CN1743761A - 具有波纹管直流阻断结构的双向进气型脉管制冷机 - Google Patents

具有波纹管直流阻断结构的双向进气型脉管制冷机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有波纹管直流阻断结构的双向进气型脉管制冷机。它包括依次相连接的压缩机、回热器热端换热器、回热器、冷头、脉管、脉管热端换热器、小孔阀、气库，在脉管的热端设有波纹管直流阻断结构，在回热器进气口与脉管的热端之间设有毛细管。本发明既保持了原第二进气通过分流部分流经回热器的工质流量而减小回热器损失，提高制冷机内工质交变流动压力波与速度波相位关系的调节能力，强化脉管内压力振幅等优点，同时又阻断了沿回热器、脉管和第二进气回路的直流流动，消除了直流对制冷温度和制冷量的影响，解决了传统双向进气型脉管制冷机中由于直流导致的运行稳定性问题。

Description

具有波纹管直流阻断结构的双向进气型脉管制冷机
技术领域
本发明涉及一种具有波纹管直流阻断结构的双向进气型脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机由于去除了低温运动部件——排出器，从而避免了低温下的滑动密封、机械磨损等问题，可望真正成为低成本、低振动、运行稳定可靠的长寿命低温制冷机。特别是随着小孔和气库、双向进气等调相结构的提出和成功运用，脉管制冷机制冷温度不断降低，制冷量和制冷效率也大幅提高，已经接近甚至在某些工况下超过传统的回热式低温制冷机(如：G-M制冷机、Stirling制冷机等)，已在超导器件和红外设备的冷却，以及低温流体的液化等方面得以实际应用。然而，双向进气调相结构通过管路连通回热器进气口和脉管热端，形成第二进气，在旁通了部分流经回热器的工质流量而提高回热器效率，增强制冷机内部压力波与速度波相位关系的调节能力，以及强化脉管内压力波振幅的同时，也形成了由回热器、脉管和第二进气构成的闭合回路，制冷机运行时，回路中可能出现从回热器经冷头流向脉管或相反方向的附加净质量流，也称Gedeon直流。Gedeon直流的存在，不仅影响制冷温度，损耗部分制冷量，而且造成制冷机运行状态不稳定，阻碍了脉管制冷机的实用化进程。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有波纹管直流阻断结构的双向进气型脉管制冷机。
它包括依次相连接的压缩机、回热器热端换热器、回热器、冷头、脉管、脉管热端换热器、小孔阀、气库，在脉管的热端设有波纹管直流阻断结构，在回热器进气口与脉管的热端之间设有毛细管。
所述的波纹管直流阻断结构为一段一端封闭的波纹管，位于脉管内，与脉管呈同轴布置，其开口端紧靠脉管热端换热器，并与脉管内壁焊接，波纹管内腔与脉管热端换热器连通。
本发明采用波纹管直流阻断结构，既保证了第二进气通过分流减小回热器损失的优点，以及对脉管内工质交变流动压力波与速度波相位关系的调节能力和对脉管内压力振幅的强化作用，同时又隔断了循环于回热器、脉管和第二进气回路的直流流动，进而消除直流对制冷温度和制冷量的消极影响，解决了传统双向进气型脉管制冷机中由于直流导致的运行稳定性问题。
此外，本发明采用毛细管代替针阀作为第二进气结构，避免了由于针阀开度调节给用户使用带来的不便。
附图说明
附图是具有波纹管直流阻断结构的双向进气型脉管制冷机结构示意图。
具体实施方式
