CN202598941U

CN202598941U - 一种热耦合脉冲管制冷机

Info

Publication number: CN202598941U
Application number: CN 201220120289
Authority: CN
Inventors: 胡剑英; 罗二仓; 戴巍; 王晓涛
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2022-03-27

Abstract

本实用新型涉及一种热耦合脉冲管制冷机，其包括依次相连通的室温换热器、回热器、冷头、脉管、层流化元件、调相器以及连通于室温换热器入口与调相器之间连接管路上的双向进气阀；其特征在于，还包括安装于所述脉管上的至少一个热桥，该热桥另一端与所述回热器或与所述冷头相连。本实用新型在传统脉冲管制冷机的脉管和回热器之间连接导热热桥，热桥从回热器吸取冷量对脉管内的工作气体进行冷却，减小了脉管靠近冷头处的温度梯度，从而减少了冷头的导热损失，可以使制冷机获得更低制冷温度和更高的效率。

Description

一种热耦合脉冲管制冷机

技术领域

本实用新型属于制冷与低温领域的制冷机，特别涉及一种在脉冲管制冷机中的脉冲管和回热器之间安装一热桥，以减小冷头导热损失的热耦合脉冲管制冷机。

背景技术

传统的脉冲管制冷机如图1所示，从脉冲管制冷机入口1开始依次相连通的室温换热器2、回热器3、冷头4、脉管5、层流化元件6、调相器7以及安装于所述入口1与层流化元件7之间连接光路上的双向进气阀8，这是一种单级结构的脉冲管制冷机。所述的回热器3还可以分成两段或者多段，在每两段之间的连接位置处另外再连接另一冷头4’、另一脉管5’、另一层流化元件6’和另一调相器7’，这样就可以构成以两级或多级脉冲管制冷机，图2所示的就是一种典型的两级脉冲管制冷机。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。

脉管作为脉冲管制冷机的重要部件，它连接了制冷机的低温冷头和室温部件(主要是调相器)，起到了热缓冲管的作用，同时其内部的气体来回往复运动，传输声功，也起到一个气体活塞的作用。理论上脉管不给制冷机带来任何热损失，但是实际上脉管内部总是存在多种损失：穿梭损失，粘性耗散，导热损失等等。穿梭损失是因为气体在脉管内往复运动时由于气体与脉管壁面的温差传热引起的损失，使室温端的热量向低温端传送；粘性损失是指往复运动的气体与静止的壁面之间由于粘性剪切而产生的功向热转换；导热损失是指由于脉管冷端与室温端的温差引起的由室温端向冷端的热量传导。在理想情况下，脉管内的温度从室温端到冷头是线性分布的，如图3中的点划线所示，但是前两种损失的存在，使脉管内的温度分布发生变化，变成了抛物现状，如图3中的虚线所示，脉管各处的温度比线性分布时都要高。由于温度分布的改变，在脉管内靠近冷头处的温度梯度变得非常大，这大大地增加了冷头通过脉管的导热损失，降低了脉冲管制冷机效率，也难以使脉冲管制冷机获得更低的制冷温度，因此需要设法减小脉管内靠近冷头处的温度梯度。

近年来，很多对多级脉冲管制冷机的研究结果表明：在同一个脉冲管制冷机中，冷头之间制冷温度的变化彼此影响很小，也就是说，一个如图2所示的脉冲管制冷机，如果从冷头4’取走部分冷量，虽然其制冷温度少量升高，但是冷头4的温度基本不会发生变化。本发明基于这一现象，从回热器的某一位置取出部分冷量对脉管内气体进行冷却，减小其低温段的温度梯度，可以达到减少冷头热损失的目的。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种新型结构的热耦合脉冲管制冷机，减少制冷机的脉管内接近冷头处的导热损失，使脉冲管制冷机可以获得更好的制冷性能。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型提供的热耦合脉冲管制冷机：其包括依次相连通的室温换热器2、回热器3、冷头4、脉管5、层流化元件6、调相器7以及连通于室温换热器2入口1与调相器7之间连接管路上的双向进气阀8；其特征在于，还包括安装于所述脉管5上的至少一个热桥9，该热桥9另一端与所述回热器3或与所述冷头4相连。

