CN110793233A - 提高低温脉管制冷机效率的方法及多级脉管异频驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种提高低温脉管制冷机效率的方法及多级脉管异频驱动装置，该方法将多级脉管制冷机中输入与脉管内气体自振频率相同频率的驱动压力波进行工作。多级脉管异频驱动装置则包括多级脉管制冷机，该多级脉管制冷机包括多级脉管以及向各级脉管输送与脉管内气体自振频率相同频率的驱动压力波的压缩机。本发明通过输入与脉管内气体自振频率相同频率的驱动压力波，以产生共振，提高声波传递效率，并保持最大强度温度振荡，从而提高制冷机的制冷性能。

Description

提高低温脉管制冷机效率的方法及多级脉管异频驱动装置
技术领域
本发明涉及低温制冷技术领域，尤其涉及提高低温脉管制冷机效率的方法及多级脉管异频驱动装置。
背景技术
近年来，随着红外技术的发展，脉管制冷机在军工和航空航天领域得到了大力发展。由于军工和航空航天领域所需制冷温度比较低，对设备精确度要求比较高，所以对制冷机各方面的性能要求比较高。为了保证各设备精确完成任务，如何获得尽可能低的制冷温度就成为了人们研究脉管制冷机的一个热点。
目前具体针对各个制冷温区应该给予多少频率的压力波能使制冷机获得最低制冷温度，大家并没有达成共识，都是根据实验者的经验给出的，并没有一个理论作为支撑。另外，目前获得低温的方法有预冷和多级脉管制冷机两种，就多级脉管制冷机而言，虽然很多研究者都对其进行了实验研究，但各级脉管的驱动压力波频率应该如何选择，还没有相关文献发表。目前通常是各级脉管采用相同频率的压力波，且与高温级(一级)脉管采用相同的频率。
本发明给出了300-10K范围内不同温区的理论自振荡频率随温度的变化趋势曲线与方程，为多级脉管制冷机各级频率的选择提供了理论依据。对于多级脉管制冷机而言，在不同级提供不同频率的压力波，可以保持各级脉管内温度自振荡强度最大，同时声波传递效率最高，进而提高脉管制冷机的制冷性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高低温脉管制冷机效率的方法及多级脉管异频驱动装置，通过提高脉管内温度振荡强度，提高脉管制冷机的制冷性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：提高低温脉管制冷机效率的方法，该方法将多级脉管制冷机中输入与脉管内气体自振频率相同频率的驱动压力波进行工作。
本发明针对脉管制冷机内，温度自振荡强度随时间的进行而周期性减弱的问题，提出了驱动压力波的频率应与脉管内气体自振荡频率相同的方法，以保持温度振荡的最大强度，从而提高脉管制冷机性能。
本发明提供的提高低温脉管制冷机效率的方法中输入频率Y与温度X的关系为：Y＝6.2465X0.5067。
本发明提供的提高低温脉管制冷机效率的方法中，所述温度X的取值范围为300-10K。
本发明提供的提高低温脉管制冷机效率的方法中驱动压力波的输入机构为压缩机。
本发明提供的提高低温脉管制冷机效率的方法中，所述压缩机出口到气库的长度与输入频率Y呈反比。
本发明提供的提高低温脉管制冷机效率的方法在输入频率Y的压力波之前还包括如下步骤：确定一级温度下的最佳工作频率。
一种多级脉管异频驱动装置，其包括：多级脉管制冷机，该多级脉管制冷机包括多级脉管以及向各级脉管输送与脉管内气体自振频率相同频率的驱动压力波的压缩机。
与现有技术相比，本发明的优点为：对于多级脉管制冷机而言，在不同级提供不同频率的压力波，可以保持各级脉管内温度自振荡强度最大，同时声波传递效率最高，进而提高脉管制冷机的制冷性能。
附图说明
图1为本发明实施例中100K温区温度振荡随振荡周期持续进行的变化曲线图。
图2为本发明实施例中300-10K温区最佳理论输入频率图。
图3为本发明实施例中三级脉管制冷机示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明所采用的技术方案作进一步的说明。
本发明的第一实施方式提供了一种提高低温脉管制冷机效率的方法，该方法将多级脉管制冷机中输入与脉管内气体自振频率相同频率的驱动压力波进行工作，通过输入与脉管内气体自振频率相同频率的驱动压力波，以产生共振，提高声波传递效率，并保持最大强度温度振荡，从而提高制冷机的制冷性能。
从图1可以看出，温度振荡的强度随振荡周期数的增加在减弱，在第一自振荡周期内热、冷端温差达到最大值，制冷温度达到最低。为达到最强共振，脉管制冷机的驱动压力波周期应该与自振荡周期相同，以保持温度振荡的最大强度。由于气体物性的改变，在相同脉管内，不同温区，气体具有不同的自振荡频率。
