CN109237830A - 同轴型脉冲管制冷机冷端及基于该冷端的制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种同轴型脉冲管制冷机冷端及基于该冷端的制冷机，能够减小气体在冷端转向流动过程中的不可逆损失，同时兼具高效气‑固换热、高效固‑固导热和低流动损失的能力。本发明的装置在流动与换热过程中，将冷端气流分散成了三股，分别通过不同的路径缓冲后流进或者流出脉冲管，避免了气流直接从冷端换热器转向180度而进入脉冲管内部，能够有效降低冷端流动损失；将狭缝式结构的冷端换热器和冷头集成为一体，在增强气‑固换热能力的同时，实现了换热器向与冷端连接的负载的高效传热，能够增强整体传热能力，大幅度提升制冷机性能。在冷端采用多孔介质结构的第一冷端导流器和第二冷端导流器对气流进行缓冲和导向，能够有效避免引入额外的冷端空体积。

Description

同轴型脉冲管制冷机冷端及基于该冷端的制冷机
技术领域
本发明涉及低温制冷机技术领域，具体涉及一种同轴型脉冲管制冷机冷端。
背景技术
同轴型脉冲管制冷机具有结构紧凑，便于安装及与负载耦合布置等优点，得到了广泛的应用。
由于脉冲管制冷机制冷量来源于气体工质周期性地在冷端膨胀吸热，冷端气体压比(一个周期内气体压力最大值与最小值之比)对其有重要影响，而冷端空体积则会对冷端压比构成影响，进而会对膨胀制冷量产生影响。制冷机冷端设计的一个重要原则是尽量减小冷端空体积，因此在冷端设计中，实现冷端流动与换热的同时，需要考虑不附带多余的空体积；另外，制冷机在冷端膨胀产生的制冷量需要通过冷头传递给负载，制冷机冷端设计时要保证冷端的气-固换热能力以及固-固传热能力。目前对于冷端的设计主要是在高气-固传热系数，高固-固导热能力以及增强气体流动稳定性和降低流动损失方面进行优化设计。
在同轴型脉冲管制冷机中，蓄冷器与脉冲管位于冷端的同一侧，在工作过程中气体工质在冷端存在180度的转向，导致气体工质在冷端转向流动过程中的不可逆损失，影响制冷。现有的优化设计不能消除由于气体工质在冷端转向造成的流动损失。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种同轴型脉冲管制冷机冷端，能够减小气体在冷端转向流动过程中的不可逆损失，同时兼具高效气-固换热、高效固-固导热和低流动损失的能力。
本发明的技术方案如下：
本发明的同轴型脉冲管制冷机冷端，包括冷端换热器、固接在冷端换热器一端的冷头以及位于冷端换热器中心孔内的冷端导流器，其特征在于，所述冷端导流器为两个，两个冷端导流器同轴对接后同轴安装在冷端换热器中心孔中，且与所述冷端换热器中心孔间隙配合；其中靠近冷头一端的冷端导流器半径小于靠近脉冲管一端的冷端导流器半径；记靠近冷头一端的冷端导流器为第一冷端导流器，另一个冷端导流器为第二冷端导流器；
两个所述冷端导流器将冷端气流分散成三股：
气流从外部通过冷端进入与冷端相连的脉冲管时：进入冷端换热器的气流分为三股，第一股气流经第二冷端导流器圆周面进入第二冷端导流器内部；第二股气流经过第二冷端导流器下端面进入第二冷端导流器内部；第三股气流经过第一导流器圆周面进入第一冷端导流器缓冲后再进入第二冷端导流器内部；三股气流最终都通过第二冷端导流器上端面进入脉冲管内部；
气流从与冷端相连的脉冲管经过所述冷端流出时：从脉冲管内部进入第二冷端导流器上端面的气流分为三股，第一股气流经第二冷端导流器侧面进入冷端换热器；第二股气流经第二冷端导流器下端面进入冷端换热器；第三股气流经第二冷端导流器下端面进入第一冷端导流器进行缓冲后再经第一冷端导流器侧面进入冷端换热器内部；三股气流在冷端换热器内部汇合参与换热后由冷端换热器上端面流出。
其中，所述冷端换热器与冷头为一体式结构，气体工质在冷端换热器中获取的冷量直接通过冷头传递给载荷。
其中，第一冷端导流器和第二冷端导流器为多孔介质结构。
