CN2354083Y

CN2354083Y - 带有孔板式换热器的脉冲管制冷机

Info

Publication number: CN2354083Y
Application number: CN 98252020
Authority: CN
Inventors: 梁惊涛; 孙卫佳; 杨鲁伟; 戴巍; 周远
Original assignee: Cryogenic Laboratory of CAS
Current assignee: Key Laboratory of Cryogenics of CAS
Priority date: 1998-12-29
Filing date: 1998-12-29
Publication date: 1999-12-15
Anticipated expiration: 2008-12-29

Abstract

本实用新型涉及带有孔板式换热器的多级脉冲管制冷机，其特征在于：在压缩机两侧对称连接两组结构相同、压力波反相的二级或三级脉冲管制冷单元，并于两侧的二级或三级制冷单元的一级或二级蓄冷器冷端与二级或三级脉冲管冷端之间连接孔板式换热器，这种换热器具有高效、紧凑的特点，在低温下工作性能稳定，克服了制冷机在低温下受蓄冷材料热容变化影响的缺点，提高了系统的效率，并避免了因使用磁性蓄冷材料对脉冲管制冷机应用的限制。

Description

带有孔板式换热器的脉冲管制冷机

本实用新型涉及制冷与低温技术领域的脉冲管制冷机，特别是涉及一种带有孔板式换热器的多级脉冲管制冷机。

脉冲管制冷机是近年来得到迅速发展的一种新的制冷设备，它的最大优点是结构简单，低温下无运动部件，运转可靠、无振动且寿命长。

最初的脉冲管由Gifford和Longsworth于1963年发明，他们利用一股气体在薄壁管内做周期性振荡产生制冷效果，发明了基本型脉冲管制冷机，单级最低制冷温度只能达到124K的温度。1984年前苏联的Mikulin在基本型脉冲管制冷机的热端作出重大改进，加上了气库和阀门，形成小孔型脉冲管制冷机，大大提高了脉冲管制冷机的制冷能力，取得了64K的最低制冷温度。1990年西安交通大学的朱绍伟提出了双向进气型脉冲管制冷机，用气体分配器(紫铜管加上可调节的小孔)把一股气流从压缩机的出口接到脉冲管热端，获得了42K的最低制冷温度。

单级脉冲管温度直接降到液氦温区存在很大困难，为进一步降低脉冲管制冷机的制冷温度，人们采用多级脉冲管制冷方案。1967年美国的Longsworth采用二级基本型脉冲管制冷机获得79K的低温。1988年中科院低温中心周远等研制了小孔型两级脉冲管制冷机，获得31K的最低温度。1990年美国的Tward采用串联型两级脉冲管制冷机获得26K的最低温度。1994年日本的Matsubara等人采用磁性蓄冷材料和回热管结构，首次研制成功一台获得液氦温度的三级脉冲管制冷机，最低温度为3.5K。

上述二级或三级脉冲管制冷机，如图1和2所示，包括压缩机、脉冲管、蓄冷器、旋转阀、双向进气阀、小孔、气库，压缩机1通过旋转阀6与一级蓄冷器A热端相连，并通过双向进气阀3连接各级脉冲管的热端；一级蓄冷器A冷端与一级脉冲管I冷端相连接；低温区二级蓄冷器B冷端与二级脉冲管II冷端相连，三级蓄冷器C的冷端分别与三级脉冲管III冷端相连，各级脉冲管的热端分别通过小孔2与相应的脉冲管气库相连，一级蓄冷器A交替填入铜丝网和不锈钢丝网，低温级蓄冷器II、III中填入铅球、磁性蓄冷材料和不锈钢丝网。

多级脉冲管制冷机的低温循环在整机循环中起着产生冷量的作用，而低温蓄冷器在低温循环中有着举足轻重的作用。上述的多级脉冲管在低温区一般采用Er₃Ni、ErNi、ErNi₂、ErNi_0.9Co_0.1等磁性填料作为蓄冷器材料，而磁性蓄冷材料有以下缺点：一、尽管在磁相变过程低温下比热出现峰值，但或者峰值发生的温度范围较窄，或者在较宽的温度范围内峰值较低，且在较高温度(＞15K)下其比热较小，另外磁性蓄冷材料在低温下热容随温度而变化，将影响制冷机效率；二、磁性蓄冷材料在气体交变流动中易出现粉末化现象，产生的粉末会进入流道，污染制冷系统，使制冷机性能恶化；三、磁性蓄冷材料对超导及红外设备等的性能会产生很大影响，因此限制了脉冲管制冷机的使用范围。

