CN218565805U - 具有低温辅助调相的脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种具有低温辅助调相的脉管制冷机，其中高温段和低温段的回热器与脉冲管都采用同轴型结构，高温段中部通过给预冷换热器提供低温环境进行预冷，低温段与高温段则采用气耦合连接方式，形成气路连通。高温段调相装置使用室温惯性管气库、室温被动活塞、室温主动活塞的调相方式；低温段调相装置则使用低温惯性管气库、低温主动活塞、低温主动调相功回收的低温调相方式。该结构脉管制冷机结构简单紧凑，可以满足不同制冷温区及冷量需求；此外，对高温段回热器中部进行预冷，可以使制冷机获得更低的制冷温度和更大的制冷量，实现深低温区高效率制冷。

Description

具有低温辅助调相的脉管制冷机

技术领域

本专利属于小型低温制冷机领域，具体是涉及一种具有低温辅助调相的脉管制冷机。

背景技术

深低温小型制冷机在深空探测、超导技术、低温电子、军事等领域广泛应用，脉管制冷机是深低温制冷机领域重要的分支，具有重要的学术研究和应用价值，近年来，各种应用场合对小型制冷机的温度和冷量的要求提高，需要进一步提高深低温区的制冷效率。

脉管制冷机是近年来发展极为迅猛的小型低温制冷机，由于其具有冷端无运动部件、结构紧凑、稳定性高等优点，拥有广泛的应用前景。而想要实现液氦温区脉管制冷机的应用需求，则往往需要采用多级耦合的结构布置方案。目前的多级脉管制冷机具有两种耦合方式，即热耦合和气耦合方式。其中热耦合方式级间的耦合关系是通过热桥传递热量来实现的，其优点在于各级的制冷机内部的气流相互独立，各级参数可以独立优化，但使系统结构更加复杂，采用多台驱动压缩机使系统重量和体积大幅增加，不利于实际应用；气耦合方式有结构相对更加紧凑的优点，但由于气流连通，会带来气流分配、环流问题，此外由于各级脉管制冷机充压、频率需保持一致，无法单独优化设计，不利于前级脉管制冷机取冷，导致前级脉管制冷机效率低下。另外对于多级脉管来说，高温级和低温级的调相机构也需要根据应用温区和制冷量需求进行合理的设计以提高脉管制冷机的整体效率，对于低温级调相来说，目前广泛使用的调相方式如惯性管气库、活塞、双向进气等多为室温调相，对于深低温区脉管制冷机来说，调相能力不足，不利于脉管制冷机进一步降低制冷量、提高制冷效率。

发明内容

针对上述问题和需求，本专利的目的是提供一种具有低温辅助调相的脉管制冷机，充分发挥热耦合和气耦合各自的优点，高温级和低温级的辅助调相机构可满足不同制冷温区及冷量需求，低温级使用低温辅助调相以增大调相能力，实现深低温区高效率制冷。

为实现上述目的，本专利采用的技术方案如下：

一种具有低温辅助调相的脉管制冷机，其特征在于：驱动压缩机和热端换热器间通过铜管连接；热端换热器、第一段高温段回热器、预冷换热器、第二段高温段回热器、中间换热器、低温段回热器、冷端换热器通过螺接或者焊接的方式依次连接；高温段脉冲管和第一段高温段回热器、预冷换热器、第二段高温段回热器之间为同轴型布置，高温段调相装置和高温段脉冲管的热端通过螺接或焊接的方式连接；低温段脉冲管和低温段回热器之间为同轴型布置，低温段调相装置和低温段脉冲管的热端通过螺接或焊接的方式连接；

通过驱动压缩机压缩的工质氦气依次流经热端换热器、第一段高温段回热器、预冷换热器、第二段高温段回热器和中间换热器，通过中间换热器后，一部分工质氦气流向高温段脉冲管和高温段调相装置，另一部分则流向低温段回热器、冷端换热器、低温段脉冲管和低温段调相装置；

预冷换热器和预冷装置之间使用铜制热桥连接；低温段调相装置和中间换热器之间也使用铜制热桥连接，进行高效热传导。

高温段调相装置的结构形式为室温惯性管气库、室温被动活塞或室温主动活塞。

低温段调相装置的结构形式为低温惯性管气库、低温主动活塞或低温功回收主动调相活塞。

预冷装置使用单级脉管制冷机、单级斯特林制冷机、单级GM型制冷机或液氮杜瓦。

脉管制冷机的基本原理为：利用脉冲管空腔内高压氦气的绝热放气膨胀过程获得制冷效应，脉管制冷机的回热器内填充蓄热填料，用于累积循环过程中获得冷量，并且传递给下次循环时流入的工质气体以提高制冷效率。而调相装置的存在可以改变流经气体的压力、流量等运动状态，进而影响脉管制冷机内部压力波与质量流之间的相位差，使相位关系往有利于提高制冷性能方向调节，从而提高制冷机的性能。

与现有技术对比，本专利的优点在于：

低温脉管制冷机结构整体更加简单紧凑，减少驱动压缩机数量；前级预冷装置相对独立，便于调节和优化工作参数；利用预冷装置对制冷机高温段进行预冷，可以获得更低的制冷温度和更大的制冷量，实现深低温区的高效率制冷；高温级和低温级脉冲管可以根据温区和冷量的需求选择辅助调相结构。

