吸收器280。

与实施例4有所不同的是，本实施例中，第二级冷头2的第二级回热器第二段22c直接接入第一级回热器12的冷端(即第一级冷端换热器13)，从而简化结构。这时仍需热桥b52连接第一级冷端换热器13和第二级第一脉管24的热端，以及第二级惯性管25，使其冷却到第一级的制冷温度下。

实施例6

一种预冷式双级级脉管制冷机装置，如图6所示，包括压缩机4和第一级冷头1，第一级功吸收器180，第二级冷头2，第二级功吸收器280。

与实施例5相比有所不同的是，本实施例的压缩机4为三级阶梯压缩机，由三级阶梯活塞41b和三级阶梯气缸42b组成，形成压缩腔43，第二膨胀腔44和第一膨胀腔45，第二级冷头2的第二级第二脉管接入第二膨胀腔44吸收膨胀功，第一级冷头1的第一级脉管16接入第一膨胀腔45吸收膨胀功，从而提高效率。这时，第一功吸收器180为第一膨胀腔45，第二功吸收器280为第二膨胀腔44。

其优点为膨胀功被膨胀腔吸收从而减小压缩机的输入功，提高效率，缺点是结构复杂。

一般第二级的膨胀功很小，可采用气库式功吸收器。

实施例7

本实施例为一个三级脉管制冷机，如图7所示，即在实施例5的直冷式双级脉管制冷机的基础上新增第三级冷头3和与其配套的第三级功吸收器380。

第三级冷头3包括第三级回热器32，第三级冷端换热器33，第三级复合脉管340；第三级复合脉管340包括第三级第一脉管34，第三级惯性管35，第三级第二脉管36。第三级功吸收器380包括第三级气库38和第三级气库管子37。第三级第二脉管36的室温端接第三级功吸收器380的第三气库管子37。各脉管两端可加气体均匀器。第三级第一脉管34的热端有第三级第一脉管气体均匀器341，第三级第二脉管的两端分别为第三级第二脉管气体均匀器c361和第三级第二脉管气体均匀器d362。气体均匀器也可起到换热器的作用，第三级冷端换热器33也可起到气体均匀器的作用。其工作原理和第二级一样。在第三级冷端换热器33上大约能够获得4-10K的温度。

本实施例同样利用热桥b52热连接第一级冷端换热器13和第二级第一脉管气体均匀器241，热桥c53热连接第二级第一脉管气体均匀器241和第三级第一脉管气体均匀器341。这样，可以使得第二级惯性管25和第三级惯性管35均处于第一级制冷温度下，由于气体的粘度降低，导热系数降低，从而减小气体流过第二级惯性管25和第三级惯性管35的损失，同时由于声速的减低，第二级惯性管25和第三级惯性管35的长度减低，从而减小气体流过第二级惯性管25和第三级惯性管35损失。

需要注意的是，为了使第三级惯性管35的损失更加减小，热桥c53还可以改为连接第三级第一脉管气体均匀器341和第二级冷端换热器23，这样即可使得第三级惯性管35处于第二级的制冷温度下，由于第三级惯性管35处于更低的温度，从而调相能力更强。

根据这个实施例，可以做出n级脉管制冷机。

直冷与预冷可以组合成混合式多级脉管制冷机。如第一级与第二级采用直冷式组成一个组件，第三级与此组件采用预冷式结合，或第二级第三级采用直冷式组成一个组件，第一级与此组件采用预冷式结合。

n级脉管制冷机可以是预冷式与制冷式的混合。

在上述实施例中，热端换热器既可以和冷头在一起；也可以和压缩机在一起；也可以成为一个单独的单元，这时冷头不包括热端换热器，冷头通过热端换热器与压缩机相连，换热效果是一样的。在制冷效率要求不高的情况下，热端换热器仅仅是压缩机出口处的连接管，或气缸壁直接散热。

在上述实施例中，如果脉管的两端的温差太大，脉管的某一个部位可与对应的温度的冷头热连接，从而减小向低温端的导热损失。

在上述实施例中，压缩机可以是片弹簧悬浮的直线压缩机，也可以是采用自润滑材料的直线压缩机，也可以是曲柄连杆驱动的压缩机，也可以是其他形式的压缩机，如热声机等。采用直线式压缩机时，可以是对置式的以减小振动，或单个压缩机配减震器的。

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 (10)

1.一种复合脉管制冷机装置，包括压缩机、热端换热器、n级冷头和功吸收器，n为不小于1的整数，每一级冷头包括回热器、冷端换热器和脉管组件，其特征在于，至少其中一级的冷头的脉管组件为复合型脉管组件，所述的复合型脉管组件由惯性管和设置在惯性管两端的脉管组成。

2.根据权利要求1所述的一种复合脉管制冷机装置，其特征在于，当n≥2时，所述的n级冷头中，第1级冷头的脉管组件由接在其冷端换热器后的脉管组成，其余级冷头的脉管组件为所述复合型脉管组件。

3.根据权利要求2所述的一种复合脉管制冷机装置，其特征在于，第1级冷头的脉管组件中，在脉管和冷端换热器之间还设有惯性管。

4.根据权利要求1或2所述的一种复合脉管制冷机装置，其特征在于，所述的n级冷头中，n≥2，每一级冷头通过热端换热器连接压缩机的工作腔，其脉管组件连接功吸收器，第2级冷头至第n级冷头的回热器中均设有预冷换热器，后一级冷头的惯性管还热连接在前面任一级冷头的冷端换热器。

5.根据权利要求4所述的一种复合脉管制冷机装置，其特征在于，后一级冷头的惯性管还热连接前一级冷头的冷端换热器。

6.根据权利要求1或2所述的一种复合脉管制冷机装置，其特征在于，所述的n级冷头中，第1级冷头通过热端换热器连接压缩机的工作腔，第1级冷头至第n级冷头中，后一级冷头的回热器接在前一级冷头的回热器后，后一级冷头的惯性管还热连接在前面任一级冷头的冷端换热器，每一级冷头的脉管组件后还接有功吸收器。

7.根据权利要求6所述的一种复合脉管制冷机装置，其特征在于，后面任一级冷头的惯性管热连接第1级冷头的冷端换热器。

8.根据权利要求6所述的一种复合脉管制冷机装置，其特征在于，后一级冷头的惯性管热连接前一级冷头的冷端换热器。

9.根据权利要求1所述的一种复合脉管制冷机装置，其特征在于，当n＝1时，所述的冷头中的回热器中还设有预冷换热器，并热连接所述预冷换热器和惯性管，此时，所述的冷头的预冷换热器还热连接外部冷源。

10.根据权利要求1所述的一种复合脉管制冷机装置，其特征在于，所述的功吸收器为压缩机中的膨胀腔，或接在脉管组件后的气库管子和气库，所述的气库管子为功耗散管，包括惯性管、毛细管、小孔或节流阀。