CN108662804B - 一种采用微通道双向进气结构的脉管制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用微通道双向进气结构的脉管制冷机，包括压缩机、级后冷却器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、调相机构、气库以及微通道双向进气装置，微通道双向进气装置包括两端管道接头和中间的多根微通道换热细管；微通道双向进气结构一端连接压缩机出口，另一端连接调相机构入口。通过采用微通道双向进气结构，使得制冷机调相能力增强。同时相比于传统双向进气结构，采用微通道双向进气结构更加有利于抑制直流，使得制冷机性能更加稳定，从而提高脉管制冷机的性能。
Description
技术领域
本发明涉及低温脉管制冷机领域，尤其涉及一种采用微通道双向进气结构的脉管制冷机。
背景技术
由于军事、医疗以及航天技术的发展，各种高精尖仪器对低温冷却设备的要求越来越严苛，脉管制冷机由于其低温下无运动部件、机械振动小、结构简单，从而受到广泛关注。但由于其冷端质量流和压力波相位匹配不够理想，而效率较低，需要附加有效的调相机构才能提升其效率。
目前常用的用来提升性能的调相装置主要有以下几种：小孔气库调相装置，由Mikulin发明，后经Radebaugh改进，其是在热端换热器后放置一个小孔阀，之后连接气库，在小孔阀处可以认为质量流和压力波同相位，从而实现调相，因其调相能力有限，目前已不常用；双向进气调相装置，由朱绍伟提出，在压缩机出口和热端换热器出口之间连通一个旁通阀，从而使得压缩机出来的气体有一部分直接进入脉管热端，从而使得这部分经过脉管的质量流不经过回热器预冷，可以抑制脉管热端质量流相位超前压力波的现象，在低温区极大的改善了制冷机的性能；惯性管气库调相机构，由Kanao提出，将小孔气库调相装置的小孔阀替换成一根细长的管子，通过管子的感抗和气库的容抗结合来对质量流和压力波进行调节，因其结构简单，而被广泛应用，但因其属于被动的不可以主动调节的调相，调相能力会存在不足的问题；另外还有双活塞型、四阀型和主动气库型等其他不同形式的调相机构，虽然调相能力有一定的改善，但因结构太过复杂不适宜推广而未能广泛应用。
而目前采用的常规双向进气结构通常由一根连通压缩机出口和惯性管入口的管道构成，其对脉管制冷机性能有改善作用，但由于其直流的引入，使得脉管制冷机的性能在某些情况下可能下降，或是造成脉管制冷机制冷性能的不稳定。
因上述各种不同调相机构或是存在调相能力相对不足的缺点，或是增加了运动部件，或是体积过于庞大，或是结构过于复杂，因此，为更好的提高脉管制冷机的性能，需要一种更加有效的并且结构简单的调相机构。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种采用微通道双向进气结构的脉管制冷机，不仅使得制冷机中压力波和质量流之间的相位更加理想，同时由于微通道为很多根细管，使得其内部组成多组环路，降低了直流的影响，使得制冷机性能更加稳定。
本发明的技术方案如下：
一种采用微通道双向进气结构的脉管制冷机，其特征在于，包括依次连接的压缩机、级后冷却器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、调相机构和气库，所述压缩机的出口与调相机构的入口之间设有微通道双向进气装置，所述的微通道双向进气装置是由若干根微通道细管构成。
所述的压缩机通过一空管与所述的级后冷却器相连；所述回热器两端分别连接级后冷却器和冷端换热器；所述的脉管两端分别连接冷端换热器和热端换热器；所述的调相机构由惯性管或小孔阀构成；所述的调相机构另一端连接气库；所述的微通道型双向进气装置一端连接压缩机出口，另一端连接惯性管入口或者小孔阀入口。
在上述的技术方案中，通过微通道型双向进气结构进行调相，使得制冷机的调相能力增强。同时对比与传统双向进气型结构，微通道细管多根之间构成环路，具有抑制直流的作用，使得制冷机的性能更加稳定。
作为优选，所述微通道细管的内管管径小于0.3mm，可以通过金属管拉伸得到。
对于微通道细管来说，因其管径非常小，在0.3mm以内，边界层几乎充满整个管子，在此条件下取柱贝塞尔函数的小宗量近似，得到：
其中，为毛细管的阻尼系数，为有效密度，其中，pa为压力，x为横坐标位置，η为粘滞系数，K为经验系数，a为管径，为速度均值，ρ0为平均密度。
在微通道中传播的声波，因其管径非常小，其内部气体可以认为是等温过程，而非绝热过程，因此，声波的声速即为等温声速，则声波方程可表示为如下所示：
