CN202304059U - 一种带自预冷脉管的脉管制冷机 - Google Patents

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邱利民
植晓琴
甘智华
曹强
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Abstract

本实用新型公开了一种带自预冷脉管的脉管制冷机。压缩机、热端连管、回热器热端换热器、第一回热器、第一冷端换热器、第一脉管、第一脉管热端换热器、第一调相装置顺次相连，第二回热器、第二冷端换热器、冷端连管、第二脉管、脉管预冷换热器、第二脉管热端换热器、第二调相装置顺次相连，脉管预冷换热器与第一冷端换热器相连。本实用新型在脉管上设有预冷换热器，减小了脉管近冷端的温度梯度，降低了脉管的热损失，同时可以协助脉管热端带走管内气体的热量，从而提高冷头的制冷性能。对于多级脉管制冷机，下一级脉管的预冷量由上一级冷头或回热器提供，只消耗高温区较小的冷量预冷脉管，就可以得到低温区冷头性能较大的提高。本实用新型操作简单，容易实现。

Description

一种带自预冷脉管的脉管制冷机
技术领域
本实用新型涉及低温制冷技术领域，尤其涉及一种带自预冷脉管的脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机诞生于20世纪60年代，与斯特林制冷机和G-M制冷机相比，脉管制冷机冷端膨胀腔为一根空管，无运动部件，具有结构紧凑、可靠性高、振动小、寿命长等优势，近年来在空间技术、国防军事、医学医疗等方面受到了广泛应用。由于脉管进、出口流道截面的突变和管壁的非绝热性，在脉管内不可避免地的存在环流损失、阻力损失、管壁导热损失、穿梭损失、边界层泵气损失等，其中仅脉管壁面的非绝热损失（穿梭损失、导热损失）就可占毛制冷量的20%-60%，严重削弱了脉管的制冷性能。脉管管壁的热损失与管壁温度梯度以及管内气体的温度梯度有关，对于冷热端温度跨度较大的脉管制冷机，如20-300K、4.2-300K温区的脉管制冷机，其管壁的非绝热损失不可忽视。目前脉管的流动损失可通过在进、出口布置层流化元件（如丝网、金属泡沫层等）进行改善，而脉管管壁热损失尚无有效方法改善。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有脉管制冷机的不足，提供一种能够减小脉管近冷端的温度梯度，降低脉管热损失，从而提高脉管制冷机性能的带自预冷脉管的脉管制冷机。
带自预冷脉管的脉管制冷机包括压缩机、热端连管、回热器热端换热器、第一回热器、第一冷端换热器、第一脉管、第一脉管热端换热器、第一调相装置、第二回热器、第二冷端换热器、冷端连管、第二脉管、脉管预冷换热器、第二脉管热端换热器、第二调相装置；压缩机、热端连管、回热器热端换热器、第一回热器、第一冷端换热器、第一脉管、第一脉管热端换热器、第一调相装置顺次相连，第二回热器、第二冷端换热器、冷端连管、第二脉管、脉管预冷换热器、第二脉管热端换热器、第二调相装置顺次相连；脉管上设有预冷换热器，脉管预冷换热器与第一冷端换热器相连。
所述的脉管预冷换热器的预冷量由多级脉管制冷机提供。所述的脉管预冷换热器布置在脉管外壁面。所述的脉管预冷换热器布置在脉管内部，所述脉管的预冷换热器是丝网填充型、狭缝型等多孔结构。所述的脉管预冷换热器布置在脉管上壁面温度高于预冷换热器温度的任意位置。所述的脉管预冷换热器同时布置多个在脉管壁面上不同温度的位置。所述的脉管制冷机是热耦合型脉管制冷机、气耦合型脉管制冷机、G-M型脉管制冷机或斯特林型脉管制冷机。
本实用新型在脉管上布置预冷换热器，协助热端换热器带走脉管内的热量，此外预冷换热器降低了脉管壁面靠近冷端部分的温度梯度，脉管内的气体也受到冷却，从而减少了脉管冷端的热损失。对于多级脉管制冷机，可直接将自身上一级冷头或回热器的冷量通过预冷换热器供给下一级的脉管，无需其他额外冷源，只需消耗高温区较小的冷量就可以得到冷头低温区性能较大的提升，同时还能加快冷头降温速度。本实用新型不同于多路旁通结构的脉管制冷机（专利公告号CN1067499），脉管与各级冷头之间无气路相通，相互独立，只通过换热器进行热传递而无质量传递，结构简单，性能稳定。
附图说明
图1是带自预冷脉管的脉管制冷机结构示意图；
图2（a）是带自预冷脉管的气耦合型多级脉管制冷机结构示意图；
图2（b）是带自预冷脉管的热耦合型多级脉管制冷机结构示意图；
图3是脉管预冷型与无预冷型两级制冷机实验结果对比图。
具体实施方式
如图1所示，带自预冷脉管的脉管制冷机包括压缩机1、热端连管2、回热器热端换热器3、第一回热器4、第一冷端换热器5、第一脉管6、第一脉管热端换热器7、第一调相装置8、第二回热器9、第二冷端换热器10、冷端连管11、第二脉管12、脉管预冷换热器13、第二脉管热端换热器14、第二调相装置15；压缩机1、热端连管2、回热器热端换热器3、第一回热器4、第一冷端换热器5、第一脉管6、第一脉管热端换热器7、第一调相装置8顺次相连，第二回热器9、第二冷端换热器10、冷端连管11、第二脉管12、脉管预冷换热器13、第二脉管热端换热器14、第二调相装置15顺次相连；脉管12上设有预冷换热器13，脉管预冷换热器13与第一冷端换热器5相连。
所述的脉管预冷换热器13的预冷量由多级脉管制冷机自身提供。所述的脉管预冷换热器13可以布置在脉管外壁面。所述的脉管预冷换热器13可以布置在脉管内部，脉管预冷换热器是丝网填充型、狭缝型等多孔结构。所述的脉管预冷换热器13可以布置在脉管上壁面温度高于预冷换热器温度的任意位置。所述的脉管预冷换热器可以同时布置多个在脉管壁面上不同温度的位置，如图2所示。所述的脉管制冷机可以是热耦合型脉管制冷机、气耦合型脉管制冷机、G-M型脉管制冷机或斯特林型脉管制冷机。
预冷换热器需采用导热良好的铜或铝等金属。对于脉管壁面预冷型换热器，换热器的结构可以做成两个与脉管管壁吻合的半圆，管壁与换热器之间需填入导热硅胶或铟片等导热良好的材料以保证两者完全接触。对于伸入脉管内部的预冷换热器，换热器可以做成狭缝式、丝网填充式等多孔型，换热器的结构必须是均匀对称的，以保证气流流过换热器不会产生紊乱。
为了验证本实用新型的有效性，对一台两级斯特林型脉管制冷机进行了实验。第二级脉管长107mm，温度跨度约为26K-300K，采用第一级冷头预冷第二级脉管中部距离冷头57mm处，壁面预冷。实验结果如图3所示，与无预冷脉管的情况相比，在相同的输入工况下，带预冷脉管的脉管制冷机第二级最低制冷温度从26.6K下降到18.1K，脉管所需预冷量为1.35W82.9K。

