CN1370966A - 脉冲管制冷器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种脉冲管制冷器。脉冲管插入蓄热器,以使脉冲管的中心轴与蓄热器的中心轴平行,并使U形工作气体通道由脉冲管和蓄热器形成。可通过增加设置在冷换热器内的冷压头的可用区域,使更多部件制冷。可通过缩短制冷单元的长度,减少对制冷单元的安装空间的限制。可通过减少用于密封小室组合的密封部件的数量,降低制造成本。

Description

脉冲管制冷器
发明领域
本发明涉及脉冲管制冷器，具体涉及能够增加冷换热器的可用区域并能减少制冷器尺寸的脉冲管制冷器。
背景技术说明
通常，低温制冷器是一种振动小、可靠性高的制冷器，用于使小型电子部件或超导体制冷。斯特林(Stirling)制冷器、Giford-Mcmahon(GM)制冷器以及Joule-Thomson制冷器都已广为人知。
然而，此类制冷器在以高速驱动时，其可靠性将下降。而且，针对在制冷器驱动过程中发生摩擦的部位的磨损，还必须另设润滑装置。因此，日前已提出对低温制冷器的要求，即低温制冷器在高速驱动过程中保持可靠性，而且因为无需额外润滑，所以很长时间不用修理。这样一种低温制冷器便是脉冲管制冷器。
图1是示出常规脉冲管制冷器的实例的示意性剖视图。如图1所示，常规脉冲管制冷器包括：驱动单元10，用于产生工作气体的往复运动；以及制冷单元20，其由于工作气体的热动力循环而具有冷压头(Cold Head)，工作气体被吸入/排出驱动单元10，并在管路内作往复运动。
驱动单元10包括：密闭箱11，其具有罩住中部外壳11b和下部外壳11c的内部空间；上部外壳11a，其与密闭箱11的上周缘紧密相连，并且在上部外壳11a的中部设有气缸10a；活塞14，其位于密闭箱11内，活塞14的上表面与上部外壳11a的底部紧密相连，在活塞14的内部固定有弹性支撑件15，并且活塞14插入气缸10a内；中部外壳11b，其内部固定装有驱动电动机12，驱动电动机12包括与活塞14相连的驱动轴13；下部外壳11c，其位于密闭箱11内，下部外壳11c的上表面与中部外壳11b的下表面紧密相连，在下部外壳11c的内部固定有弹性支撑件16；以及罩11d，其上表面与下部外壳11c的底部紧密相连。
制冷单元20包括：后冷却器21，其与驱动单元10的上部外壳11a紧密相连，并与气缸10a相连；蓄热器22，其与后冷却器21的另一端相连；冷换热器23A，其与蓄热器22的另一端相连；脉冲管23，其与冷换热器23A的另一端相连(即脉冲管的入口)；热换热器23B，其与脉冲管23的另一端相连(即脉冲管的出口)；惰性管24，其与热换热器23B的另一端相连，容器25，其与惰性管24的另一端相连；以及密封小室26，其容纳蓄热器22和脉冲管23，密封小室26的下表面与后冷却器21的上表面紧密相连，在密封小室26的上表面的中部设有一个与脉冲管23的外圆周相对应的通孔，并且密封小室26的上表面的中部与脉冲管23的外圆周紧密相连。
后冷却器21采用金属构成，并执行换热器的功能，用于在当驱动单元10压缩工作气体时，排除在工作气体中产生的热量。
蓄热器22是一种换热器，用于提供一种方式，使最大量的潜在功(冷却功率)到达低温区，而且使工作气体不具有大量的热。蓄热器22不仅仅向系统供热或从系统排热，而且，蓄热器22还在一部分压力循环中从工作气体中吸热，并把所吸收的热量返回到另一部分压力循环。
冷换热器23A从将要冷却的部件中吸热，并形成冷压头。
当在压力脉冲与脉冲管23内的工作气体的质量流量之间建立起一种合适的相位关系时，脉冲管23把热量从冷换热器23A移到热换热器23B。
热换热器23B排除从冷换热器23A中途经脉冲管23的热量。
惰性管24和容器25提供相移，以使热流量可在合适的设计下实现最大化。
常规脉冲管制冷器的工作方式如下。
当向驱动电动机12供电时，驱动轴13与弹性支撑件15和16一起作线性往复运动。与驱动轴13整体结合的活塞14在气缸10a内作线性往复运动，并吸收/排放制冷单元20的工作气体，从而在冷换热器23A内形成冷压头。
