專利名稱：高頻脈沖管制冷機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及小型低溫制冷機領(lǐng)域，尤其涉及高頻脈沖管制冷機。
背景技術(shù)：
隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，用于冷卻紅外探測器和高溫超導(dǎo)器件的小型、微型低溫制冷機的研究引起了各國學(xué)者的極大興趣。高頻脈沖管制冷機作為小型低溫制冷機的一種，由于其具有冷端無運動部件、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和抗電磁干擾性好等優(yōu)點，有望取代傳統(tǒng)制冷機在信息、超導(dǎo)和空間領(lǐng)域中的應(yīng)用。脈沖管制冷機的發(fā)展經(jīng)歷了基本型、小孔型、雙向進氣型、多路旁通型和慣性管型?；拘兔}沖管制冷機為高頻脈沖管制冷機的原始類型。它利用一根中空的管子，其內(nèi)存在交變的壓力波時，封閉端發(fā)熱，沿管軸向形成很大的溫度梯度的現(xiàn)象，在裝上回?zé)崞?，布置層流化元件后，將管子封閉端(熱端)冷卻至室溫，在通向壓縮機的管子出口端(冷端)便可以獲得制冷效應(yīng)。由于基本型脈沖管制冷機沒有類似于斯特林型制冷機排出器的調(diào)相機構(gòu)，使得脈沖管內(nèi)氣體參數(shù)的周期變化不能獲得合適的相位，這一缺陷阻礙了脈沖管制冷機的發(fā)展。小孔、雙向進氣系統(tǒng)、慣性管等調(diào)相機構(gòu)的發(fā)明，使得脈沖管制冷機具有了相應(yīng)的調(diào)相機構(gòu)。這些調(diào)相機構(gòu)的應(yīng)用改善了脈沖管制冷機內(nèi)部的相位關(guān)系，提高了脈沖制冷機的性能。然而，在這些機構(gòu)中，均要求系統(tǒng)存在一個容積約為脈沖管容積5-10倍的普通氣庫。此種氣庫一般被做成短而粗的圓柱形或環(huán)形等形狀，其直徑一般是幾厘米甚至十幾厘米，這種形狀的氣庫對材料結(jié)構(gòu)強度和厚度都有一定的要求，因而具有龐大的體積和重量，大大增加了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸和重量，在一定程度上制約了脈沖管制冷機的應(yīng)用。并且普通氣庫的存在，在某些低溫環(huán)境下，嚴重妨礙了低溫制冷機的布置。在慣性管型脈沖管制冷機領(lǐng)域中，中國專利CN2811865Y提出了無氣庫型脈沖管制冷機，該無氣庫型脈沖管制冷機取消了氣庫，直接用慣性管調(diào)相。通過實踐發(fā)現(xiàn)，無氣庫型脈沖管制冷機要達到與有氣庫型的脈沖管制冷機等同的制冷性能，需要提供很長的慣性管。但慣性管過長同樣會影響脈沖管制冷機的布置和應(yīng)用范圍。對于慣性管型高頻脈沖管制冷機，氣庫與慣性管一般作為兩個相對獨立的部件，在系統(tǒng)中各自發(fā)揮不同的作用。慣性管作為調(diào)相功能部件，利用內(nèi)部氣體的慣性可以調(diào)節(jié)脈沖管內(nèi)氣體的質(zhì)量流與壓力波之間的相位差，為脈沖管中的制冷工質(zhì)提供正確的相位。慣性管的直徑越大越能提供較大的相位差，對改善制冷機性能越有利，而直徑過大會損失脈沖管內(nèi)的壓力波幅值，降低制冷效率。為了使慣性管具有足夠的調(diào)相能力，同時避免壓力波幅值的大量損失，通常將其設(shè)計為具有一定直徑的細長管，內(nèi)徑一般小于4毫米。氣庫作為調(diào)相機構(gòu)的重要組成部分，通常作為氣體貯存裝置。其中儲存的部分氣體在脈沖管制冷過程中由于線性壓縮機的推動往返于氣庫與脈沖管之間，以增大脈沖管內(nèi)制冷工質(zhì)氣體的流量。此外，根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的調(diào)相原理，氣庫還須為脈沖管制冷機提供壓力波動近乎為零的邊界條件。換言之，氣庫保持內(nèi)部壓力始終接近全系統(tǒng)的平均壓力，幾乎不受壓力波的影響。氣庫的體積越大，提供的邊界條件越接近零，因此理想的氣庫容積是無限大的。