专利名称：高频脉冲管制冷机的制作方法
技术领域：
本发明涉及小型低温制冷机领域，尤其涉及高频脉冲管制冷机。
背景技术：
随着空间技术的不断发展，用于冷却红外探测器和高温超导器件的小型、微型低温制冷机的研究引起了各国学者的极大兴趣。高频脉冲管制冷机作为小型低温制冷机的一种，由于其具有冷端无运动部件、结构简单、可靠性高和抗电磁干扰性好等优点，有望取代传统制冷机在信息、超导和空间领域中的应用。脉冲管制冷机的发展经历了基本型、小孔型、双向进气型、多路旁通型和惯性管型。基本型脉冲管制冷机为高频脉冲管制冷机的原始类型。它利用一根中空的管子，其内存在交变的压力波时，封闭端发热，沿管轴向形成很大的温度梯度的现象，在装上回热器，布置层流化元件后，将管子封闭端(热端)冷却至室温，在通向压缩机的管子出口端(冷端)便可以获得制冷效应。由于基本型脉冲管制冷机没有类似于斯特林型制冷机排出器的调相机构，使得脉冲管内气体参数的周期变化不能获得合适的相位，这一缺陷阻碍了脉冲管制冷机的发展。小孔、双向进气系统、惯性管等调相机构的发明，使得脉冲管制冷机具有了相应的调相机构。这些调相机构的应用改善了脉冲管制冷机内部的相位关系，提高了脉冲制冷机的性能。然而，在这些机构中，均要求系统存在一个容积约为脉冲管容积5-10倍的普通气库。此种气库一般被做成短而粗的圆柱形或环形等形状，其直径一般是几厘米甚至十几厘米，这种形状的气库对材料结构强度和厚度都有一定的要求，因而具有庞大的体积和重量，大大增加了整个系统的结构尺寸和重量，在一定程度上制约了脉冲管制冷机的应用。并且普通气库的存在，在某些低温环境下，严重妨碍了低温制冷机的布置。在惯性管型脉冲管制冷机领域中，中国专利CN2811865Y提出了无气库型脉冲管制冷机，该无气库型脉冲管制冷机取消了气库，直接用惯性管调相。通过实践发现，无气库型脉冲管制冷机要达到与有气库型的脉冲管制冷机等同的制冷性能，需要提供很长的惯性管。但惯性管过长同样会影响脉冲管制冷机的布置和应用范围。对于惯性管型高频脉冲管制冷机，气库与惯性管一般作为两个相对独立的部件，在系统中各自发挥不同的作用。惯性管作为调相功能部件，利用内部气体的惯性可以调节脉冲管内气体的质量流与压力波之间的相位差，为脉冲管中的制冷工质提供正确的相位。惯性管的直径越大越能提供较大的相位差，对改善制冷机性能越有利，而直径过大会损失脉冲管内的压力波幅值，降低制冷效率。为了使惯性管具有足够的调相能力，同时避免压力波幅值的大量损失，通常将其设计为具有一定直径的细长管，内径一般小于4毫米。气库作为调相机构的重要组成部分，通常作为气体贮存装置。其中储存的部分气体在脉冲管制冷过程中由于线性压缩机的推动往返于气库与脉冲管之间，以增大脉冲管内制冷工质气体的流量。此外，根据本领域技术人员所知的调相原理，气库还须为脉冲管制冷机提供压力波动近乎为零的边界条件。换言之，气库保持内部压力始终接近全系统的平均压力，几乎不受压力波的影响。气库的体积越大，提供的边界条件越接近零，因此理想的气库容积是无限大的。但实际上气库不可能为无限大，一般为脉冲管容积的5-10倍。圆柱形气库的直径可达几厘米甚至十几厘米，其中依然会存在微弱的压力波动。为了获取更高水平的性能，人们通常认为普通气库的容积越大越好。然而，体积过于庞大，气库的布置就变得困难起来。普通的气库已经占据了制冷机整机体积与质量的相当大一部分，而更庞大的气库会限制该类型制冷机的应用，成为制冷机小型化的制约因素。所以，依循将惯性管与气库截然分开、各司其职的思路，人们会陷入越提高制冷机的性能越使制冷机难以布置的怪圈。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供这样一种高频脉冲管制冷机，其气库的质量和体积大为减小，有利于气库乃至整个制冷机的布置，同时不降低制冷机的制冷性能。本发明的基本构思是:打破以往的设计惯例，使气库不只具备贮存气体和提供压力波动接近于零的边界条件的功能，反而利用气库内相对于脉冲管内更为少量的压力波动，让气库也发挥一部分调相作用。方法是参照惯性管的调相原理，在脉冲管制冷机系统中提供管状气库，即把气库做成管状或者直接用直径较大的管作为气库。