CN110849015A - 一种可实时调节惯性管长度的脉管制冷机 - Google Patents

一种可实时调节惯性管长度的脉管制冷机 Download PDF

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夏宇栋
王剑
黄国辉
姜周曙
丁强
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Abstract

本发明公开了一种可实时调节惯性管长度的脉管制冷机。现有低温制冷机的惯性管通常采用单根金属管调相，调相能力不足。本发明包括顺次连接的压缩机、预冷器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、渐缩腔、惯性管、气库。惯性管包括同轴设置的前级惯性管、伸缩惯性管和后级惯性管。前级惯性管的尾部与伸缩惯性管的头部通过固定件连接，固定件上设置有调节旋钮。后级惯性管的头部设置有滑动件，伸缩惯性管的尾部穿过滑动件伸入后级惯性管内。固定件与滑动件通过丝杆连接，丝杆与调节旋钮配合连接。本发明采用可实时调节长度的惯性管，结构简单，便于实现，可以在制冷机运行过程中根据需要实时调节惯性管的长度，获得脉管制冷机最优的相位特性。

Description

一种可实时调节惯性管长度的脉管制冷机
技术领域
本发明属于高频脉管低温制冷机领域，特别涉及一种可实时调节惯性管长度的脉管制冷机。
背景技术
未来的空间技术要求提供高效率、低成本和长寿命的新型低温制冷机，以增长探测器及传感器系统的使用时间。但是，低温制冷机的高度可靠性和长寿命运行一直是一个研究的难题。几十年来，低温工作者为此做出了巨大的努力。现有可供应的机械制冷机，例如斯特林制冷机和GM制冷机等均存在低温区运动的排出器，由此造成的磨损、震动及污染等缺点限制了它们的长期不维修运转。斯特林型脉管制冷机的最大的特点是结构简单，没有处于低温下的运动部件，因而运行可靠，震动小，寿命长。然而，由于斯特林型脉管制冷机的致命弱点：热力学效率低，原型机的最低制冷温度只能达到124K，因而自发明以来未被应用。直到后人在脉管的热端引入小孔及气库，取得了突破性的进展，脉管制冷机受到全世界的重视。惯性管作为脉管制冷机的调相单元能够调节回热器内工质的质量流和压力波之间的相位，从而优化脉管制冷机的性能和功热转化效率。常规的惯性管通常采用单根金属管调相，存在着调相能力不足或者不能提供脉管制冷机所需的调相角度的问题。
斯特林型脉管制冷机通常采用惯性管和气库作为调相机构，并采用电路模拟对惯性管进行分析是常用的方法。惯性管调相能力对惯性管的几何参数非常敏感。通过分析和实验表明，惯性管可以在较大范围内调节相位，可以用在大功率脉管制冷机中，在小型脉管制冷机中也能满足合适调相的需求。惯性管内气体交变流动，通过电路比拟，气体流阻表示为阻力特性，工质的惯性表现为感抗，内部的空容积表现为容阻。
惯性管阻抗表示为：
Figure BDA0002255893650000011
Re表示管内工质流动的雷诺数，m表示质量流量，l表示惯性管的长度，ρ表示工质气体的密度，D表示惯性管内径。
惯性管感抗表示为：
Figure BDA0002255893650000012
惯性管容阻表示为：
气库的容阻表示为：
Figure BDA0002255893650000021
惯性管总阻抗表示为：
Figure BDA0002255893650000022
惯性管入口质量流和压力波之间的相位角为：
从相位角公式可以看到，惯性管的调相能力和惯性管的阻抗，容抗和感抗密切相关。然而，传统的惯性管采用单个固定长度和直径的金属管调相，其调相能力灵活性低，不能在频率和输入功率等参数变化的情况下配合调相。并且惯性管产生的相位角变化在某些范围的惯性管的长度和直径很敏感，对长度和直径的其他范围的相同参数不敏感。工作流体的声学波长在此功能的周期性中起着重要作用。由于这种灵敏度，以及惯性管产生的相移对脉冲管冷却功率的重要性，可以很容易地认识到使用其长度、直径或两者都可以连续调节的惯性管的便利性。此外，在某些情况下，由于各种制造或装配因素，特定惯性管的计算相移可能不同于实验设置中同一惯性管实现的相位。正如Radebaugh博士所述，脉冲管制冷机冷却期间的最佳相位角度通常与稳定状态操作的最佳相位角不同。
由于惯性管在脉管制冷机中的重要性和上述问题，使用可变长度和直径的惯性管提供可变相角对提高脉管制冷机的性能相当有益。然而，在实际实验中，将一个给定长度和直径的管子替换为另一个管子的过程通常需要关闭整个实验，等待冷端加热到室温，然后减压和拆解整个系统。将一个惯性管更换为另一个惯性管后，必须先重新组装、抽真空、检查泄漏和重新加压系统，然后才能重新冷却。这个过程既费时又复杂。
