专利名称：一种无气库型高频脉冲管制冷机的制作方法
技术领域：
本实用新型属于制冷与低温技术领域，具体地说是涉及一种高频压力波发生器驱动的无气库型高频脉冲管制冷机。
背景技术：
由于高频脉冲管制冷机无需使用斯特林制冷机中的低温排出器，带来无低温下运动部件的优点，从而成为近二十年来小型低温制冷机研究领域中的热点和重点。为了获得高的制冷效率，需在脉冲管制冷机的冷端换热器位置实现压力波超前体积流一定相位。因为没有排出器可以来主动实现这一相位，所以脉冲管制冷机必须依赖位于脉冲管热端的调相机构来实现相位调节，以保证在脉冲管热端实现压力波超前体积流一定相位。迄今为止，能够实现这一相位超前要求的高频脉冲管制冷机有双向进气型和惯性管加气库型两种。
双向进气型高频脉冲管制冷机如图1所示，其为一高频压力波发生器1驱动的脉冲管制冷机12，包括连接管2，回热器热端换热器3，回热器4，脉冲管冷端换热器5，脉冲管6，脉冲管热端换热器7，和双向进气调节机构9形成的一个回路，其通过小孔调节机构10与气库8相连。因为存在有回路，所以带来直流问题，成为实际应用中很难解决的问题。
惯性管加气库型高频脉冲管制冷机如图2所示，其为一高频压力波发生器1驱动的脉冲管制冷机12，包括连接管2，回热器热端换热器3，回热器4，脉冲管冷端换热器5，脉冲管6，脉冲管热端换热器7，其通过惯性管11与气库8相连。惯性管加气库型高频脉冲管制冷机依靠惯性管提供的声学惯性实现前述相位超前作用，它不会带来直流问题。但是在这一结构中，脉冲管的热端通过一段细长管，即惯性管与一个大的气库相连，该气库的体积通常是同一系统中脉冲管体积的一个量级以上，以提供一个压力波动近乎为零的边界条件。该气库的存在完全是沿用小孔型脉冲管制冷机的传统，它带来的缺点是增加了系统的尺寸和重量，直径较大因而对焊接密封有严格要求，系统充气量增加，内部耗散的热量难以传出等。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有的高频脉冲管制冷机均需存在一个大的气库，增加了系统的尺寸和重量，且因直径较大而对焊接密封有严格要求，另外还存在系统充气量增加，内部耗散的热量难以传出的缺陷，从而通过合适地选择细长管内径和长度来实现相位调节，提供一种完全取消气库的无气库型高频脉冲管制冷机。
本实用新型的目的是通过如下的技术方案实现的本实用新型提供的无气库型高频脉冲管制冷机，如图4所示，包括一个高频压力波发生器1和一个脉冲管制冷机12，脉冲管制冷机12中包括一回热器4、脉冲管6和惯性管11，回热器4的热端换热器3通过连接管2与高频压力波发生器1相连，另一端与脉冲管6的冷端换热器5相连，脉冲管6的热端换热器7与惯性管11相连，所述的惯性管11为一根细长管，其一端与脉冲管热端换热器相连，另一端封闭。
所述的惯性管包括两种形状(1)等直径管；(2)有两到三种不同直径的管子连接而成的长管，从靠近脉冲管制冷机侧向封闭端直径依次减小或增大。
所述的惯性管的横截面积比脉冲管的横截面积小，直径从1毫米到1厘米。
所述的惯性管的长度为1/10声波长到1个声波长，具体数值根据工质气体、工作温度和工作频率不同(1)氦气工质，20赫兹，室温，则管长在5～51米之间；(2)氮气工质，20赫兹，室温，则管长在1.7～17米之间。
所述高频压力波发生器可以是无阀电动压缩机和热声压缩机，所述的无阀电动压缩机包括电驱动曲柄连杆式压缩机、线性压缩机，所述的热声压缩机包括驻波型热声压缩机和行波型热声压缩机，频率范围在15～200赫兹之间。