也就是说，当活塞14压缩工作气体时，在气缸10a内压缩并排出气缸10a的工作气体通过后冷却器21被制冷到合适温度，并流到蓄热器22。途经蓄热器22的工作气体流到脉冲管23的冷换热器23A，并把填充在脉冲管23内的工作气体推向热换热器23B。工作气体在途经热换热器23B的同时进行散热，并通过惰性管24流到容器25。
此时，由于流经惰性管24的工作气体的质量流量相对小于流到脉冲管23的工作气体的质量流量，因而脉冲管23的内部在高压时形成热平衡。
当在由活塞14吸入工作气体的过程中，流到脉冲管23的工作气体在途经蓄热器22的同时返回到气缸10a。此时，通过惰性管24返回到脉冲管23的工作气体的质量流量相对小于从脉冲管23返回的工作气体的质量流量。因此，脉冲管23内的工作气体进行绝热膨胀。通常，工作气体在冷换热器23A内快速进行绝热膨胀。因此，在冷换热器23A内形成冷压头。
因此，脉冲管23的内部在低压时形成热平衡。工作气体通过惰性管24从容器25连续移到脉冲管23，并增加脉冲管23内的工作气体的压力，从而恢复最初温度。该一系列过程重复进行。
然而，在常规脉冲管制冷器的制冷单元内，安装有将被实际制冷部件的冷换热器23A的区域狭窄。因此，在对大量部件制冷时受到限制。
也就是说，蓄热器22与冷换热器23A的一侧相结合，并且脉冲管与冷换热器23A的另一侧相结合。因此，可安装将被制冷部件的可用区域被限制到冷换热器23A的外圆周。
如图1所示，制冷器的全长增加，这是因为蓄热器22、脉冲管23、惰性管24以及容器25都安装一个管路内。因此，需要较大的安装空间。
而且，尽管蓄热器22和脉冲管23必须相互真空隔离，并且热换热器23B、惰性管24和容器25必须暴露到外部，然而上述部件都安装在一个管路内。因此，需要至少两个密封部分和部件，以便把密封小室26与脉冲管23结合起来。因而，部件数量变得过多。
发明综述
因此，本发明的一个目的是提供一种能够增加具有均匀区域的冷换热器的可用区域的脉冲管制冷器。
本发明的另一目的是提供能够通过缩短制冷单元的长度从而减少对安装空间的限制的脉冲管制冷器。
本发明的又一目的是提供能够通过减少用于真空隔离制冷单元的密封部件的数量从而降低生产成本的脉冲管制冷器。
为获得这些和其他优点并根据本发明的目的，正如本文所具体包含和全面说明的那样，提供了一种脉冲管制冷器，该脉冲管制冷器包括：后冷却器，其与用于吸收/排放工作气体的气缸相连，后冷却器用于排除由吸入/排出气缸的工作气体的压缩所产生的热量；蓄热器，其与后冷却器相连，蓄热器用于存储途经蓄热器的工作气体的显热，并当工作气体反向途经蓄热器时返回显热；脉冲管，其与蓄热器的一端相连，脉冲管用于压缩/膨胀途经蓄热器的工作气体，并形成热流量；惰性管和容器，其与脉冲管相连，惰性管和容器用于在压力脉冲和质量流量之间产生相移，并在脉冲管内产生热流量；热换热器，用于把脉冲管与惰性管相连，并用于散发移动热；以及冷换热器，用于把蓄热器和脉冲管罩在一起，从而在冷换热器内形成连接通道，以便把蓄热器与插入蓄热器内的脉冲管的一端相连。冷换热器包括：空心圆柱体，其与蓄热器的外圆周相结合；近似空心圆柱中心体，其具有台阶，并与位于空心圆柱体中部和蓄热器内圆周内的脉冲管的前端接触并与之相结合；以及罩，其插入空心圆柱体上的空心圆柱体内圆周内并与之相结合。
通过以下结合附图对本发明进行的详细说明，将对本发明的上述和其他目的、特点、方面和优点有更加清楚的了解。
附图的简要说明
附图包含在本文中以便于进一步了解本发明，并且纳入本说明书并构成本说明书的一部分。这些附图不仅显示本发明的实施例，而且还与说明书一起用来阐明本发明的原理。
在附图中：
图1是示出常规脉冲管制冷器的实例的垂直剖视图；
图2是示出根据本发明的脉冲管制冷器的实例的垂直剖视图；
图3是示出根据本发明的脉冲管制冷器的制冷单元的剖视图；以及
图4是沿图3的线I-I观察的剖视图。
优选实施例的详细说明
以下将参照附图中所示的实施例，对根据本发明的脉冲管制冷器进行详细说明。
图2是示出根据本发明的脉冲管制冷器的实例的垂直剖视图。图3是示出根据本发明的脉冲管制冷器的制冷单元的垂直剖视图。图4是沿图3的线I-I观察的剖视图。