但實際上氣庫不可能為無限大，一般為脈沖管容積的5-10倍。圓柱形氣庫的直徑可達幾厘米甚至十幾厘米，其中依然會存在微弱的壓力波動。為了獲取更高水平的性能，人們通常認為普通氣庫的容積越大越好。然而，體積過于龐大，氣庫的布置就變得困難起來。普通的氣庫已經(jīng)占據(jù)了制冷機整機體積與質(zhì)量的相當(dāng)大一部分，而更龐大的氣庫會限制該類型制冷機的應(yīng)用，成為制冷機小型化的制約因素。所以，依循將慣性管與氣庫截然分開、各司其職的思路，人們會陷入越提高制冷機的性能越使制冷機難以布置的怪圈。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供這樣一種高頻脈沖管制冷機，其氣庫的質(zhì)量和體積大為減小，有利于氣庫乃至整個制冷機的布置，同時不降低制冷機的制冷性能。本發(fā)明的基本構(gòu)思是:打破以往的設(shè)計慣例，使氣庫不只具備貯存氣體和提供壓力波動接近于零的邊界條件的功能，反而利用氣庫內(nèi)相對于脈沖管內(nèi)更為少量的壓力波動，讓氣庫也發(fā)揮一部分調(diào)相作用。方法是參照慣性管的調(diào)相原理，在脈沖管制冷機系統(tǒng)中提供管狀氣庫，即把氣庫做成管狀或者直接用直徑較大的管作為氣庫。如此，管狀氣庫保留了氣庫貯存氣體的作用，同時，管狀的氣庫使得氣庫內(nèi)的壓力波動沿管的縱向逐漸減小至近乎為零，所以在總體積減小的情況下，仍然可以為整個制冷系統(tǒng)提供合適的邊界條件。另夕卜，利用管狀氣庫中氣體的慣性，在余留的壓力波推動下調(diào)節(jié)脈沖管制冷機系統(tǒng)中氣體的相位，進一步改善高頻脈沖管制冷機系統(tǒng)的制冷性能。此時的管狀氣庫理論上可以看作“慣性管”的一部分與整個“氣庫”的合體。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種高頻脈沖管制冷機系統(tǒng)，主要包括依次連接的線性壓縮機、連接管、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、回?zé)崞鳌⒗涠藫Q熱器、脈沖管、熱端換熱器、慣性管和氣庫，其中，該高頻脈沖管制冷機的氣庫為由管制成的管狀氣庫，該管狀氣庫一端與該慣性管連接在一起，另一端封閉。采用管狀氣庫后，氣庫中氣體的流動會集中發(fā)生在氣庫靠近慣性管的一端處。在進入慣性管的過程中，由于流通通道截面的突然變化，氣流會在管狀氣庫與慣性管的連接處與截面積突變的管壁發(fā)生摩擦，從而造成一定的氣體流動損失，降低制冷效率。為解決這一問題，根據(jù)本發(fā)明的高頻脈沖管制冷機系統(tǒng)還可以包括變截面連接件，其一端與慣性管截面積相同，另一端與管狀氣庫的截面積相同，管狀氣庫一端通過變截面連接件與慣性管連接，另一端封閉。變截面連接件使得氣體在從氣庫返回慣性管的過程中，流通通道截面積的突變改為漸變，這樣可以減小氣體與管狀氣庫與慣性管連接處的摩擦，從而減小氣體流動損失。采用本發(fā)明的帶有管狀氣庫的高頻脈沖管制冷機系統(tǒng)，其質(zhì)量和體積大為減小。管狀氣庫一方面貯存一部分氣體，其自身結(jié)構(gòu)特點也可以使得沿管的縱向壓力波逐漸減小至接近于零，起到與普通氣庫一樣的作用；另一方面，由于氣體在管狀氣庫內(nèi)交變流動，制冷機可以通過管狀氣庫內(nèi)氣體的慣性進行調(diào)相，從而使氣庫起到了一定的調(diào)相作用。管狀氣庫作用的根本變化，使其不再需要增大體積來減小經(jīng)由慣性管傳遞到管狀氣庫內(nèi)的壓力波，因此即使氣庫體積較小，比如氣庫管的直徑只有8毫米時，也不會影響制冷機系統(tǒng)的制冷性能，該尺寸與現(xiàn)有圓柱形普通氣庫一般大于20毫米小于200毫米的直徑相比大為減小。另外，與慣性管加普通氣庫的調(diào)相機構(gòu)和純慣性管調(diào)相機構(gòu)相比，帶有管狀氣庫的調(diào)相機構(gòu)可以提供更有效的調(diào)相，更能調(diào)節(jié)脈沖管內(nèi)的相位差，降低制冷機的最低制冷溫度，提高制冷量。因而體積更小的管狀氣庫非但沒有降低制冷機的性能，還能使制冷機的性能得到提升。并且，由于氣庫具有一定的調(diào)相功能，在不降低制冷機性能的條件下，此種結(jié)構(gòu)還有利于減小慣性管的長度。另外，管狀氣庫的結(jié)構(gòu)特征更便于布置，例如可以纏繞在壓縮機上，進一步使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，更加有利于高頻脈沖管制冷機的布置。