所述脉冲管制冷机包括直线布置、U型布置、同轴布置形式的单级脉冲管制冷机，或者为直线布置、U型布置、同轴布置或组合布置的双级脉冲管制冷机。
本实用新型提供的无气库型高频脉冲管制冷机结构简单，无需气库，因而克服了现有的高频脉冲管制冷机均需存在一个大的气库而带来的所有缺陷，其在脉冲管热端实现压力波相位超前体积流，从而可以提高脉冲管制冷机的效率。
为了更清楚地说明本实用新型的原理，下面结合线性热声理论加以分析本发明提供的惯性管在开口端的声学阻抗。本实用新型提供的惯性管是一端开口，一端封闭的细长管。线性热声理论是热声学中用来分析小振幅声场的常用工具，式(1)和式(2)是其用来描述声场的两个方程。
dU^dx+R1p^=0,R1=iωA[1+(γ-1)fk]γP0---(1)]]>dp^dx+R2U^=0,R2=iωρA(1-fμ)---(2)]]>其中ω，A，γ，P0，ρ分别是角频率、流道横截面积、比热比、平均压力和气体密度。fμ，fk是与流道几何参数、气体物性、工作频率等相关的函数。
开口端波动压力 和波动体积流 封闭端波动压力 和波动体积流 那么对(1)(2)式求解可以获得如下的关系式p^bU^b=A11A12A21A22pa^U^a---(3)]]>A11=A22=cosh(R1R2L)]]>A12=-R2R1sinh(R1R2L),---(4)]]>A21=-R1R2sinh(R1R2L)]]>对于封闭端，U^b=0,]]>那么在开口端的声学复阻抗Z就可以表示为Z=P^aU^a=-A22A21=|Z|eiθ---(5)]]>当θ为0°到90°之间时就意味着满足高频脉冲管制冷机对脉冲管热端压力波和体积流之间的相位要求。下面举一个典型的算例。以使用氦气为工质，平均压力2.0MPa，频率80赫兹，温度为300K的等温管道为例，当管道直径为2mm或3mm时，其相位角θ随管道长度的变化情况如图3所示，可以看到在几个管长范围内都可以实现上述对θ的要求。
图1为双向进气型高频脉冲管制冷机的示意图；图2为惯性管加气库型高频脉冲管制冷机的示意图；图3为惯性管内的阻抗相位角θ随管道长度的变化情况；图4为本实用新型提供的无气库型高频脉冲管制冷机的示意图；其中1高频压力波发生器，2连接管，3回热器热端换热器，4回热器，5脉冲管冷端换热器，6脉冲管，7脉冲管热端换热器，8气库，9双向进气调节机构，10小孔调节机构，11惯性管，12脉冲管制冷机。
具体实施方式
下面结合图4进一步详细说明本实用新型提供的无气库型高频脉冲管制冷机。本实用新型提供的无气库型高频脉冲管制冷机，如图4所示，包括一个高频压力波发生器1和一个脉冲管制冷机12，脉冲管制冷机12中包括一回热器4、脉冲管6和惯性管11，回热器4的热端换热器3通过连接管2与高频压力波发生器1相连，另一端与脉冲管6的冷端换热器5相连，脉冲管6的热端换热器7与惯性管11相连，该惯性管11为一根细长管，其一端与脉冲管热端换热器相连，另一端封闭；其可以是等直径管；或是有两到三种不同直径的管子连接而成的长管，从靠近脉冲管制冷机侧向封闭端直径依次减小或增大；该惯性管的横截面积比脉冲管的横截面积小，直径从1毫米到1厘米；该惯性管的长度为1/10声波长到1个声波长，具体数值根据工质气体、工作温度和工作频率不同。
