CN1818512B - 一种消除双向进气脉管制冷机直流的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种消除双向进气脉管制冷机直流的装置，包括：安装在双向进气脉管制冷机的双向进气管路上双向进气阀的一侧或两侧的夹装有弹性膜片的弹性膜盒；所述弹性膜盒内部为一空腔，空腔的两端分别与所述双向进气管路相连通；所述弹性膜片夹装在所述弹性膜盒的中央并将弹性膜盒内部空腔分割成两部分。本发明结构简单，不需要反复调节；弹性膜片在允许压力波动在其两侧的传递的同时，阻断脉管制冷机内直流流动的闭合回路，可以彻底消除双向闭合回路中的直流，从而提高双向进气脉冲管制冷机的热力性能。

Description

一种消除双向进气脉管制冷机直流的装置
技术领域
本发明主要涉及制冷与低温技术领域，特别涉及到一种采用弹性膜片消除直流、传递压力波的方法。
背景技术
脉管制冷机技术在现代低温制冷机技术领域中占有举足轻重的地位，它体积小，没有运动部件，在航天、军事等方面有着非常广泛的应用前景。一个典型的脉管制冷机如图1所示，它主要由回热器3、回热器热端水冷器2、冷头4、双向进气阀12、双向进气管路13、脉管6、脉管热端水冷器7、导流器5、小孔阀8、气库9等组成，有的脉管制冷机在小孔阀盒气库之间还有惯性管。双向进气结构可以大大提高制冷机的制冷性能，但是也存在一些问题，声直流就是其中之一。
如图1所示，当双向进气阀打开时，在回热器3和脉管6之间就形成了一个闭合回路。虽然脉管制冷机内的气体工作过程是周期性的振荡流动，理论上讲可以在其平衡位置来回流动，而不会产生朝某一个方向的时均流量。但是因为双向进气管路13、回热器3、脉管6等所构成的闭合回路是非对称的，特别是当冷头4的温度较低时，周期性的振荡流动就会产生一个时均的质量流量，这个质量流量会在图1所示的封闭回路里呈顺时针方向流动，我们称之为直流。直流形成时，一方面工作气体会把回热器冷头4的冷量带向回热器热端水冷器2，同时又会把脉管热端水冷器7处的热量带向脉管的冷头4，从而导致整个系统的性能恶化。
目前研究者们已经想出了很多的方法来抑制脉管制冷机内的直流，但是这些方法有的加工困难，有的方法结构复杂，有的难以调节，都存在一定的不足之处，因此如何彻底简单有效地消除直流是脉管制冷机研究的一个重要问题。
发明内容
本发明的目的在于克服目前双向进气系统的缺点，采用一种弹性膜片阻断直流回路，但同时又能达到传递声功的目的，从而提供一种简单、可靠并且彻底消除直流的方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供的消除双向进气脉管制冷机直流的装置，包括：
安装在双向进气脉管制冷机的双向进气管路上双向进气阀的一侧或两侧的夹装有弹性膜片的弹性膜盒；
所述弹性膜盒内部为一空腔，空腔的两端分别与所述双向进气管路相连通；
所述弹性膜片夹装在所述弹性膜盒的中央并将弹性膜盒内部空腔分割成两部分。
所述的弹性膜盒内部空腔为椭球形。所述的弹性膜片为有机弹性膜片或金属弹性膜片，其张力在10-100N/m2；所述的弹性膜片夹装在弹性膜盒内部空腔的横截面积最大处。所述的弹性膜盒内部空腔的最大横截面积为双向进气管路横截面积的10～100倍。所述的双向进气脉管制冷机包括单级脉管制冷机、两级脉管制冷机或多级脉管制冷机。
本发明在双向进气脉管制冷机的双向进气管路上双向进气阀的一侧或两侧安装一弹性膜盒，此膜盒内部为一空腔，空腔的两端与所述双向进气管路相连通；弹性膜盒中央夹装一弹性膜片，弹性膜片将弹性膜盒内部空腔分割成两部分；弹性膜盒内部的空腔通常接近为椭球形；弹性膜片安装在椭球形空腔的最大横截面处，且椭球形空腔的最大横截面积必须为双向进气管路横截面面积的2～100倍；弹性膜片通常为有机弹性膜片或金属弹性膜片，其张力在10-100N/m2。