以下，結(jié)合附圖通過實施例來詳細描述本發(fā)明，其中:圖1是示出了現(xiàn)有技術(shù)中的具有普通氣庫的高頻脈沖管制冷機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻脈沖管制冷機的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻脈沖管制冷機的另一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是使用相同長度但直徑不同的管狀氣庫時，本發(fā)明的高頻脈沖管制冷系統(tǒng)熱端的相位角隨頻率變化的圖表；圖5是在管狀氣庫的管總長度不變的情況下，管狀氣庫內(nèi)徑與相位差的關(guān)系圖表;圖6是管狀氣庫的管內(nèi)徑為8毫米時其長度與壓力波幅值之間的關(guān)系圖表。附圖標(biāo)記一覽表1-線性壓縮機；2_連接管；3_回?zé)崞鳠岫藫Q熱器；4_回?zé)崞?-冷端換熱器；6-脈沖管；7_熱端換熱器；8-慣性管；9_普通氣庫；10_變截面連接件；11_管狀氣庫。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發(fā)明的實施例進行詳細的描述。圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中采用普通氣庫的脈沖管制冷機系統(tǒng)。在該脈沖制冷機中，由線性壓縮機脈沖壓力波產(chǎn)生的交變流動的工質(zhì)通過連接管2進入回?zé)崞鳠岫藫Q熱器3中，與回?zé)崞鳠岫藫Q熱器換熱后進入回?zé)崞?中，吸收回?zé)崞髦械睦淞亢筮M入脈沖管6中，并在脈沖管6中反復(fù)壓縮膨脹在脈沖管冷端與熱端之間產(chǎn)生溫差。熱端換熱器7與外界的換熱，將熱端冷卻至接近室溫，此時脈沖管的冷端具有低于室溫的溫度，冷端換熱器5與待冷卻的物體換熱發(fā)揮制冷作用。慣性管8和氣庫9的作用是為脈沖管制冷機提供合適的相位。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻脈沖管制冷機系統(tǒng)的一個實施例。該制冷機系統(tǒng)包括依次連接的線性壓縮機1、連接管2、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器3、回?zé)崞?、冷端換熱器5、脈沖管
6、熱端換熱器7、慣性管8、以及采用管作為氣庫的管狀氣庫11，管狀氣庫11的一端與慣性管連接，一端封閉。本發(fā)明中的術(shù)語“管狀氣庫”是指把氣庫做成管狀的或者直接用直徑大的管子作為氣庫，或者根據(jù)脈沖管的直徑選擇更大直徑的管。管狀氣庫的內(nèi)徑一般為8 20毫米。管狀氣庫的長度根據(jù)脈沖頻率、工質(zhì)氣體、工作溫度的不同而變化，例如，在頻率為60Hz，氦氣作為工質(zhì)的室溫條件下，管狀氣庫的長度可以為6米。管狀氣庫可以采用金屬管，例如銅管或者不銹鋼管，也可以采用非金屬管，例如尼龍管。優(yōu)選地，管狀氣庫的管可以為螺旋管。螺旋管占用空間更小，使氣庫布置更為緊湊。根據(jù)本發(fā)明的高頻脈沖制冷機的一優(yōu)選實施例，制冷機系統(tǒng)另外包括變截面連接件10，其一端連接管狀氣庫，另一端連接慣性管。該變截面連接件10的內(nèi)部為一漸變截面，其一端的截面積與慣性管截面積相同，另一端的截面積與管狀氣庫的截面積相同。該變截面連接件10的外表面為一連續(xù)的錐形面。可替換的，該變截面連接件10的外表面也可以是連續(xù)的曲面，例如弧形。管狀氣庫11的一端通過變截面連接件10與慣性管連接，另一端封閉。由于慣性管內(nèi)徑一般小于4毫米，小于氣庫管的內(nèi)徑，如果直接將慣性管8和管狀氣庫11連接，會產(chǎn)生一定的氣體流動損失，對制冷機性能造成一定程度上的影響。