结合图2，该图示本发明通过模拟得到的在300-10K温区内，脉管内气体自振荡频率随温度的变化。从该图可以看出，随着温度的升高，自振荡频率逐渐升高，输入频率Y与温度X的关系为：Y＝6.2465X0.5067。因此多级脉管制冷机在不同制冷温度级上，应该输入不同频率的驱动压力波。另外，脉管制冷机通常工作在冷端与热端温度之间，而此处的温度是指冷、热端之间的平均温度。需注意的是，图2给出的是某种结构的脉管内气体自振频率随温度的变化趋势，对于不同结构、压比的脉管制冷机，其自振荡频率值不同。研究证明，自振荡频率与长度成反比，与压比成正比，因此，对于不同脉管制冷机，需根据从压缩机出口到气库的整个长度、及压比做相应修正。可以先通过实验确定环境温度下的最佳工作频率，再根据图2的曲线推算其它温度下的最佳频率。图2仅是本发明提供的一个实例，长度为2m，压比为2。
本发明的第二实施方式提供了一种多级脉管异频驱动装置，其包括：多级脉管制冷机，该多级脉管制冷机包括多级脉管以及向各级脉管输送与脉管内气体自振频率相同频率的驱动压力波的压缩机。
结合图3，本实施例中多级脉管制冷机采用三级脉管，具体地讲，其包括：第一级脉管1、第二级脉管2、第三级脉管3、第一级回热器4、第二级回热器5、第三级回热器6、第一级冷头7、第二级冷头8、第三级冷头9、回热器10、辐射屏11、气库12、第一压缩机13、第二压缩机14、第三压缩机15，第一压缩机13连接于第一级回热器4、第一级脉管1，第一级脉管1设置有第一级冷头7；第二压缩机14连接于第二级回热器5、第二级脉管2，第二级脉管2设置有第二级冷头8；第三压缩机15连接于第三级回热器6、第三级脉管3，第三级脉管3设置有第三级冷头9，第一级冷头7、第二级冷头8、第三级冷头9连接于回热器10，脉管通过换热器与气库12连接，该多级脉管制冷机设置有辐射屏11。该多级脉管制冷机的工作过程如下：气体从第一压缩机13经第一级回热器4进入第一级脉管1，在第一级冷头7获得冷量经换热器回到气库；第二压缩机14中的气体经第二级回热器5进入第二级脉管2进行制冷，在进入第二级脉管前与第一级冷头7所产生的冷量进行换热，将气体温度降到第一级冷头温度附近，然后经过回热器10后进入第二级脉管2，并在第二级冷头8处获得冷量，最后经换热器进入气库12；同样的，第三压缩机15中的气体首先进入第三级回热器6，在回热器出口处与第二级冷头产生的冷量进行换热，将气体温度降低到第二级冷头的温度附近，然后进入第三级脉管3，并在第三级冷头9处获得所需低温。辐射屏11主要是为了减少机组的辐射换热，减少冷量的损失。
以图3所示脉管制冷机需要获得最低温度为4.2K来进行说明。若在第一级冷头欲获得80K的温度，其热端温度维持300K，则平均温度为190K，根据图2中的曲线方程进行计算，第一压缩机13可以向第一级脉管输入频率大约为90Hz的压力波。若第二级冷头温度为20K，则第二压缩机14需提供大约45Hz的压力波。对于第三级4.2K低温，第三压缩机15可以输入大约22Hz的压力波。需注意的是，从图3中可以看出，一级、二级、三级脉管的尺寸不同，三级脉管最细、最长，此时，还要考虑尺寸对频率的影响；从压缩机出口到气库的整个长度，频率与长度成反比。因此，实际第三级的频率应该更低一些。在各温区输入适宜频率的压力波，使其与脉管内自振荡频率产生共振，既可以提高声功利用效率，也可以达到保持最大温度振荡强度的目的，从而提高脉管制冷机的制冷性能。需注意的是，图2给出的是某种结构的脉管的气体自振频率随温度的变化，对于不同的脉管制冷机，其最佳频率值稍有不同，可以先实验确定一级温度下的最佳工作频率，再根据图2推算二级、三级脉管的最佳运行频率。再根据尺寸变化，压比变化，按照频率与长度成反比，与压比成正比进行修正。
本发明提出不同温区的脉管制冷机采用不同频率的驱动压力波，温度越高，频率越大，因而，对于多级脉管制冷机而言，随着级数的增加，制冷温区降低，则需要在高温级输入高频压力波，在低温级输入低频压力波，即在不同级采用不同频率的驱动压力波。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.提高低温脉管制冷机效率的方法，其特征在于，该方法将多级脉管制冷机中输入与脉管内气体自振频率相同频率的驱动压力波进行工作。
2.根据权利要求1所述的提高低温脉管制冷机效率的方法，其特征在于，所述方法中输入频率Y与温度X的关系为：Y＝6.2465X0.5067。
3.根据权利要求2所述的提高低温脉管制冷机效率的方法，其特征在于，所述温度X的取值范围为300-10K。
4.根据权利要求1所述的提高低温脉管制冷机效率的方法，其特征在于，所述方法中驱动压力波的输入机构为压缩机。
5.根据权利要求4所述的提高低温脉管制冷机效率的方法，其特征在于，所述压缩机出口到气库的长度与输入频率Y呈反比。
6.根据权利要求1所述的提高低温脉管制冷机效率的方法，其特征在于，所述方法在输入频率Y的压力波之前还包括如下步骤：确定一级温度下的最佳工作频率。
7.一种多级脉管异频驱动装置，其特征在于，其包括：多级脉管制冷机，该多级脉管制冷机包括多级脉管以及向各级脉管输送与脉管内气体自振频率相同频率的驱动压力波的压缩机。
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