CN113074470A - 一种具有低温腔结构的脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有低温腔结构的脉管制冷机，包括脉管制冷机冷指、环形驱动机构、减振调相机构、低温腔体和数据采集与控制机构。低温腔体与脉管制冷机冷指中的热端连接且均位于低温环境，低温腔体和直线低温惯性管与脉管冷指同轴布置，环形活塞沿轴线方向开中间孔，直线低温惯性管通过中间孔连接脉冲管和气库，小孔阀位于直线惯性管中，数据采集与控制机构测量采集环形活塞的相位并控制减振调相活塞运动。通过改变低温直线惯性管的长度和直径或小孔直径可精确调节制冷机内压力波和质量流的相位差，优化脉管制冷机的制冷量和制冷效率，单级脉管即可实现深低温区高效率制冷。

Description

一种具有低温腔结构的脉管制冷机

技术领域

本发明属于小型低温制冷机领域，具体是涉及一种具有低温腔结构的脉管制冷机。

背景技术

深低温制冷机在深空探测、超导技术等领域广泛应用，脉管制冷机是深低温制冷机领域重要的分支，具有重要的学术研究和应用价值。

脉管制冷机冷端无运动部件，需要通过调相机构调节制冷机内质量流和压力波的关系。根据焓流调相理论，在脉管制冷机回热器中部质量流与压力波相位相同时，制冷机效率最高。调相机构的特性决定了冷端的相位关系，进而决定脉管制冷机的制冷量和制冷效率。惯性管-气库型和小孔-气库型调相机构被广泛应用于脉管制冷机，惯性管-气库型调相机构利用气体震荡的惯性进行调相，但深低温脉管制冷机应用常温惯性管调节相位时，性能差且要求惯性管入口声功大，造成脉管制冷机制冷效率降低，单独采用小孔-气库型调相机构时，回热器冷端质量流领先于压力波，导致回热器损失大、制冷效率低。

发明内容

针对上述问题和需求，本发明的目的是提供一种具有低温腔结构的脉管制冷机，可在深低温区高效率制冷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有低温腔结构的脉管制冷机，包括脉管制冷机冷指、环形驱动机构、减振调相机构、低温腔体和数据采集与控制机构，其特征在于：

所述脉管制冷机冷指包括冷端、回热器、脉冲管和热端；所述环形驱动机构包括环形活塞和压缩腔，环形活塞与热端之间形成压缩腔；所述减振调相机构包括直线低温惯性管、减振调相活塞和小孔阀；所述低温腔体包括背压腔和气库，环形活塞所处的腔体为背压腔，减振调相活塞所处的腔体为气库；所述数据采集与控制机构包括位移传感器和控制机构；所述低温腔体与脉管制冷机冷指中的热端连接且均位于低温环境，环形活塞、减振调相活塞和直线低温惯性管与脉管冷指同轴布置，环形活塞沿轴线方向开中间孔，直线低温惯性管通过中间孔连接脉冲管和气库，小孔阀位于直线惯性管中；数据采集与控制机构测量采集环形活塞的相位并控制减振调相活塞运动。

环形活塞与脉管冷指中的热端为间隙密封，形成压缩腔。所述环形驱动机构包括环形活塞、压缩腔、环形活塞支撑机构和环形活塞驱动机构，环形活塞驱动机构、环形活塞支撑机构与环形活塞相连。

所述低温腔体与低温环境进行高效率换热，其材料为铜或铝合金，也可以为其他高导热率材料。

减振调相机构包括直线低温惯性管、减振调相活塞、气库、减振调相活塞支撑机构和减振调相活塞驱动机构；减振调相活塞支撑机构与减振调相活塞连接，减振调相活塞驱动机构控制减振调相活塞运动。所述减振调相机构中的直线低温惯性管在低温环境下其调相角度表示为：

其中p为压力，ω为角频率，d为直线低温惯性管直径，T为温度，R为声阻，μ为工质的黏度，下标0代表室温时的参数，低温下气体黏性减小，相同长度和直径下直线低温惯性管可获得更大的调相能力；在实际设计中，可以通过直线调节惯性管的直径和长度获得合适的调相角度

所述小孔阀为纯阻力元件，通过改变小孔直径调节质量流与压力波的相位关系，当直线惯性管的调相能力满足相位要求时，不使用小孔阀元件。

控制机构通过控制减振调相活塞的运动相位和行程减小脉管制冷机的振动输出，减振调相活塞的线性运动同时调节脉管制冷机内质量流和压力波的相位。

与现有技术对比，本发明的优点在于：

脉管热端及带有小孔阀的直线惯性管布置在低温环境下，单级脉管即可实现深低温区高效率制冷；通过调节低温直线惯性管的长度和直径和小孔的直径即可精确调节制冷机内压力波和质量流的相位差，优化脉管制冷机的制冷量和制冷效率；通过低温腔实现与低温环境的高效率换热，脉管制冷机整机结构简单紧凑，冷端振动输出小。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；图中标号示意如下：

1为脉管制冷机冷指，1-1为冷端，1-2为回热器，1-3为脉冲管，1-4为热端；2为环形驱动机构，2-1为环形活塞，2-2为压缩腔，2-3为环形活塞支撑机构，2-4为环形活塞驱动机构；3为减振调相机构，3-1为直线低温惯性管，3-2为减振调相活塞，3-3为小孔阀，3-4为减振调相活塞支撑机构，3-5为减振调相活塞驱动机构；4为低温腔体，4-1为背压腔，4-2为气库；5为数据采集与控制机构，5-1为位移传感器，5-2为控制机构。