所述的回热器(3)分成两段或者多段，在每两段之间的连接位置处连接一内部相通的另一冷头4’、另一脉管5’、另一层流化元件6’和另一调相器7’，在另一室温换热器入口与调相器之间连接管路上安装另一双向进气阀。

在所述另一脉管5’上安装至少一个另一热桥9’，该另一热桥9’的另一端与回热器3相连。

所述热桥9和另一热桥9’均为一种导热元件。

所述的调相部件7和另一调相器7’为惯性管、带气库的惯性管或带气库的小孔阀。

本发明的热耦合脉冲管制冷机，其中的脉管的某些位置安装有一个或多个热桥，该热桥的另一端与回热器的某些位置相连；回热器可以分成两段或者多段，在每两段之间的连接位置处连接另外的冷头、脉管、层流化元件和调相器，各部件内部相通，在该脉管的某些位置可以安装一个或多个热桥，热桥的另一端与回热器的某些位置相连，该热桥也可以不安装。

如果回热器与热桥或连接处的温度与某一冷头温度相同，则该热桥一端可以与该冷头相连，也可以与回热器相连，但其另一端仍然与脉管相连。

热桥与回热器相连接的一端的温度比其与脉管相连接的一端的温度低。

图3中的虚线给出的是结构如图2所示的一个脉冲管制冷机的脉管5内的温度分布，冷头4处的温度梯度为2800K/m。因为该制冷机冷头4’的制冷温度为50K左右，所以申请人在两段回热器的相接处和二级脉管5的中央安装了热桥，将二级脉管5的中央冷却到了50K左右，因此脉管5内的温度分布发生了很大的变化，如图3中所示，靠近冷头4处的脉管温度梯度变成了950K/m，减小到了原来的三分之一左右，可想而知，制冷机的效率将会提高。根据计算，在没有热桥时，制冷机的冷头4的最低制冷温度为19K，有了热桥之后最低制冷温度达到了9.4K，输入功率也由原来的144W减小到了100.4W，效率大大提高了。这里需要指出的是，热桥连接在两段回热器的相接处与连接在冷头4’处的效果是一样的，因为该两处的温度是相同的。

与现有技术相比，本实用新型在传统脉冲管制冷机的脉管和回热器之间连接导热热桥，热桥从回热器吸取冷量对脉管内的工作气体进行冷却，减小了脉管靠近冷头处的温度梯度，从而减少了冷头的导热损失，可以使制冷机获得更低制冷温度和更高的效率。

附图说明

图1为现有技术中的一种单级脉冲管制冷机的结构示意图。

图2为现有技术中的一种两级脉冲管制冷机的结构示意图。

图3为一台两级脉冲管制冷机的二级脉管内的三种温度分布。

图4为本发明的一种热耦合脉冲管制冷机(单级脉冲管制冷机)的结构示意图。

图5为本发明的一种热耦合脉冲管制冷机(两级脉冲管制冷机)的结构示意图。

图6为本发明的一种热耦合脉冲管制冷机(三级脉冲管制冷机)的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合图4～图6进一步描述本实用新型。

实施例1：采用图4所示的单级脉冲管制冷机结构。该制冷机回热器3直径为20mm，长度为80mm，脉管5直径为10mm，长度为110mm，调相部件7由惯性管和气库组成，在该单级脉冲管制冷机入口1和层流化元件6之间安装了双向进气阀8；该制冷机的工作频率为65Hz。在没有热桥9的情况下，冷头4的制冷温度为40K，回热器3内的温度从热端到冷端是线性递减的，正中部温度为160K左右；脉管5的正中部温度为200K。本实施例将热桥9的两端分别连接在回热器3和脉管5的正中部之后，回热器3中部的温度便成了165K，脉管5的正中部的温度变成了167K，冷头4处的温度则降低到了28K。