如此，管状气库保留了气库贮存气体的作用，同时，管状的气库使得气库内的压力波动沿管的纵向逐渐减小至近乎为零，所以在总体积减小的情况下，仍然可以为整个制冷系统提供合适的边界条件。另夕卜，利用管状气库中气体的惯性，在余留的压力波推动下调节脉冲管制冷机系统中气体的相位，进一步改善高频脉冲管制冷机系统的制冷性能。此时的管状气库理论上可以看作“惯性管”的一部分与整个“气库”的合体。本发明所采用的技术方案是提供一种高频脉冲管制冷机系统，主要包括依次连接的线性压缩机、连接管、回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉冲管、热端换热器、惯性管和气库，其中，该高频脉冲管制冷机的气库为由管制成的管状气库，该管状气库一端与该惯性管连接在一起，另一端封闭。采用管状气库后，气库中气体的流动会集中发生在气库靠近惯性管的一端处。在进入惯性管的过程中，由于流通通道截面的突然变化，气流会在管状气库与惯性管的连接处与截面积突变的管壁发生摩擦，从而造成一定的气体流动损失，降低制冷效率。为解决这一问题，根据本发明的高频脉冲管制冷机系统还可以包括变截面连接件，其一端与惯性管截面积相同，另一端与管状气库的截面积相同，管状气库一端通过变截面连接件与惯性管连接，另一端封闭。变截面连接件使得气体在从气库返回惯性管的过程中，流通通道截面积的突变改为渐变，这样可以减小气体与管状气库与惯性管连接处的摩擦，从而减小气体流动损失。采用本发明的带有管状气库的高频脉冲管制冷机系统，其质量和体积大为减小。管状气库一方面贮存一部分气体，其自身结构特点也可以使得沿管的纵向压力波逐渐减小至接近于零，起到与普通气库一样的作用；另一方面，由于气体在管状气库内交变流动，制冷机可以通过管状气库内气体的惯性进行调相，从而使气库起到了一定的调相作用。管状气库作用的根本变化，使其不再需要增大体积来减小经由惯性管传递到管状气库内的压力波，因此即使气库体积较小，比如气库管的直径只有8毫米时，也不会影响制冷机系统的制冷性能，该尺寸与现有圆柱形普通气库一般大于20毫米小于200毫米的直径相比大为减小。另外，与惯性管加普通气库的调相机构和纯惯性管调相机构相比，带有管状气库的调相机构可以提供更有效的调相，更能调节脉冲管内的相位差，降低制冷机的最低制冷温度，提高制冷量。因而体积更小的管状气库非但没有降低制冷机的性能，还能使制冷机的性能得到提升。并且，由于气库具有一定的调相功能，在不降低制冷机性能的条件下，此种结构还有利于减小惯性管的长度。另外，管状气库的结构特征更便于布置，例如可以缠绕在压缩机上，进一步使系统结构紧凑，更加有利于高频脉冲管制冷机的布置。
以下，结合附图通过实施例来详细描述本发明，其中:图1是示出了现有技术中的具有普通气库的高频脉冲管制冷机的结构示意图；图2是示出了根据本发明的高频脉冲管制冷机的一个实施例的结构示意图；图3是示出了根据本发明的高频脉冲管制冷机的另一实施例的结构示意图；图4是使用相同长度但直径不同的管状气库时，本发明的高频脉冲管制冷系统热端的相位角随频率变化的图表；图5是在管状气库的管总长度不变的情况下，管状气库内径与相位差的关系图表;图6是管状气库的管内径为8毫米时其长度与压力波幅值之间的关系图表。附图标记一览表1-线性压缩机；2_连接管；3_回热器热端换热器；4_回热器5-冷端换热器；6-脉冲管；7_热端换热器；8-惯性管；9_普通气库；10_变截面连接件；11_管状气库。
具体实施例方式以下将参照附图，对本发明的实施例进行详细的描述。图1示出了现有技术中采用普通气库的脉冲管制冷机系统。在该脉冲制冷机中，由线性压缩机脉冲压力波产生的交变流动的工质通过连接管2进入回热器热端换热器3中，与回热器热端换热器换热后进入回热器4中，吸收回热器中的冷量后进入脉冲管6中，并在脉冲管6中反复压缩膨胀在脉冲管冷端与热端之间产生温差。热端换热器7与外界的换热，将热端冷却至接近室温，此时脉冲管的冷端具有低于室温的温度，冷端换热器5与待冷却的物体换热发挥制冷作用。惯性管8和气库9的作用是为脉冲管制冷机提供合适的相位。图2示出了根据本发明的高频脉冲管制冷机系统的一个实施例。该制冷机系统包括依次连接的线性压缩机1、连接管2、回热器热端换热器3、回热器4、冷端换热器5、脉冲管