其中，ρ0为平均密度，c0为声波速度，γ为绝热指数，为平均速度，x为横坐标位置，t为时间，R为阻尼系数。
因为管径非常细，则可以认为比R小很多，则该方程可以简化为：
可以求得毛细管中的吸收系数和声速分别为：
而对细管来说，其阻抗分别为：
其中，ω为角速度，α为吸收系数，c为当地声速，Ra为声阻，l为管子长度，a为管径，Ma为声抗。
对于微通道双向进气装置来说，由于其管径足够细，使得其声阻以及声抗非常大，具有很短长度的微通道双向进气管即能达到很好的调相效果。
作为优选，所述微通道细管的材料为铜、不锈钢或其他导热良好的金属，增加了微通道细管的散热性能。
所述若干根微通道细管两端分别焊接有管道接头。通过设置与压缩机的出口与调相机构的入口匹配的管道接头，使得微通道双向进气装置更加方便的与压缩机与调相机构连接。
所述的脉管制冷机可以为斯特林制冷机。所述的脉管制冷机可以为单级脉管制冷机或多级脉管制冷机。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：结构简单，便于实现，对脉管制冷机其他部件没有特殊要求。采用微通道型双向进气结构，使得调相能力增强，同时抑制了传统双向进气结构中的直流效果，能够提高脉管制冷机性能。
附图说明
图1为本发明一种采用微通道型双向进气结构的脉管制冷机的系统示意图；
图2为本发明微通道双向进气结构的示意图。
其中：1为压缩机；2为级后冷却器；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为微通道双向进气装置；10为微通道细管；11为管道接头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种采用微通道双向进气结构的脉管制冷机作进一步详细说明。
如图1所示，一种采用微通道双向进气结构的脉管制冷机，包括压缩机1、级后冷却器2、回热器3、冷端换热器4、脉管5、热端换热器6、惯性管7、气库8和微通道双向进气装置9。
其中压缩机1为对置式线性压缩机，又名压力波发生器，所用工质为氦气，产生交变振荡的压力。压缩机1出口和级后冷却器2通过一段空体积相连接，级后冷却器2为管壳式换热器，其为水冷型换热器，通过冷却水将压缩机出来的高温振荡气体冷却下来，同时也可以把其后面部件回热器3产生的热量带走。回热器3内部为多孔介质，如本实施例中采用不锈钢丝网，和氦气进行充分的换热。在制冷机内部交变气体振荡的前半个周期，气体将热量传递给回热器内不锈钢丝网，在交变气体振荡的后半个周期，气体从回热器丝网内吸收热量，最终使得回热器出现轴向的温度梯度，靠近级冷器2的一段温度高，靠近冷端回热器4的一段温度低。最终冷量从冷端换热器4导出去，供其他需要低温环境的设备使用。冷端回热器4后与脉管5相连，脉管5是一段空管子，同样有很大的轴向温度梯度，其将冷端的焓流传递到热端换热器6，转化成热量被冷却水带走。热端换热器6后与惯性管7相连，惯性管7后与气库8相连，惯性管7和气库8共同构成调相机构。微通道双向进气装置9进口与压缩机1出口相连，微通道双向进气装置9出口与惯性管7入口相连，其作用是增强制冷机的调相能力，同时由于多通道的存在，抑制了传统双向进气结构中的直流效应，使得制冷机性能更加稳定。
如图2所示，微通道双向进气装置9由两端的管道接头11和中间的多根微通道细管10构成，其通过焊接相连。
在另一实施例中，惯性管7可以替换成小孔阀。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种采用微通道双向进气结构的脉管制冷机，其特征在于，包括依次连接的压缩机、级后冷却器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、调相机构和气库，所述压缩机的出口与调相机构的入口之间设有微通道双向进气装置，所述的微通道双向进气装置是由若干根微通道细管构成；
所述的调相机构为惯性管或小孔阀；所述的微通道细管由金属管拉伸而成，内管管径小于0.3mm；所述若干根微通道细管两端分别焊接有管道接头。
2.根据权利要求1所述的采用微通道双向进气结构的脉管制冷机，其特征在于，所述的微通道细管的材料为铜或不锈钢。
3.根据权利要求1所述的采用微通道双向进气结构的脉管制冷机，其特征在于，所述的脉管制冷机为斯特林制冷机。
4.根据权利要求1所述的采用微通道双向进气结构的脉管制冷机，其特征在于，所述的脉管制冷机为单级脉管制冷机或多级脉管制冷机。
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