而在本實施例中，管狀氣庫11通過變截面連接件10與慣性管的連接可以避免氣體流動損失，進一步改善制冷性能。圖3示出了本發(fā)明中高頻脈沖管制冷機的另一個實施例。與圖2所示的高頻脈沖管制冷機不同的是，該脈沖管制冷機布置成同軸結(jié)構(gòu)，管狀氣庫纏繞在壓縮機上?？商鎿Q地，管狀氣庫可以和慣性管一起纏繞在壓縮機上。此外，由于線性壓縮機一般為對置結(jié)構(gòu)，慣性管和管狀氣庫既可以纏繞在對置結(jié)構(gòu)的一邊(如圖3)也可以纏繞在對置結(jié)構(gòu)的兩邊(未示出)以保持力的平衡。根據(jù)本實施例對管狀氣庫的這種布置，在更大程度上節(jié)省了空間，使整個高頻脈沖制冷機的布置更加緊湊。從圖4可以看出，采用長度相同的管作為氣庫，其相位角隨頻率的變化范圍隨著管狀氣庫的內(nèi)徑不同而改變。直徑大的管能提供較大的相位差，即在慣性管入口處(熱端換熱器7附近)，壓力波領(lǐng)先質(zhì)量流的角度較大。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員知道，慣性管入口處壓力波的相位角領(lǐng)先質(zhì)量流相位角越大，制冷機性能改善越明顯。因此可以根據(jù)需要通過控制管狀氣庫的直徑來調(diào)節(jié)相位角的變化范圍。由于氣體在管狀氣庫內(nèi)交變流動，本發(fā)明的管狀氣庫還可以利用氣體的慣性作用進行調(diào)相，進一步增大壓力波和質(zhì)量流之間的相位差，從而使氣庫起到了一定的調(diào)相作用。故本發(fā)明提供的管狀氣庫一方面起到了氣庫的作用，另一方面起到了慣性管調(diào)相的作用，有助于改善制冷機的性能。此外，由于管狀氣庫具有足夠的長度，慣性管傳遞的壓力波動沿氣庫管的縱向逐漸減小，最終可以得到壓力波減小至近乎為零的邊界條件。這種對于氣庫靠近入口端的壓力波進行利用的方法，使得不再需要為最大程度上減小氣庫內(nèi)部壓力波動而增大氣庫體積，管狀氣庫的容積因而可以相對普通氣庫大大減小。采用此種體積較小的氣庫也不會損失制冷機系統(tǒng)的制冷性能，由此達到本發(fā)明的目的。在本發(fā)明的另一實施例，管狀氣庫可由變直徑的管形成，例如采用直徑依次增大的變直徑管作為氣庫。例如，其中第一段管的直徑范圍為5 10毫米，第二段的管的直徑范圍為10 12毫米。變直徑的管形成的管狀氣庫長度要短于等直徑的管形成的管狀氣庫長度。例如，在頻率為60Hz，氦氣作為工質(zhì)的室溫條件下，管狀氣庫由變直徑的管形成，其總長度小于6米。如圖5所示，管的總長度不變，恒為8米，壓力波幅值為0.Sbar0再次條件下，管狀氣庫由10毫米內(nèi)徑的等直徑的管構(gòu)成時，壓力波與質(zhì)量流的最小相位差為-69° ;管狀氣庫由具有內(nèi)徑8毫米和內(nèi)徑10毫米的變直徑的管構(gòu)成時，此時壓力波與質(zhì)量流的最小相位差為-72°。分析此圖中的數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論:變直徑的管狀氣庫增大了制冷機熱端壓力波與質(zhì)量流的相位差。如圖6所示，保持壓力波與質(zhì)量流的相位差為-40°不變，脈沖頻率為40Hz，在變直徑的管狀氣庫中，隨著內(nèi)徑為8毫米的管的長度不斷增加，管狀氣庫內(nèi)的壓力波幅值先增大后減小。因此，如圖5和圖6所示，變直徑的管狀氣庫可以調(diào)節(jié)氣庫內(nèi)的壓力波幅值，還可以增大相位差，使壓力波幅值和相位差同時調(diào)至最優(yōu)，改善制冷機的性能。可以理解的是，這里的脈沖管制冷機不僅可以是直線型，也可以是同軸型、U型等任意一種布置，而不僅限于此。并且脈沖管制冷機可以為單級的，也可以為多級的，也可以是任意一種帶有氣庫的制冷機類型。根據(jù)本發(fā)明的高頻脈沖管制冷機系統(tǒng)，可采用本領(lǐng)域公知的一種或幾種制冷工質(zhì)的組合，優(yōu)選地采用無毒無污染且不可燃的氣體，如氦3、氦4、氫氣、氮氣或其混合氣體。盡管本文敘述了本發(fā)明的具體實施方式
，但是應(yīng)該認識到，該具體實施方式