如图2、图3和图4所示，根据本发明的脉冲管制冷器包括：驱动单元100，用于吸收/排放工作气体；以及制冷单元200，其与驱动单元100相连，在制冷单元200内形成冷压头。
制冷单元200通过连接后冷却器210从而与驱动单元100相结合，用于使吸入/排出驱动单元100的气缸100a的工作气体制冷，以使工作气体具有一定温度，并流到气缸100a。蓄热器200与后冷却器210相连并与之相结合，当驱动单元100排放工作气体时，蓄热器200用于蓄积工作气体的显热，并且当驱动单元100吸收工作气体时，蓄热器200用于向工作气体传热。脉冲管230与蓄热器220在蓄热器220内相结合，用于根据在压力脉冲和工作气体的质量流量之间的相位差，形成冷压头。惰性管240和容器250与脉冲管230相结合，用于产生工作气体的相位差。帽形密封小室260与后冷却器210的一侧相结合，用于把蓄热器220和脉冲管230相互真空隔离。
蓄热器220是采用铜线编织而成的网状系统并且是一圆筒，在其中部设有通孔221，并且其断面采用环形。脉冲管230插入蓄热器220的通孔221内，并与通孔221相结合。
通过用冷换热器270把蓄热器220和脉冲管230罩住，蓄热器220与脉冲管230相连。冷换热器270与蓄热器220和脉冲管230相结合，冷换热器270的外圆周上装有诸如超导体等装置。
冷换热器270包括：空心圆柱体271，其与蓄热器220的外圆周相结合；近似空心圆柱中心体272，其与脉冲管230的前端以及蓄热器220的内圆周接触并与之相结合；以及罩273，其插入空心圆柱体271上的空心圆柱体271的内圆周内并与之相结合。
多个第一连接通道271a径向设置在下列三者之间所形成的空间内的相同圆周上，即：设置在空心圆柱体271的内圆周内的凹槽(无参考编号)，中心体272的外圆周，以及罩273的内表面。并且，多个第一连接通道271a与蓄热器220相连。第一连接通道271a可由一个内圆周形成，在空心圆柱体271的内圆周内没有设置凹槽(无参考编号)。
多个第二连接通道271b径向设置在位于中心体272的上表面与罩273的下表面之间的空间内，并与多个第一连接通道271a相连。
而且，第三连接通道271c设置在中心体272的内部，其中部设有台阶，第三连接通道271c用于把第二连接通道271b与脉冲管230相连。
换热器274设置在中心体272的第三连接通道271c上，换热器274是采用铜线编织而成的网状系统，以使脉冲管230内的工作气体能容易地从外部吸热。
凸起273a，其断面呈梯形，它在换热器274的上表面与罩273的内部紧密接触，以便充分传热。
空心圆柱体271的外圆周、蓄热器220的外圆周、空心圆柱体271的一侧以及罩273的一侧被焊接在一起以便密封。
参考编号110、120、130、140、150和160、280和W分别表示箱体、驱动电动机、驱动轴、活塞、弹性支撑件、热换热器和焊接部分。
根据本发明的具有上述结构的脉冲管制冷器，其工作方式如下。
也就是说，当向驱动单元100供电时，驱动单元100的驱动电动机120的驱动轴130以及与驱动轴130相结合的活塞140在弹性支撑件150和160的作用下作线性往复运动。当活塞140排放工作气体时，气缸100a内的工作气体流到后冷却器210，被制冷到一定温度，然后流到蓄热器220。流到蓄热器220的工作气体以U形转弯方式途经冷换热器270，并流到存储显热的脉冲管230。原先填充在脉冲管230内的工作气体由新流入脉冲管230的工作气体推向热换热器280，并且通过惰性管240流到容器250。
当活塞140吸收工作气体时，填充在容器250内的工作气体通过惰性管240返回脉冲管230。返回脉冲管230的工作气体推动原先填充在脉冲管230内的工作气体，并把该工作气体返回气缸100a。因此，冷换热器270被制冷到低温。该一系列过程重复进行。
通过后冷却器210流到蓄热器220的工作气体在蓄热器220内散放，并途经蓄热器220。工作气体以U形转弯方式途经空心圆柱体271的第一连接通道271a以及与第一连接通道271a相连的第二连接通道271b，然后流到脉冲管230。工作气体途经冷换热器270，移到面向冷换热器270的热换热器280，并流到惰性管240和容器250。当活塞140吸收工作气体时，工作气体进行反向循环，并返回驱动单元100的气缸100a。