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描述说明。

结合图1所示，本实施例提供一种具有低温腔结构的脉管制冷机，包括脉管制冷机冷指1、环形驱动机构2、减振调相机构3、低温腔体和数据采集与控制机构5。其中脉管制冷机冷指1包括冷端1-1、回热器1-2、脉冲管1-3和热端1-4，环形驱动机构2包括环形活塞2-1、压缩腔2-2、环形活塞支撑机构2-3和环形活塞驱动机构2-4，减振调相机构3包括直线低温惯性管3-1、减振调相活塞3-2、小孔阀3-3、减振调相活塞支撑机构3-4和减振调相活塞驱动机构3-5，低温腔体4包括背压腔4-1和气库4-2，数据采集与控制机构5包括位移传感器5-1和控制机构5-2。

低温腔体4与脉管制冷机冷指1中的热端1-4连接且均位于低温环境，低温腔体4和脉管制冷机冷指1中的热端1-4可与低温环境进行高效率换热。环形活塞2-1位于背压腔4-1中，减振调相活塞3-2位于气库4-2中，环形活塞2-1、减振调相活塞3-2和直线低温惯性管3-1与脉管冷指1同轴布置。环形活塞2-1沿轴线方向开中间孔，直线低温惯性管3-1通过中间孔连接脉冲管1-3和气库4-2，小孔阀3-3位于直线惯性管3-1中，调节脉管制冷机内质量流与压力波的相位差。数据采集与控制机构5中的位移传感器5-1测量采集环形活塞2-1的运动状态，控制机构5-2控制减振调相活塞3-2运动，以减小冷指1振动输出并调节脉管制冷机内的相位差。

最后应说明的是：本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施案例的限制，上述实施例和说明书描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都要落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种具有低温腔结构的脉管制冷机，包括脉管制冷机冷指(1)、环形驱动机构(2)、减振调相机构(3)、低温腔体(4)和数据采集与控制机构(5)，其特征在于：

所述脉管制冷机冷指(1)包括冷端(1-1)、回热器(1-2)、脉冲管(1-3)和热端(1-4)；所述环形驱动机构(2)包括环形活塞(2-1)和压缩腔(2-2)，环形活塞(2-1)与热端(1-4)之间形成压缩腔(2-2)；所述减振调相机构(3)包括直线低温惯性管(3-1)、减振调相活塞(3-2)和小孔阀(3-3)；所述低温腔体(4)包括背压腔(4-1)和气库(4-2)，环形活塞(2-1)所处的腔体为背压腔(4-1)，减振调相活塞(3-2)所处的腔体为气库(4-2)；所述数据采集与控制机构(5)包括位移传感器(5-1)和控制机构(5-2)；

所述低温腔体(4)与脉管制冷机冷指(1)中的热端(1-4)连接且均位于低温环境，环形活塞(2-1)、减振调相活塞(3-2)和直线低温惯性管(3-1)与脉管冷指(1)同轴布置，环形活塞(2-1)沿轴线方向开中间孔，直线低温惯性管(3-1)通过中间孔连接脉冲管(1-3)和气库(4-2)，小孔阀(3-3)位于直线惯性管(3-1)中；数据采集与控制机构(5)测量采集环形活塞(2-1)的相位并控制减振调相活塞(3-2)运动。

2.根据权利要求1所述的一种具有低温腔结构的脉管制冷机，其特征在于：环形活塞(2-1)与脉管冷指(1)中的热端(1-4)为间隙密封，形成压缩腔(2-2)。

3.根据权利要求1所述的一种具有低温腔结构的脉管制冷机，其特征在于：所述环形驱动机构(2)包括环形活塞(2-1)、压缩腔(2-2)、环形活塞支撑机构(2-3)和环形活塞驱动机构(2-4)，环形活塞支撑机构(2-3)、环形活塞驱动机构(2-4)与环形活塞相连(2-1)。

4.根据权利要求1所述的一种具有低温腔结构的脉管制冷机，其特征在于：所述低温腔体(4)与低温环境进行高效率换热，其材料为铜或铝合金，或其他高导热率材料。

5.根据权利要求1所述的一种具有低温腔结构的脉管制冷机，其特征在于：所述的减振调相机构(3)包括直线低温惯性管(3-1)、减振调相活塞(3-2)、小孔阀(3-3)、减振调相活塞支撑机构(3-4)和减振调相活塞驱动机构(3-5)；减振调相活塞支撑机构(3-4)与减振调相活塞(3-2)连接，减振调相活塞驱动机构(3-5)控制减振调相活塞(3-2)运动。

6.根据权利要求1或5所述的一种具有低温腔结构的脉管制冷机，其特征在于：所述减振调相机构(3)中的直线低温惯性管(3-1)在低温环境下其调相角度表示为：

其中p为压力，ω为角频率，d为直线低温惯性管(3-1)直径，T为温度，R为声阻，μ为工质的黏度，下标0代表室温时的参数，低温下气体黏性减小，相同长度和直径下直线低温惯性管(3-1)可获得更大的调相能力；在实际设计中，通过直线调节惯性管(3-1)的直径和长度获得合适的调相角度

7.根据权利要求1所述的一种具有低温腔结构的脉管制冷机，其特征在于：所述小孔阀(3-3)为纯阻力元件，通过改变小孔直径调节质量流与压力波的相位关系，当直线惯性管(3-1)的调相能力满足相位要求时，不使用小孔阀(3-3)元件。

8.根据权利要求1所述的一种具有低温腔结构的脉管制冷机，其特征在于：控制机构(5-2)通过控制减振调相活塞(3-2)的运动相位和行程减小脉管制冷机的振动输出，减振调相活塞(3-2)的线性运动同时调节脉管制冷机内质量流和压力波的相位。

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