专利公开号为CN106996655B的中国专利文献公开了一种带有套管式惯性管的脉管制冷机，包括依次连接的压缩单元、传输管、回热器单元、连接管、脉管单元、惯性管单元和气库。其惯性管单元包括至少两层结构的惯性套管。其采用套管式惯性管进行调相，仅仅是将几个长度相同直径不同的惯性管嵌套在一起进行调相，而没有在脉管制冷机实际运行过程中实时调相的功能。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术点不足，提供了一种灵活调相、损失小、效率高的可实时调节惯性管长度的脉管制冷机，允许在脉冲管制冷机运行时进行相位的实时连续调节。
本发明包括顺次连接的压缩机、预冷器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、渐缩腔、惯性管、气库。经压缩机压缩后的高温高压气体，经过预冷器进入回热器，被回热器进一步冷却后，吸收冷端换热器的热量，进入脉管，脉管热端温度升高，气体经过热端换热器后，再次进行换热，通过渐缩腔和惯性管后进入气库。
所述的惯性管可实时调节长度，具体结构如下：
包括同轴设置的前级惯性管、伸缩惯性管和后级惯性管；前级惯性管的头部连接渐缩腔，后级惯性管的尾部连接气库。
所述的前级惯性管的尾部与伸缩惯性管的头部通过固定件连接；所述的固定件为环形，设置有调节旋钮，前级惯性管的尾部与固定件的一面固定连接，伸缩惯性管的头部与固定件的另一面固定连接，前级惯性管与伸缩惯性管连通。
所述的后级惯性管的头部设置有滑动件，滑动件为圆环形，内壁嵌有密封圈；伸缩惯性管的尾部穿过滑动件伸入后级惯性管内，伸缩惯性管尾部外壁设置有密封环，伸缩惯性管与后级惯性管连通，并通过密封圈和密封环密封。
丝杆的一端与滑动件配合连接，另一端穿过固定件，并与调节旋钮配合连接；旋转调节旋钮，通过丝杆改变固定件与滑动件的距离，伸缩惯性管与后级惯性管之间直线位置变化，即实时调节惯性管的整体长度。
本发明的有益效果是：采用直线型可实时调节长度的惯性管，结构简单，便于实现，能量利用率高，对脉管制冷机的其他部件没有特殊要求。采用直线型可实时调节长度的惯性管的结构，可以在制冷机运行过程中根据需要实时调节惯性管的长度，从而达到实时调相的能力，进而获得脉管制冷机最优的相位特性。
附图说明
图1为本发明整体的结构示意图；
图2为图1中可实时调节长度的惯性管的结构示意图；
图3-1为一个实验测量结果示意图；
图3-2为另一个实验测量结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种直线型可实时调节惯性管长度的脉管制冷机，包括顺次连接的压缩机1、预冷器2、回热器3、冷端换热器4、脉管5、热端换热器6、渐缩腔7、惯性管8、气库9。其中惯性管8可实时调节长度。
经压缩机1压缩后的高温高压气体，经过预冷器2进入回热器3，被回热器3进一步冷却后，吸收冷端换热器4的热量，进入脉管5，脉管热端温度升高，气体经过热端换热器6后，再次进行换热，通过渐缩腔7和惯性管8后进入气库9。
可实时调节长度的惯性管8结构如图2所示。包括同轴设置的前级惯性管81、伸缩惯性管82和后级惯性管83。前级惯性管81的头部连接渐缩腔7，后级惯性管83的尾部连接气库9。
前级惯性管81的尾部与伸缩惯性管82的头部通过固定件84连接，固定件84为环形，设置有调节旋钮85，前级惯性管81的尾部与固定件84的一面固定连接，伸缩惯性管82的头部与固定件84的另一面固定连接，前级惯性管81与伸缩惯性管82连通。
后级惯性管83的头部设置有滑动件86，滑动件86为圆环形，内壁嵌有密封圈87。伸缩惯性管82的尾部穿过滑动件86伸入后级惯性管83内，伸缩惯性管82尾部外壁设置有密封环88，伸缩惯性管82与后级惯性管83连通，并通过密封圈87和密封环88密封。
丝杆89的一端与滑动件86配合连接，另一端穿过固定件84，并与调节旋钮85配合连接，旋转调节旋钮85，通过丝杆89改变固定件84与滑动件86的距离，实现伸缩惯性管82与后级惯性管83之间直线位置的改变，即实现了可实时调节惯性管8的整体长度。在脉管制冷机运行过程中，通过实时调节惯性管的长度而改变相位角，实时优化脉管制冷机的性能。
图3-1和3-2为图2实例中的惯性管实时调相性能的理论计算与实验结果对比图。示例中，伸缩惯性管82的内径为4.83mm、外径为6.53mm、长度为327mm，后级惯性管83的内径为7.04mm、外径为9.53mm、长度为1242mm。如图3-1，实验测量中，脉管制冷机运行在27Hz，在充气压力为2.07MPa和1.7MPa条件下，实验运行中，调节惯性管整体长度从1242mm到1569mm，惯性管系统的可调相位角为-2.5°到15.5°。由于改变惯性管长度产生的18°的相位角实时变化从理论预测和实验结果中都予以证明。如图3-2，在实验测量中，脉管制冷机运行在42Hz，在充气压力为2.07MPa和1.7MPa条件下，实验运行中，调节惯性管整体长度从1242mm到1569mm，实验测得惯性管系统的可调相位角为26°到32°，由于改变惯性管长度产生的6°的相位变化被实验证实。
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 (1)