低温级脉冲管采用低温调相方式可以改变进入调相装置的工质气体物性，降低气体压力和动态粘性深度，使得惯性力和柔顺性增加，从而降低调相阻力，可以大幅提高低温区下的调相能力；使用功回收结构可以在大冷量制冷的情况下回收一部分脉冲管热端的声功，进一步提高脉管制冷机的效率。

附图说明

图1为一种具用低温辅助调相的低温脉管制冷机结构示意图；

图中标号示意如下：驱动压缩机1、热端换热器2、第一段高温段回热器3、预冷换热器4、预冷装置5、第二段高温段回热器6、中间换热器7、高温段脉冲管8、高温段调相装置9、低温段回热器10、冷端换热器11、低温段脉冲管12、低温段调相装置13。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本专利进行详细描述说明。

如图1所示，本实施例提供一种具有低温辅助调相的脉管制冷机，包括：驱动压缩机1和热端换热器2间通过铜管连接；热端换热器2、第一段高温段回热器3、预冷换热器4、第二段高温段回热器6、中间换热器7、低温段回热器10、冷端换热器11通过螺接或者焊接的方式依次连接；高温段脉冲管8和第一段高温段回热器3、预冷换热器4、第二段高温段回热器6之间为同轴型布置，高温段调相装置9和高温段脉冲管8的热端通过螺接或焊接的方式连接；低温段脉冲管12和低温段回热器10之间为同轴型布置，低温段调相装置13和低温段脉冲管12的热端通过螺接或焊接的方式连接；

通过驱动压缩机1压缩的工质氦气依次流经热端换热器2、第一段高温段回热器3、预冷换热器4、第二段高温段回热器6和中间换热器7，通过中间换热器7后，一部分工质氦气流向高温段脉冲管8和高温段调相装置9，另一部分则流向低温段回热器10、冷端换热器11、低温段脉冲管12和低温段调相装置13；

预冷换热器4和预冷装置5之间使用铜制热桥连接；低温段调相装置13和中间换热器7之间也使用铜制热桥连接，进行高效热传导。

预冷换热器4、中间换热器7和冷端换热器11都为常规狭缝式换热器。

高温段调相装置9的结构形式为室温惯性管气库、室温被动活塞、室温主动活塞。

低温段调相装置13的结构形式为低温惯性管气库、低温主动活塞、低温功回收主动调相活塞。

预冷装置5使用单级脉管制冷机、单级斯特林制冷机、单级GM型制冷机、液氮杜瓦。

最后应说明的是：本行业的技术人员应该了解，本专利不受上述实施案例的限制，上述实施例和说明书描述的只是说明本专利的原理，在不脱离本专利精神和范围的前提下，本专利还会有各种变化和改进，这些变化和改进都要落入要求保护的本专利范围内。本专利要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种具有低温辅助调相的脉管制冷机，包括驱动压缩机(1)，热端换热器(2)，热端换热器(2)，第一段高温段回热器(3)，预冷换热器(4)，第二段高温段回热器(6)，中间换热器(7)，低温段回热器(10)，冷端换热器(11)；其特征在于：

所述的驱动压缩机(1)和热端换热器(2)间通过铜管连接；热端换热器(2)、第一段高温段回热器(3)、预冷换热器(4)、第二段高温段回热器(6)、中间换热器(7)、低温段回热器(10)、冷端换热器(11)通过螺接或者焊接的方式依次连接；高温段脉冲管(8)和第一段高温段回热器(3)、预冷换热器(4)、第二段高温段回热器(6)之间为同轴型布置，高温段调相装置(9)和高温段脉冲管(8)的热端通过螺接或焊接的方式连接；低温段脉冲管(12)和低温段回热器(10)之间为同轴型布置，低温段调相装置(13)和低温段脉冲管(12)的热端通过螺接或焊接的方式连接；

所述的驱动压缩机(1)压缩的工质氦气依次流经热端换热器(2)、第一段高温段回热器(3)、预冷换热器(4)、第二段高温段回热器(6)和中间换热器(7)，通过中间换热器(7)一部分工质氦气流向高温段脉冲管(8)和高温段调相装置(9)，另一部分则流向低温段回热器(10)、冷端换热器(11)、低温段脉冲管(12)和低温段调相装置(13)；

所述的预冷换热器(4)和预冷装置(5)之间使用铜制热桥连接；低温段调相装置(13)和中间换热器(7)之间使用铜制热桥连接，进行热传导。

2.根据权利要求1所述的一种具有低温辅助调相的脉管制冷机，其特征在于，所述的高温段调相装置(9)的结构形式为室温惯性管气库、室温被动活塞或室温主动活塞。

3.根据权利要求1所述的一种具有低温辅助调相的脉管制冷机，其特征在于，所述的低温段调相装置(13)的结构形式为低温惯性管气库、低温主动活塞或低温功回收主动调相活塞。

4.根据权利要求1所述的一种具有低温辅助调相的脉管制冷机，其特征在于，所述的预冷装置(5)使用单级脉管制冷机、单级斯特林制冷机、单级GM型制冷机或液氮杜瓦。

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