其中，冷端换热器为狭缝式翅片结构，狭缝式翅片沿冷端换热器中心孔周向均匀布置。
其中，第二冷端导流器与第一冷端导流器的高度比为0.8-1.5，直径比为1.1-1.6。
一种同轴型脉冲管制冷机，包括外壳、脉冲管、蓄冷器以及冷端，脉冲管、蓄冷器以及冷端安装在外壳内，其中，脉冲管轴向贯穿蓄冷器中心后与冷端同轴连接，蓄冷器与冷端同轴连接，所述冷端采用本发明的同轴型脉冲管制冷机冷端。
有益效果：
(1)本发明的装置在流动与换热过程中，将冷端气流分散成了三股，分别通过不同的路径缓冲后流进或者流出脉冲管，避免了气流直接从冷端换热器转向180度而进入脉冲管内部，能够有效降低冷端流动损失；
(2)本发明的装置中将狭缝式结构的冷端换热器和冷头集成为一体，因此在增强气-固换热能力的同时，实现了换热器向与冷端连接的负载的高效传热，能够增强整体传热能力，大幅度提升制冷机性能。
(3)在冷端采用多孔介质结构的第一冷端导流器和第二冷端导流器对气流进行缓冲和导向，能够有效避免引入额外的冷端空体积。
附图说明
图1为本发明一种同轴型脉冲管制冷机示意图。
图2为冷端剖面图。
图3为冷端三维示意图。
图4为蓄冷器示意图。
图5为第一冷端导流器示意图。
图6为第二冷端导流器示意图。
图7为气体从蓄冷器到脉冲管流动过程示意图。
图8为气体从脉冲管到蓄冷器流动过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明所涉及的同轴型脉冲管制冷机，包括外壳1、脉冲管2、蓄冷器7以及冷端5，冷端5剖面图与三维图如图2和图3所示。冷端5上设有轴肩4，外壳1通过轴肩4与冷端5同轴对接。
本发明所涉及的同轴型脉冲管制冷机冷端5，包括冷端换热器5-1、第一冷端导流器3、第二冷端导流器6和冷头5-2；其中，冷端换热器5-1与冷头5-2集成为一体，冷端换热器5-1为狭缝式翅片结构；
在保证进入脉冲管2内部的气流为层流的同时，为了减少气流在冷端因转向而产生的流动损失，在冷端设置了第一冷端导流器3和第二冷端导流器6，第一冷端导流器3和第二冷端导流器6轴向对接后同轴套装在冷端换热器5-1中心孔中，与中心孔间隙配合，靠近冷头5-2一端的冷端导流器即第一冷端导流器3的半径小于靠近脉冲管2一端的冷端导流器即第二冷端导流器6；第一冷端导流器3和第二冷端导流器6采用多孔介质结材料制成；
经由蓄冷器7进入冷端5的气体工质首先在冷端换热器5-1的狭缝式结构中与固体壁面换热，然后通过如图5所示的第一冷端导流器3和如图6所示的第二冷端导流器6进入脉冲管2内部，在冷端换热器5-1中获取的冷量直接通过冷头5-2传递给载荷。
所述冷端换热器5-1采用狭缝式换热器结构，狭缝式换热器的狭缝为一圈沿圆周方向布置的细长狭缝，缝宽在0.5mm以下，气-固换热面积较大。冷端换热器上端面5-1a与如图4所示的蓄冷器下端面7-1连接，冷端换热器下端面5-2a与冷头5-2)固连为一体，由于采用原材料加工成一体式结构，二者之间无额外的接触热阻，因此在增强气-固换热能力的同时，实现了换热器向与冷端连接的负载的高效传热，能够大幅度提升制冷机性能。
气体工质在蓄冷器7与脉冲管2之间流动和传热过程中分别流经冷端换热器5-1、第一冷端导流器3和第二冷端导流器6，且在冷端换热器5-1与第一冷端导流器3和第二冷端导流器6相连接的部位实现180度转向。由于制冷机内部气流为周期性波动的气流，因此主要以两个典型的过程加以说明：
第一个过程如图7所示，气流从蓄冷器7流出后依次经由冷端换热器5-1、第一冷端导流器3、第二冷端导流器6进入脉冲管2内部。气流从蓄冷器下端面7-1进入冷端换热器5-1后分为三部分，第一部分先经第二冷端导流器圆周面6-1进入第二冷端导流器6内部；第二部分气流经过第二冷端导流器下端面6-3进入第二冷端导流器6内部；第三部分气流经过第一导流器圆周面3-1进入第一冷端导流器3缓冲后再进入第二冷端导流器6。三股气流最终都通过第二冷端导流器上端面6-2进入脉冲管内部。