6、热端换热器7、惯性管8、以及采用管作为气库的管状气库11，管状气库11的一端与惯性管连接，一端封闭。本发明中的术语“管状气库”是指把气库做成管状的或者直接用直径大的管子作为气库，或者根据脉冲管的直径选择更大直径的管。管状气库的内径一般为8 20毫米。管状气库的长度根据脉冲频率、工质气体、工作温度的不同而变化，例如，在频率为60Hz，氦气作为工质的室温条件下，管状气库的长度可以为6米。管状气库可以采用金属管，例如铜管或者不锈钢管，也可以采用非金属管，例如尼龙管。优选地，管状气库的管可以为螺旋管。螺旋管占用空间更小，使气库布置更为紧凑。根据本发明的高频脉冲制冷机的一优选实施例，制冷机系统另外包括变截面连接件10，其一端连接管状气库，另一端连接惯性管。该变截面连接件10的内部为一渐变截面，其一端的截面积与惯性管截面积相同，另一端的截面积与管状气库的截面积相同。该变截面连接件10的外表面为一连续的锥形面。可替换的，该变截面连接件10的外表面也可以是连续的曲面，例如弧形。管状气库11的一端通过变截面连接件10与惯性管连接，另一端封闭。由于惯性管内径一般小于4毫米，小于气库管的内径，如果直接将惯性管8和管状气库11连接，会产生一定的气体流动损失，对制冷机性能造成一定程度上的影响。而在本实施例中，管状气库11通过变截面连接件10与惯性管的连接可以避免气体流动损失，进一步改善制冷性能。图3示出了本发明中高频脉冲管制冷机的另一个实施例。与图2所示的高频脉冲管制冷机不同的是，该脉冲管制冷机布置成同轴结构，管状气库缠绕在压缩机上。可替换地，管状气库可以和惯性管一起缠绕在压缩机上。此外，由于线性压缩机一般为对置结构，惯性管和管状气库既可以缠绕在对置结构的一边(如图3)也可以缠绕在对置结构的两边(未示出)以保持力的平衡。根据本实施例对管状气库的这种布置，在更大程度上节省了空间，使整个高频脉冲制冷机的布置更加紧凑。从图4可以看出，采用长度相同的管作为气库，其相位角随频率的变化范围随着管状气库的内径不同而改变。直径大的管能提供较大的相位差，即在惯性管入口处(热端换热器7附近)，压力波领先质量流的角度较大。本领域的普通技术人员知道，惯性管入口处压力波的相位角领先质量流相位角越大，制冷机性能改善越明显。因此可以根据需要通过控制管状气库的直径来调节相位角的变化范围。由于气体在管状气库内交变流动，本发明的管状气库还可以利用气体的惯性作用进行调相，进一步增大压力波和质量流之间的相位差，从而使气库起到了一定的调相作用。故本发明提供的管状气库一方面起到了气库的作用，另一方面起到了惯性管调相的作用，有助于改善制冷机的性能。此外，由于管状气库具有足够的长度，惯性管传递的压力波动沿气库管的纵向逐渐减小，最终可以得到压力波减小至近乎为零的边界条件。这种对于气库靠近入口端的压力波进行利用的方法，使得不再需要为最大程度上减小气库内部压力波动而增大气库体积，管状气库的容积因而可以相对普通气库大大减小。采用此种体积较小的气库也不会损失制冷机系统的制冷性能，由此达到本发明的目的。在本发明的另一实施例，管状气库可由变直径的管形成，例如采用直径依次增大的变直径管作为气库。例如，其中第一段管的直径范围为5 10毫米，第二段的管的直径范围为10 12毫米。变直径的管形成的管状气库长度要短于等直径的管形成的管状气库长度。例如，在频率为60Hz，氦气作为工质的室温条件下，管状气库由变直径的管形成，其总长度小于6米。如图5所示，管的总长度不变，恒为8米，压力波幅值为0.Sbar0再次条件下，管状气库由10毫米内径的等直径的管构成时，压力波与质量流的最小相位差为-69° ;管状气库由具有内径8毫米和内径10毫米的变直径的管构成时，此时压力波与质量流的最小相位差为-72°。分析此图中的数据可以得出结论:变直径的管状气库增大了制冷机热端压力波与质量流的相位差。如图6所示，保持压力波与质量流的相位差为-40°不变，脉冲频率为40Hz，在变直径的管状气库中，随着内径为8毫米的管的长度不断增加，管状气库内的压力波幅值先增大后减小。