Claims (7)

1.一种带自预冷脉管的脉管制冷机，包括压缩机（1）、热端连管（2）、回热器热端换热器（3）、第一回热器（4）、第一冷端换热器（5）、第一脉管（6）、第一脉管热端换热器（7）、第一调相装置（8）、第二回热器（9）、第二冷端换热器 （10）、冷端连管（11）、第二脉管（12）、脉管预冷换热器（13）、第二脉管热端换热器（14）、第二调相装置（15）；压缩机（1）、热端连管（2）、回热器热端换热器（3）、第一回热器（4）、第一冷端换热器（5）、第一脉管（6）、第一脉管热端换热器（7）、第一调相装置（8）顺次相连，第二回热器（9）、第二冷端换热器（10）、冷端连管（11）、第二脉管（12）、脉管预冷换热器（13）、第二脉管热端换热器（14）、第二调相装置（15）顺次相连；其特征在于脉管（12）上设有预冷换热器（13），脉管预冷换热器（13）与第一冷端换热器（5）相连。
2.根据权利要求1所述的一种带自预冷脉管的脉管制冷机，其特征在于所述的脉管预冷换热器（13）的预冷量由多级脉管制冷机提供。
3.根据权利要求1所述的一种带自预冷脉管的脉管制冷机，其特征在于所述的脉管预冷换热器（13）布置在脉管外壁面。
4.根据权利要求1所述的一种带自预冷脉管的脉管制冷机，其特征在于所述的脉管预冷换热器（13）布置在脉管内部，所述的脉管预冷换热器是丝网填充型、狭缝型等多孔结构。
5.根据权利要求1所述的一种带自预冷脉管的脉管制冷机，其特征在于所述的脉管预冷换热器（13）布置在脉管上壁面温度高于预冷换热器温度的任意位置。
6.根据权利要求1所述的一种带自预冷脉管的脉管制冷机，其特征在于所述的脉管预冷换热器（13）同时布置多个在脉管壁面上不同温度的位置。
7.根据权利要求1所述的一种带自预冷脉管的脉管制冷机，其特征在于所述的脉管制冷机是热耦合型脉管制冷机、气耦合型脉管制冷机、G-M型脉管制冷机或斯特林型脉管制冷机。
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