第二个过程如图8所示，气流从脉冲管2内部经第二冷端导流器6、第一冷端导流器3和冷端换热器5-1进入蓄冷器7内部。从脉冲管2内部进入第二冷端导流器上端面6-2的气流分为三部分，第一股气流经第二冷端导流器圆周面6-1进入冷端换热器5-1；第二股气流经第二冷端导流器下端面6-3进入冷端换热器5-1；第三股气流经第二冷端导流器下端面6-3进入第一冷端导流器3进行缓冲后，经第一冷端导流器圆周面3-1进入冷端换热器5-1内部；三股气流在冷端换热器5-1内部汇合参与换热后由冷端换热器上端面5-1a进入蓄冷器7内部。
在流动与换热过程中，通过将冷端导流器进行特殊设计，把冷端气流分散成了三股，分别通过不同的路径缓冲后流进或者流出脉冲管2，避免了气流直接从冷端换热器5-1转向180度而进入脉冲管2内部，能够有效降低冷端流动损失。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，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 (6)

1.一种同轴型脉冲管制冷机冷端，包括冷端换热器(5-1)、固接在冷端换热器(5-1)一端的冷头(5-2)以及位于冷端换热器(5-1)中心孔内的冷端导流器，其特征在于，所述冷端导流器为两个，两个冷端导流器同轴对接后同轴安装在冷端换热器(5-1)中心孔中，且与所述冷端换热器(5-1)中心孔间隙配合；其中靠近冷头(5-2)一端的冷端导流器半径小于靠近脉冲管(2)一端的冷端导流器半径；记靠近冷头一端的冷端导流器为第一冷端导流器(3)，另一个冷端导流器为第二冷端导流器(6)；
两个所述冷端导流器将冷端气流分散成三股：
气流从外部通过冷端进入与冷端相连的脉冲管时：进入冷端换热器(5-1)的气流分为三股，第一股气流经第二冷端导流器圆周面(6-1)进入第二冷端导流器(6)内部；第二股气流经过第二冷端导流器下端面(6-3)进入第二冷端导流器(6)内部；第三股气流经过第一导流器圆周面(3-1)进入第一冷端导流器(3)缓冲后再进入第二冷端导流器(6)内部；三股气流最终都通过第二冷端导流器上端面(6-2)进入脉冲管内部；
气流从与冷端相连的脉冲管经过所述冷端流出时：从脉冲管(2)内部进入第二冷端导流器上端面(6-2)的气流分为三股，第一股气流经第二冷端导流器侧面(6-1)进入冷端换热器(5-1)；第二股气流经第二冷端导流器下端面(6-3)进入冷端换热器(5-1)；第三股气流经第二冷端导流器下端面(6-3)进入第一冷端导流器(3)进行缓冲后再经第一冷端导流器侧面(3-1)进入冷端换热器(5-1)内部；三股气流在冷端换热器(5-1)内部汇合参与换热后由冷端换热器上端面(5-1a)流出。
2.如权利要求1所述的一种同轴型脉冲管制冷机冷端，其特征在于，所述冷端换热器(5-1)与冷头(5-2)为一体式结构，气体工质在冷端换热器(5-1)中获取的冷量直接通过冷头(5-2)传递给载荷。
3.如权利要求1或2所述的一种同轴型脉冲管制冷机冷端，其特征在于，第一冷端导流器(3)和第二冷端导流器(6)为多孔介质结构。
4.如权利要求1或2所述的一种同轴型脉冲管制冷机冷端，其特征在于，冷端换热器(5-1)为狭缝式翅片结构，狭缝式翅片沿冷端换热器中心孔周向均匀布置。
5.如权利要求1所述的一种同轴型脉冲管制冷机冷端，其特征在于，第二冷端导流器(6)与第一冷端导流器(3)的高度比为0.8-1.5，直径比为1.1-1.6。
6.一种同轴型脉冲管制冷机，包括外壳(1)、脉冲管(2)、蓄冷器(7)以及冷端(5)，脉冲管(2)、蓄冷器(7)以及冷端(5)安装在外壳内，其中，脉冲管(2)轴向贯穿蓄冷器(7)中心后与冷端(5)同轴连接，蓄冷器(7)与冷端(5)同轴连接，其特征在于，所述冷端(5)采用权利要求1所述的同轴型脉冲管制冷机冷端。
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