如附图所示，具有波纹管直流阻断结构的双向进气型脉管制冷机包括依次相连接的压缩机1、回热器热端换热器2、回热器3、冷头4、脉管5、脉管热端换热器6、小孔阀7、气库8，在脉管5的热端设有波纹管直流阻断结构9，在回热器3进气口与脉管5的热端之间设有毛细管10。
所述的波纹管直流阻断结构9为一段一端封闭的波纹管，位于脉管内，与脉管呈同轴布置，其开口端紧靠脉管热端换热器，并与脉管内壁焊接，波纹管内腔与脉管热端换热器连通。
具有波纹管直流阻断结构的双向进气型脉管制冷机运行时，以压缩机产生的压力波作为驱动源，在往复的充放气过程中实现制冷效应。具体来讲，在充气过程中，来自压缩机的高压气体在回热器进气口分流，一部分流经回热器热端换热器、回热器进行预冷后，通过冷头进入脉管冷端，另一部分经毛细管第二进气和脉管热端换热器进入波纹管内腔(其中部分工质经小孔阀流入气库)，推移波纹管封闭端向脉管冷端方向移动，脉管内工质被压缩，脉管热端换热器将压缩热带出系统。在放气过程中，回热器进气口处于低压，脉管中工质膨胀降温，脉管冷端的部分工质，将冷量传递给冷头后，从回热器冷端流向热端，冷却回热器中的填料，为下一充气过程储备冷量，最后返回到压缩机；而脉管内波纹管封闭端向脉管热端方向移动，推动波纹管内的工质经脉管热端换热器和毛细管第二进气回到压缩机(此时，气库中的部分工质也经毛细管第二进气返回到压缩机)。如此周而复始，冷端温度逐渐下降，直到达到平衡状态。
由于第二进气旁通了部分流经回热器的工质，减小了回热器流动损失，提高了回热器效率。并且，根据焓流调相理论，脉管制冷机的理论制冷量等于流经脉管的焓流，而当脉管中压力波与速度波同相时，脉管内的焓流最大。在小孔和气库调相结构运行模式下，脉管内的压力波总是滞后于质量波，而通过第二进气向脉管热端引入的质量流，能够促使在脉管的冷端实现压力波与速度波同相，甚至于压力波超前于速度波，从而提供高效脉管制冷过程所需的压力波与速度波相位关系。同时，通过第二进气向脉管热端引入的质量流还可强化脉管内工质的压缩膨胀过程，提高其制冷性能。在本发明中，一段一端封闭的波纹管被安装在脉管热端，波纹管的封闭端在其两侧压力差作用下而往复移动，实现压力波和速度波的传递，同时将脉管内空间分隔为两个部分，阻断沿回热器、脉管和第二进气管构成回路的Gedeon直流，可实现脉管制冷机长期高效、稳定运行。必须注意的是，波纹管的尺寸是保证制冷机能够正常运行的关键参数。设计中，需根据通过第二进气进入脉管热端的充放气量确定波纹管封闭端的扫气容积，在确保波纹管往复伸缩过程不与脉管内壁发生摩擦前提下，尽量采用较大直径的波纹管，以便缩短波纹管的长度和减小其封闭端的行程，同时确保波纹管工作在室温附近温区。这样既可保证制冷机正常工作，又有利于延长波纹管的寿命。
在本发明中，通过实验优化作为第二进气的毛细管的流阻特性，确定其长度和直径，用户无需再对第二进气做任何调节。

Claims (2)

1.一种具有波纹管直流阻断结构的双向进气型脉管制冷机，它包括依次相连接的压缩机(1)、回热器热端换热器(2)、回热器(3)、冷头(4)、脉管(5)、脉管热端换热器(6)、小孔阀(7)、气库(8)，其特征在于，在脉管(5)的热端设有波纹管直流阻断结构(9)，在回热器(3)进气口与脉管(5)的热端之间设有毛细管(10)。
2.根据权利要求1所述的一种具有波纹管直流阻断结构的双向进气型脉管制冷机，其特征在于，所述的波纹管直流阻断结构(9)为一段一端封闭的波纹管，位于脉管内，与脉管呈同轴布置，其开口端紧靠脉管热端换热器，并与脉管内壁焊接，波纹管内腔与脉管热端换热器连通。
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