1.一种可实时调节惯性管长度的脉管制冷机，包括顺次连接的压缩机(1)、预冷器(2)、回热器(3)、冷端换热器(4)、脉管(5)、热端换热器(6)、渐缩腔(7)、惯性管(8)、气库(9)；经压缩机(1)压缩后的高温高压气体，经过预冷器(2)进入回热器(3)，被回热器(3)进一步冷却后，吸收冷端换热器(4)的热量，进入脉管(5)，脉管热端温度升高，气体经过热端换热器(6)后，再次进行换热，通过渐缩腔(7)和惯性管(8)后进入气库(9)；
其特征在于：所述的惯性管(8)可实时调节长度；
所述惯性管(8)包括同轴设置的前级惯性管(81)、伸缩惯性管(82)和后级惯性管(83)；前级惯性管(81)的头部连接渐缩腔(7)，后级惯性管(83)的尾部连接气库(9)；
所述的前级惯性管(81)的尾部与伸缩惯性管(82)的头部通过固定件(84)连接；所述的固定件(84)为环形，设置有调节旋钮(85)，前级惯性管(81)的尾部与固定件(84)的一面固定连接，伸缩惯性管(82)的头部与固定件(84)的另一面固定连接，前级惯性管(81)与伸缩惯性管(82)连通；
所述的后级惯性管(83)的头部设置有滑动件(86)，滑动件(86)为圆环形，内壁嵌有密封圈(87)；伸缩惯性管(82)的尾部穿过滑动件(86)伸入后级惯性管(83)内，伸缩惯性管(82)尾部外壁设置有密封环(88)，伸缩惯性管(82)与后级惯性管(83)连通，并通过密封圈(87)和密封环(88)密封；
丝杆(89)的一端与滑动件(86)配合连接，另一端穿过固定件(84)，并与调节旋钮(85)配合连接；旋转调节旋钮(85)，通过丝杆(89)改变固定件(84)与滑动件(86)的距离，伸缩惯性管(82)与后级惯性管(83)之间直线位置变化，即实时调节惯性管(8)的整体长度。
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