僅僅是對本發(fā)明的描述性說明，并不限定本發(fā)明的內(nèi)容。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明的精神及主旨的前提下對以上具體實施方式
的任何更改或改動均在本發(fā)明的權(quán)利要求所主張的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高頻脈沖管制冷機，主要包括依次連接的線性壓縮機(I)、連接管(2)、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器(3)、回?zé)崞鳍?、冷端換熱器(5)、脈沖管(6)、熱端換熱器(7)和慣性管⑶，其特征在于，該高頻脈沖管制冷機系統(tǒng)還包括管狀氣庫(11)，所述管狀氣庫(11)采用直徑為8至20毫米的管作為氣庫，所述管狀氣庫的一端與慣性管連接，另一端封閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻脈沖管制冷機，其特征在于，所述高頻脈沖管制冷機系統(tǒng)還包括用于連接所述管狀氣庫和慣性管的變截面連接件(10)，其朝向所述慣性管一側(cè)的截面小于朝向所述管狀氣庫一側(cè)的截面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高頻脈沖管制冷機，其特征在于，所述管狀氣庫纏繞在所述壓縮機上，或者管狀氣庫與慣性管一起纏繞在所述壓縮機上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高頻脈沖管制冷機，其特征在于，所述管狀氣庫由變直徑的管制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高頻脈沖管制冷機，其特征在于，所述管狀氣庫第一段的內(nèi)徑為8毫米，第二段的內(nèi)徑為10毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻脈沖管制冷機，其特征在于，所述管狀氣庫由鋼管、不銹鋼管或尼龍管制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高頻脈沖管制冷機，其特征在于，所述高頻脈沖管制冷機為直線型單級高頻脈沖管制冷機。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高頻脈沖管制冷機，其特征在于，所述高頻脈沖管制冷機為同軸型或U型。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高頻脈沖管制冷機，其特征在于，所述高頻脈沖管制冷機為多級高頻脈沖管制冷機。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高頻脈沖管制冷機，其特征在于，所采用的制冷工質(zhì)為氦3、氦4、氫氣、氮氣或者該四種氣體中兩種以上的混合氣體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高頻脈沖管制冷機，主要包括依次連接的線性壓縮機(1)、連接管(2)、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器(3)、回?zé)崞?4)、冷端換熱器(5)、脈沖管(6)、熱端換熱器(7)、慣性管(8)以及管狀氣庫(11)，該管狀氣庫采用直徑為8至20毫米的管作為氣庫，一端與慣性管連接，另一端封閉。與普通氣庫相比，管狀氣庫的質(zhì)量和體積都大為減小。管狀氣庫一方面起到普通氣庫的作用，另一方面還可以利用管中氣體的慣性作用調(diào)節(jié)慣性管內(nèi)的相位而進一步改善制冷機性能。同時，管狀氣庫的應(yīng)用使得高頻脈沖管制冷機的結(jié)構(gòu)緊湊，有利于實用化和空間上的應(yīng)用。
文檔編號F25B9/14GK103175328SQ20111043923
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者楊魯偉, 劉彥杰, 梁驚濤 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所