此时，由冷换热器270吸收的热量移到热换热器280，并根据上述工作气体的流动而散发，从而使冷换热器270制冷。因此，空心圆柱体271和罩273形成冷压头。
当脉冲管230插入蓄热器220时，蓄热器220和脉冲管230形成U形工作气体通道，并且在U形通道内形成冷压头，冷压头上装有超导体装置。因此，冷压头的可用区域延伸到空心圆柱体271的外圆周和罩273的顶部。
而且，由于脉冲管230插入蓄热器220，因而制冷单元200的长度缩短。因此，减少了对脉冲管制冷器的安装空间的限制。
而且，由于惰性管240以穿入方式朝后冷却器210方向安装，因而密封小室260可采用帽形。因此，由于仅可通过把密封小室260的开孔与后冷却器210相结合才能执行制冷单元200的真空隔离，因而只需一个密封部件把密封小室与后冷却器210相结合。因此，减少了部件和过程的数量。
以下将对根据本发明的脉冲管制冷器的功效进行说明。
在根据本发明的脉冲管制冷器内，当脉冲管插入蓄热器时，蓄热器和脉冲管都与由机身和罩组成的冷换热器相连。因此，可把更多的装置安装到冷压头上，从而使更多装置制冷，这是因为所产生的冷压头的可用区域增加。由于制冷单元的长度缩短，从而减少了对安装空间的限制。由于用于组合密封小室的密封部件的数量减少，因而制造成本也降低。

Claims (5)

1.一种脉冲管制冷器，包括：后冷却器(21)，其与用于吸收/排放工作气体的气缸(10a)相连，后冷却器用于排除由吸入/排出气缸的工作气体压缩所产生的热量；蓄热器(22)，其与后冷却器(21)相连，蓄热器(22)用于存储途经蓄热器(22)的工作气体的显热，并当工作气体反向途经蓄热器(22)时返回显热；冷换热器(23A)，其与蓄热器(22)的一端相连，冷换热器(23A)用于吸热；脉冲管(23)，其与冷换热器(23A)的一端相连，脉冲管(23)用于压缩/膨胀途经冷换热器的工作气体，并形成热流量；惰性管(24)和容器(25)，其与脉冲管(23)相连，惰性管(24)和容器(25)用于在压力脉冲和质量流量之间产生相移，并在脉冲管(23)内产生热流量；以及热换热器(23B)，用于把脉冲管(23)与惰性管(24)相连，并散发动热，其特征在于，
设有冷换热器(270)，用于把蓄热器和脉冲管罩在一起，从而在冷换热器(270)内形成连接通道(271a)、(271b)和(271c)，以便把蓄热器(220)与插入蓄热器(220)内的脉冲管(230)的一端相连，
其中，冷换热器(270)包括：
空心圆柱体(271)，其与蓄热器(220)的外圆周相结合；
近似空心的圆柱中心体(272)，其具有台阶，并与位于空心圆柱体(271)中部和蓄热器(220)内圆周内的脉冲管(230)的前端接触并与之相结合；以及
罩(273)，其插入圆柱体(271)上的圆柱体(271)内圆周内并与之相结合。
2.如权利要求1所述的脉冲管制冷器，其特征在于，多个第一连接通道(271a)径向设置在位于空心圆柱体(271)的内圆周、中心体(272)的外圆周以及罩(273)的内表面之间形成的空间内，并与蓄热器(220)相连。
3.如权利要求2所述的脉冲管制冷器，其特征在于，第二连接通道(271b)设置在位于中心体(272)的上表面与罩(273)的下表面之间的空间内，并分别与多个第一连接通道(271a)相连。
4.如权利要求1所述的脉冲管制冷器，其特征在于，包括第三连接通道(271c)，其设置在中心体(272)内，第三连接通道(271c)用于把第二连接通道(271b)与脉冲管(230)相连。
5.如权利要求4所述的脉冲管制冷器，其特征在于，一个换热器(274)插入设置在中心体(272)内的第三连接通道(271c)并与之相结合，并与脉冲管(230)相连，换热器(274)用于与作往复运动的气体进行换热。
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