可以看出本发明的核心内容就是使用一种弹性膜片阻断脉管制冷机内直流流动的封闭回路，从而达到消除直流的目的。它与现有的脉管制冷机抑制直流的方法相比，非常简单，同时直流能够得到彻底的消除。
本发明中最关键的问题就是解决弹性膜片的疲劳寿命问题。一般地，材料的使用寿命是跟其受力变形的情况相关的。当材料的变形量低于某一个极限值，材料的疲劳寿命是可以趋近于无限长的，当材料的变形量高于这个极限值时，材料使用一段时间之后就会发生失效。因此在本发明中必须使弹性膜片的变形量低于所使用的材料的极限变形量。通常双向进气管路内的气体位移量跟管路的半径相比较还是比较大的，如果直接将弹性膜片夹装的双向进气管路内，膜片随工作气体的来回振荡而发生反复的较大的疲劳变形，寿命必然会很短，因此必须减少膜片的位移量。本发明在膜片安装的地方增大管道的流通面积，如图2所示，在双向进气管道中间安装一弹性膜盒，弹性膜盒的横截面积远大于双向进气管道的横截面积。虽然在双向进气管路内的气体位移比较大，但是由于弹性膜盒的横截面积较大，因此气体在弹性膜盒内的径向位移很小，弹性膜片的位移量也很小，从而提高其疲劳寿命。
另外，弹性膜片的张力也必须有一定的范围。图2中黑色的粗实线表示弹性膜片，在系统未工作时，它的平衡位置正好位于弹性膜盒的正中央。当系统工作时，由于系统有产生直流的趋势，因此工作气体会作用一个压强在弹性膜片上。如果直流流动趋势是从左向右的，那么工作气体作用在弹性膜片上的压强也是从左向右的。但是因为弹性膜片具有一定的张力，膜片变形后将会产生一个与直流流动反向的力，从而在途中虚线所示的位置达到平衡。所以系统工作时，弹性膜片是在虚线所示的位置来回运动。在设计时必须选择张力足够大的弹性膜片，椭球形的空腔必须足够长，以防止气体的直流作用力直接将膜片推挤到椭球形空腔的内壁面上，同时还要保证压力波能在膜的两侧顺利传递。
本发明的优点是：结构简单，不需要反复调节，可以彻底消除双向闭合回路中的直流，从而提高双向进气脉冲管制冷机的热力性能。
附图说明
图1为一种典型的双向进气脉管制冷机的结构示意图；
图2为本发明的结构和弹性膜片在工作与未工作时的平衡位置示意图；
图3为本发明的消除双向进气脉管制冷机直流的装置应用于单级脉管制冷机的示意图；
图4为本发明的弹性膜盒与弹性膜片的结构示意图；
图5为本发明的消除双向进气脉管制冷机直流的装置应用于两级脉管制冷机的示意图；
其中：脉管制冷机进气管1    回热器热端水冷器2        回热器3
冷头4              导流器5         脉管6
脉管热端水冷器7    小孔阀8         气库9
弹性膜盒10         弹性膜片11      双向进气阀12
双向进气管路13     二级回热器14    二级冷头15
二级脉管16         惯性管17
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明结构和工作原理作进一步详细说明。
图2为本发明的结构和弹性膜片在工作与未工作时的平衡位置示意图；图3为本发明的消除双向进气脉管制冷机直流的装置应用于单级脉管制冷机的示意图；图4为本发明的弹性膜盒与弹性膜片的结构示意图；图5为本发明的消除双向进气脉管制冷机直流的装置应用于两级脉管制冷机的示意图。
由图可知，本发明的弹性膜盒10安装在双向进气脉管制冷机的双向进气管路13上双向进气阀12的一侧(当然也可以在双向进气管路13上双向进气阀12的两侧均安装弹性膜盒)，此弹性膜盒10内部为一空腔，空腔的两端分别与所述双向进气管路13相连通；弹性膜盒10内夹装有一弹性膜片11，弹性膜片11将弹性膜盒10内部空腔分割成两部分；弹性膜盒10内部空腔通常为椭球形，椭球形的内壁面与弹性膜片11受气体压缩时的变形形状较为接近，有利于减少系统的死体积；弹性膜片11安装在椭球形空腔的最大横截面处，最大横截面处的面积为双向进气管路13横截面面积的2～100倍。因为较大的椭球形空腔的横截面积可以减少弹性膜片的位移量，提高弹性膜片的使用寿命。但是横截面积也不是越大越好，因为过大的横截面积可能增加系统的空间和系统内部的死体积；弹性膜片11通常为有机弹性膜片或金属弹性膜片，其张力在10-100N/m2，因为只有足够大的张力才能防止气体的直流作用力直接将膜片推挤到椭球形空腔的内壁面上。