因此，如图5和图6所示，变直径的管状气库可以调节气库内的压力波幅值，还可以增大相位差，使压力波幅值和相位差同时调至最优，改善制冷机的性能。可以理解的是，这里的脉冲管制冷机不仅可以是直线型，也可以是同轴型、U型等任意一种布置，而不仅限于此。并且脉冲管制冷机可以为单级的，也可以为多级的，也可以是任意一种带有气库的制冷机类型。根据本发明的高频脉冲管制冷机系统，可采用本领域公知的一种或几种制冷工质的组合，优选地采用无毒无污染且不可燃的气体，如氦3、氦4、氢气、氮气或其混合气体。尽管本文叙述了本发明的具体实施方式
，但是应该认识到，该具体实施方式
仅仅是对本发明的描述性说明，并不限定本发明的内容。本领域的技术人员在不偏离本发明的精神及主旨的前提下对以上具体实施方式
的任何更改或改动均在本发明的权利要求所主张的保护范围内。
权利要求
1.一种高频脉冲管制冷机，主要包括依次连接的线性压缩机(I)、连接管(2)、回热器热端换热器(3)、回热器⑷、冷端换热器(5)、脉冲管(6)、热端换热器(7)和惯性管⑶，其特征在于，该高频脉冲管制冷机系统还包括管状气库(11)，所述管状气库(11)采用直径为8至20毫米的管作为气库，所述管状气库的一端与惯性管连接，另一端封闭。
2.根据权利要求1所述的高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述高频脉冲管制冷机系统还包括用于连接所述管状气库和惯性管的变截面连接件(10)，其朝向所述惯性管一侧的截面小于朝向所述管状气库一侧的截面。
3.根据权利要求1或2所述的高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述管状气库缠绕在所述压缩机上，或者管状气库与惯性管一起缠绕在所述压缩机上。
4.根据权利要求1或2所述的高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述管状气库由变直径的管制成。
5.根据权利要求4所述的高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述管状气库第一段的内径为8毫米，第二段的内径为10毫米。
6.根据权利要求1所述的高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述管状气库由钢管、不锈钢管或尼龙管制成。
7.根据权利要求1或2所述的高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述高频脉冲管制冷机为直线型单级高频脉冲管制冷机。
8.根据权利要求1或2所述的高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述高频脉冲管制冷机为同轴型或U型。
9.根据权利要求1或2所述的高频脉冲管制冷机，其特征在于，所述高频脉冲管制冷机为多级高频脉冲管制冷机。
10.根据权利要求1或2所述的高频脉冲管制冷机，其特征在于，所采用的制冷工质为氦3、氦4、氢气、氮气或者该四种气体中两种以上的混合气体。
全文摘要
本发明提供一种高频脉冲管制冷机，主要包括依次连接的线性压缩机(1)、连接管(2)、回热器热端换热器(3)、回热器(4)、冷端换热器(5)、脉冲管(6)、热端换热器(7)、惯性管(8)以及管状气库(11)，该管状气库采用直径为8至20毫米的管作为气库，一端与惯性管连接，另一端封闭。与普通气库相比，管状气库的质量和体积都大为减小。管状气库一方面起到普通气库的作用，另一方面还可以利用管中气体的惯性作用调节惯性管内的相位而进一步改善制冷机性能。同时，管状气库的应用使得高频脉冲管制冷机的结构紧凑，有利于实用化和空间上的应用。
文档编号F25B9/14GK103175328SQ20111043923
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者杨鲁伟, 刘彦杰, 梁惊涛 申请人:中国科学院理化技术研究所