所述高频压力波发生器可以是无阀电动压缩机和热声压缩机，所述的无阀电动压缩机包括电驱动曲柄连杆式压缩机、线性压缩机，所述的热声压缩机包括驻波型热声压缩机和行波型热声压缩机，频率范围在15～200赫兹之间。所述脉冲管制冷机包括直线布置、U型布置、同轴布置形式的单级脉冲管制冷机，或者为直线布置、U型布置、同轴布置或组合布置的双级脉冲管制冷机实施例1如图4所示，本实用新型提供的无气库型高频脉冲管制冷机为一台高频压力波发器1驱动的脉冲管制冷机12，脉冲管制冷机12由以下部分组成2为连接管，3为回热器热端换热器，4为回热器，5为脉冲管冷端换热器，6为脉冲管，7为脉冲管热端换热器，11为细长管。
高频压力波发生器1在平均压力3.0MPa时能提供波动幅度0.166MPa，86.8赫兹的压力波，对应氦气工质时其波长为11.2米。高频脉冲管制冷机12的主要部件尺寸为回热器4内径15毫米，长度48毫米，脉冲管6尺寸为内径6毫米，长度77毫米，惯性管11为一根细长管，其一端与脉冲管热端换热器相连，另一端封闭，其内径为2毫米的等直径管，长度4.12米，为声波长的0.367。当高频压力波发生器1驱动脉冲管制冷机12工作至稳定状态时，脉冲管冷端换热器5温度到达97.4K。
权利要求1.一种无气库型高频脉冲管制冷机，包括一个高频压力波发生器和一个脉冲管制冷机，脉冲管制冷机中包括一回热器、脉冲管和惯性管，回热器热端换热器通过连接管与高频压力波发生器相连，另一端与脉冲管冷端换热器相连，脉冲管热端换热器与惯性管相连，其特征在于所述的惯性管为一根细长管，其一端与脉冲管热端换热器相连，另一端封闭。
2.如权利要求1所述的无气库型高频脉冲管制冷机，其特征在于所述的惯性管包括两种形状(1)等直径管；(2)有两到三种不同直径的管子连接而成的长管，从靠近脉冲管制冷机侧向封闭端直径依次减小或增大。
3.如权利要求1所述的无气库型高频脉冲管制冷机，其特征在于所述的惯性管的横截面积比脉冲管的横截面积小，直径从1毫米到1厘米。
4.如权利要求1所述的无气库型高频脉冲管制冷机，其特征在于所述的惯性管的长度为1/10声波长到1个声波长。
5.如权利要求1所述的无气库型高频脉冲管制冷机，其特征在于所述高频压力波发生器为无阀电动压缩机或热声压缩机。
6.如权利要求5所述的无气库型高频脉冲管制冷机，其特征在于所述的无阀电动压缩机为电驱动曲柄连杆式压缩机或线性压缩机。
7.如权利要求5所述的无气库型高频脉冲管制冷机，其特征在于所述的热声压缩机为驻波型热声压缩机或行波型热声压缩机，频率范围在15～200赫兹之间。
8.如权利要求1所述的无气库型高频脉冲管制冷机，其特征在于所述脉冲管制冷机包括直线布置、U型布置、同轴布置形式的单级脉冲管制冷机，或者为直线布置、U型布置、同轴布置或组合布置的双级脉冲管制冷机。
专利摘要本实用新型涉及一种无气库型高频脉冲管制冷机，包括一个高频压力波发生器和一个脉冲管制冷机，脉冲管制冷机中包括一回热器、脉冲管和惯性管，该惯性管为一根细长管，其一端与脉冲管热端换热器相连，另一端封闭；其可以是等直径管；或是有不同直径的管子连接而成的长管；该惯性管的横截面积比脉冲管的横截面积小，直径从1毫米到1厘米；该惯性管的长度为1/10声波长到1个声波长，具体数值根据工质气体、工作温度和工作频率不同。本实用新型提供的无气库型高频脉冲管制冷机结构简单，无需气库，因而克服了现有的高频脉冲管制冷机均需存在一个大的气库而带来的所有缺陷，其在脉冲管热端实现压力波相位超前体积流，从而可以提高脉冲管制冷机的效率。
文档编号F25B9/14GK2811865SQ200520022970
公开日2006年8月30日 申请日期2005年5月17日 优先权日2005年5月17日
发明者戴巍, 罗二仓 申请人:中国科学院理化技术研究所