该实施例说明有了热桥9之后，制冷机可以获得更低的制冷温度。

实施例2：采用图5所示的两级脉冲管制冷机结构。该制冷机的工作频率为23.5Hz。该制冷机的回热器3分成上下两部分，除了在回热器3末端依次连接有一级冷头4、一级脉管5、一级层流化元件6、一级调相器7之外，在上下两部分回热器的相接处另外依次连接有二级冷头4’、二级脉管5’、二级层流化元件6’和二级调相器7’；在入口1与一级层流化元件6之间和入口1与二级层流化元件6’之间分别安装了一级双向进气阀8和二级双向进气阀8’；回热器3上部分直径为30mm，长度为80mm，下半部分直径为12mm，长度为80mm；脉管5直径为8mm，长度为160mm，二级脉管5’直径为12mm，长度为100mm；二级热桥9’一端连接在二级脉管5’的正中部，另一端连接在上半部分回热器的正中部；一级热桥9一端连接在两段回热器的相接处，另一端连接在一级脉管5的正中央。正常工作情况下，制冷机的二级冷头4’制冷温度为60K，一级冷头4的制冷温度为17K。如果去除二级热桥9’，一级冷头4温度基本不变，二级冷头4’则变为65K；如果去除一级热桥9，一级冷头4温度变为25K，二级冷头4’温度则变为59K。

该实施例说明有了二级热桥9’之后，二级冷头4’可以获得更低的制冷温度，有了一级热桥9之后，一级冷头4可以获得更低的制冷温度。

实施例3：采用图6所示的三级脉冲管制冷机结构。该制冷机的工作频率为25Hz。该制冷机的回热器3从入口开始，分成了第一(上)、二(中)、三(下)部分，除了在第三部分回热器的末端依次连接有一级冷头4、一级脉管5、一级层流化元件6、一级调相器7之外，在第二和第三两部分回热器的相接处另外连接有二级冷头4’、二级脉管5’、二级层流化元件6’、二级调相器7’，在第一和第二部分回热器的相接处另外还连接有第三冷头4”、第三脉管5”、第三层流化元件6”、第三调相器7”，在入口1和一级层流化元件6之间安装了双向进气阀8。第一部分回热器直径为30mm，长度为55mm，第二部分直径为20mm，长度为50mm，第三部分直径为15mm，长度为30mm；一级脉管5直径为7mm，长度为170mm，二级脉管5’直径为10mm，长度为150mm，三级脉管5”直径为10mm，长度为120mm。

在第一和第二部分回热器连接处和在第二和第三部分回热器的连接处分别连接一个第一热桥9；该热桥的另一端与一级脉管5相连，正好将脉管5等分成三部分；二级脉管5’和回热器之间连接有第二热桥9’，该第二热桥9’的一端连接在三级冷头4”上，另一端安装在二级脉管5’的正中央。但是在二级脉管5”和回热器之间没有安装热桥。该制冷机的输入声功约为200W，三级冷头4”的温度为67K，二级冷头4’的温度为17K，一级冷头4的最低制冷温度达到了3.8K。

该实施例说明通过安装热桥逐步降低各冷头制冷温度，制冷机最终获得了液氦以下的制冷温度。

Claims

1.一种热耦合脉冲管制冷机：其包括依次相连通的室温换热器、回热器、冷头、脉管、层流化元件、调相器以及连通于室温换热器入口与调相器之间连接管路上的双向进气阀；其特征在于，还包括安装于所述脉管上的至少一个热桥，该热桥另一端与所述回热器或与所述冷头相连。

2.按权利要求1所述的热耦合脉冲管制冷机，其特征在于，所述的回热器分成两段或者多段，在每两段之间的连接位置处连接一内部相通的另一冷头、另一脉管、另一层流化元件和另一调相器，在另一室温换热器入口与调相器之间连接管路上安装另一双向进气阀。

3.按权利要求2所述的热耦合脉冲管制冷机，其特征在于，在所述另一脉管上安装至少一个另一热桥，该另一热桥的另一端与回热器相连。

4.按权利要求1或3所述的热耦合脉冲管制冷机，其特征在于，所述热桥和另一热桥均为一种导热元件。

5.按权利要求1或3所述的热耦合脉冲管制冷机，其特征在于，所述的调相部件和另一调相器为惯性管、带气库的惯性管或带气库的小孔阀。