本实用新型的目的在于克服上述多级脉冲管制冷机存在的诸多缺点，提出一种在低温区不使用磁性填料带有孔板式换热器的脉冲管制冷机，即提供一种可提高制冷效率，对称布置的带有孔板式换热器的多级制冷机。对称布置结构相同的两个二级或三级脉冲管的压力波反相，在孔板换热器中相互预冷对方的第二或三级脉冲管进气，从而达到提高制冷效率的功效。

本实用新型的实施方案如下：本实用新型提供的带有孔板式换热器的多级脉冲管制冷机，包括压缩机、脉冲管、蓄冷器、旋转阀、双向进气阀、小孔和脉冲管气库，旋转阀连通压缩机和一级蓄冷器热端，与脉冲管气库相连通的双向进气阀和各级脉冲管热端及一级蓄冷器热端相连，各级蓄冷器冷端与相应的脉冲管冷端相连，各级脉冲管热端分别通过小孔与相应的脉冲管气库相连通，以构成二级或三级脉冲管制冷单元，其特征在于两组结构相同、压力波反相的二级或三级脉冲管制冷单元对称连接于压缩机两侧，两侧的二级或三级脉冲管制冷单元通过旋转阀分别和压缩机两侧相连通，两侧的二级或三级制冷单元的一级或二级蓄冷器冷端与孔板式换热器的一端相连，两侧的二级或三级制冷单元的二级或三级脉冲管的冷端和孔板式换热器的另一端相连；孔板式换热器为已有技术中由多层孔板和不锈钢隔片相间叠合而成的孔板式换热器。

本实用新型由于将两组结构相同、压力波反相的二级或三级脉冲管制冷单元对称连接于压缩机两侧，并于两侧的二级或三级脉冲管制冷单元的一级或二级蓄冷器冷端和二级或三级脉冲管冷端之间安装孔板式换热器，孔板式换热器采用开有密集细孔的薄铜片为导热元件，在两个传热元件之间夹入不锈钢隔热片。孔板换热器具有以下优点：1)具有很大的比表面积与换热系数；2)隔热垫减少了纵向导热；3)孔眼长径比小，不能形成稳定的边界层，换热效率高；4)紧凑性好。

在低温(4K-18K)下，频率为2～10时，铜的热渗透深度很大，达1m以上，因此可使热量较完全地由换热器的一侧传到另一侧；并且在这一温区，氦的比热很大，高于磁性蓄冷材料的比热，可保证回气带走足够的热量，以达到所需的脉冲管入口温度。

在本实用新型中，孔板式换热器既是一换热器：使系统两侧进行热量交换，相互预冷对方最后一级脉冲管的入口气体；同时又是一蓄冷器：系统两侧位于孔板换热器中的部分气体在二级蓄冷器、孔板换热器及三级脉冲管中来回振荡，孔板换热器中系统一侧的气体在进气时被另一侧气体冷却，放出热量，在回气时又吸收另一侧气体的热量，周期性地进行换热，起到了蓄冷器的作用。

所以本实用新型提供的带有孔板式换热器的脉冲管制冷机具有效率高，适用范围广的特点。

下面结合附图和实施例进一步描述本实用新型：

附图1为已有技术中的二级脉冲管制冷机结构示意图，

附图2为已有技术中的三级脉冲管制冷机结构示意图，

附图3为本实用新型两组三级脉冲管制冷单元对称布置的结构示意图，

附图4为本实用新型两组二级脉冲管制冷单元对称布置的结构示意图，

附图5为孔板式换热器中铜孔板结构示意图，

附图6为孔板式换热器中不锈钢隔片结构示意图。

其中：I一级脉冲管 I′一级脉冲管气库 A一级蓄冷器

II二级脉冲管 II′二级脉冲管气库 B二级蓄冷器

III三级脉冲管 III′三级脉冲管气库 C三级蓄冷器

l压缩机 2小孔 3双向进气阀

L制冷机左侧 R制冷机右侧 6旋转阀

E孔板式换热器

附图3为本实用新型的一种实施例结构示意图，即为两组结构相同、压力波反相的三级脉冲管制冷单元安装于压缩机1两侧，并于两侧的三级脉冲管冷端和二级蓄冷器冷端之间连接孔板式换热器E，如图3所示，在本实施例的L(左)或R(右)侧均包括脉冲管I、II、III和旋转阀6、蓄冷器A、R，双向进气阀3，小孔2和气库I′、II′、III′，压缩机1通过旋转阀6与一级蓄冷器A热端相连，并通过双向进气阀3分别连接脉冲管I、II、III的热端；一级蓄冷器A和二级蓄冷器B冷端分别与一级脉冲管I和二级脉冲管II冷端相连接：二级蓄冷器B的出口与孔板换热器E一端相连，孔板换热器E的另一端与三级脉冲管III的冷端相连接；脉冲管I、II、III的热端分别通过小孔2与气库I′,II′,III′相连。在孔板式换热器中，L(左)侧流道与R(右)侧流道分开，分别与两侧的三级脉冲管III相连接。这样便构成了本实用新型的带有孔板式换热器的脉冲管制冷机。其制冷流程为：