实施例1：采用图3所示的结构，脉管制冷机为单级双向进气结构，弹性膜盒10安装在双向进气阀12和脉管热端换热器之间的双向进气管路上。弹性膜盒10的详细结构如图2和图4所示；弹性膜盒10分成两部分，每部分的边沿处为法兰结构，中央部分则一侧凹陷呈半椭球形，另一侧凸出，中央有孔接双向进气管13；在二者的中央为1mm厚的硅胶弹性膜片11，安装时通过螺栓将弹性膜片10夹装在两个法兰之间。双向进气管道13的直径为2mm，弹性膜盒10内椭球形空腔的长度为8mm，最大横截面处直径为7mm(为双向进气管的10倍)；硅胶弹性膜片的张力为100N/m2。
实施例2：采用图3所示的结构，脉管制冷机为单级双向进气结构，弹性膜盒10安装在双向进气阀12和脉管热端换热器之间。弹性膜盒10的详细结构如图2和图4所示；弹性膜盒10分成两部分，每部分的边沿处为法兰结构，中央部分则一侧凹陷呈半椭球形，另一侧凸出，中央有孔接双向进气管13；在二者的中央为1mm厚的硅胶弹性膜片11，安装时通过螺栓将弹性膜片10夹装在两个法兰之间。双向进气管道13的直径为2mm，弹性膜盒10内椭球形空腔的长度为8mm，最大横截面处直径为20mm(为双向进气管的100倍)；金属铍青铜波纹弹性膜片11的张力为10N/m2。
实施例3：采用图5所示的结构，脉管制冷机为两级双向进气结构，图5中标号14为二级回热器，标号15为二级冷头，标号16为二级脉管，标号17为惯性管；在脉管制冷机进气管1与一级脉管热端换热器和二级脉管热端换热器之间分别都安装有弹性膜盒10；弹性膜盒10的详细结构如图2和图4所示；双向进气管直径为1mm，弹性膜盒10内椭球形空腔的长度为8mm，最大横截面处直径为7.5mm(为双向进气管直径的50倍)；弹性膜片为0.5mm厚的氟橡胶膜，其张力在50N/m2左右。

Claims (5)

1.一种双向进气脉管制冷机，所述脉管制冷机包括双向进气管路，所述双向进气管路连接在第一管路和第二管路之间，所述第一管路为脉管制冷机进气管(1)，所述第二管路为脉管制冷机的气库(9)与脉管制冷机的脉管热端水冷器(7)之间的连接管路，小孔阀(8)设置在所述第二管路上，所述双向进气管路与第二管路的连接部在小孔阀(8)与脉管热端水冷器(7)之间；在所述的双向进气管路上设置双向进气阀(12)；其特征在于，在所述的双向进气脉管制冷机的所述双向进气管路上双向进气阀的一侧安装弹性膜盒，所述弹性膜盒中夹装有弹性膜片，所述弹性膜盒内部为一空腔，空腔的两端分别与所述双向进气管路相连通，所述弹性膜片夹装在所述弹性膜盒的中央，并将弹性膜盒的内部空腔分割成两部分，所述的弹性膜盒能够抑制双向进气脉管制冷机的直流。
2.按权利要求书1所述的双向进气脉管制冷机，其特征在于，所述的弹性膜盒内部空腔为椭球形。
3.按权利要求书1所述的双向进气脉管制冷机，其特征在于，所述的弹性膜片夹装在弹性膜盒内部空腔的横截面积最大处。
4.按权利要求书1所述的双向进气脉管制冷机，其特征在于，所述的弹性膜盒内部空腔的最大横截面积为双向进气管路横截面积的10～100倍。
5.按权利要求书1双向进气脉管制冷机，其特征在于，所述的双向进气脉管制冷机包括单级脉管制冷机、两级脉管制冷机或多级脉管制冷机。
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