L(左)侧旋转阀6转动，使L侧与压缩机1高压侧连通，气体从压缩机1流出，对L侧充气，压力升高；同时R(右)侧旋转阀6转动，使R(右)侧与压缩机1低压侧连通，<2>侧放气，气体膨胀，向压缩机回流，压力降低。L侧的一级脉冲管I与二级脉冲管II的气体分别被渐次推挤向对应的小孔2和气库I′，II′移动；L侧在孔板换热器E中的部分气体经一级脉冲管I和二级脉冲管II冷却后，在孔板换热器E中被R侧由第三级脉冲管III中回流的气体预冷，放出热量，被推挤向L侧的第三级脉冲管III移动；L侧三级脉冲管III内气体也被渐次推挤向小孔2和气库III′移动。R侧在孔板换热器E和第三级脉冲管III冷端的部分气体从三级脉冲管III中回流，在孔板换热器E中吸收来自L侧的热量，，将L侧回流的气体预冷，自身温度升高后，流向二级蓄冷器B；R侧的一级脉冲管I与二级脉冲管II的气体渐次向气源(压缩机1)推移扩张，气体膨胀降压，制取冷量。

L侧充气完毕，保持高压，脉冲管I、II、III内气体分别经对应的小孔2流向气库I′、II′、III′；R侧放气完毕，保持低压，气库I′，II′，III′内气体分别经对应的小孔2流向脉冲管I、II、III。

L侧旋转阀6转动，使L侧与压缩机1低压侧连通，L侧放气，气体膨胀，向压缩机1回流，压力降低；同时R侧旋转阀6转动，使R侧与压缩机1高压侧连通，气体从压缩机1流出，对R侧充气，压力升高。L侧在孔板式换热器E和第三级脉冲管III冷端的一部分气体从三级脉冲管III中回流，在孔板换热器E中吸收来自R侧的热量，将R侧回流的气体预冷，自身温度升高后，流向二级蓄冷器B；L侧的一级脉冲管I与二级脉冲管II的气体渐次向气源(压缩机1)推移扩张，气体膨胀降压，制取冷量。R侧的一级脉冲管I与二级脉冲管II的气体分别被渐次推挤向对应的小孔2和气库I′、II′移动；R侧在孔板换热器E中的部分气体经一级脉冲管I和二级脉冲管II冷却后，在孔板换热器E中被L侧由第三级脉冲管III中回流的气体预冷，放出热量，被推挤向R侧的第三级脉冲管III移动；R侧三级脉冲管III内气体也被渐次推挤向小孔2和气库III′移动。

R侧充气完毕，保持高压，脉冲管I、II、III内气体分别经对应的小孔2流向气库I′、II′、III′；L侧放气完毕，保持低压，气库I′、II′、III′内气体分别经对应的小孔2流向脉冲管I、II、III；完成一次循环。

附图4为本实用新型的另一种实施例结构示意图，即为两组结构相同、压力波反相的二级脉冲管制冷单元安装于压缩机两侧，并于两侧的二级脉冲管冷端和一级蓄冷器冷端之间连接孔板式换热器E，其结构和制冷流程均与实施1相同，在此不予赘述。

Claims

1.一种带有孔板式换热器的多级脉冲管制冷机，包括压缩机、脉冲管、蓄冷器、旋转阀、双向进气阀、小孔和脉冲管气库，旋转阀连通压缩机和一级蓄冷器热端，与脉冲管气库相连通的双向进气阀和各级脉冲管热端及一级蓄冷器热端相连，各级蓄冷器冷端与相应的脉冲管冷端相连，各级脉冲管热端分别通过小孔与相应的脉冲管气库相连通，以构成二级或三级脉冲管制冷单元，其特征在于两组结构相同、压力波反相的二级或三级脉冲管制冷单元对称连接于压缩机两侧，两侧的二级或三级脉冲管制冷单元通过旋转阀分别和压缩机两侧相连通，两侧的二级或三级制冷单元的一级或二级蓄冷器冷端与孔板式换热器的一端相连，两侧的二级或三级制冷单元的二级或三级脉冲管的冷端和孔板式换热器的另一端相连。