專利名稱：一種熱耦合脈沖管制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于制冷與低溫領(lǐng)域的制冷機(jī)，特別涉及一種在脈沖管制冷機(jī)中的脈沖管和回?zé)崞髦g安裝一熱橋，以減小冷頭導(dǎo)熱損失的熱耦合脈沖管制冷機(jī)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的脈沖管制冷機(jī)如圖I所示，從脈沖管制冷機(jī)入口 I開(kāi)始依次相連通的室溫?fù)Q熱器2、回?zé)崞?、冷頭4、脈管5、層流化元件6、調(diào)相器7以及安裝于所述入口 I與層流化元件7之間連接光路上的雙向進(jìn)氣閥8，這是一種單級(jí)結(jié)構(gòu)的脈沖管制冷機(jī)。所述的回 熱器3還可以分成兩段或者多段，在每?jī)啥沃g的連接位置處另外再連接另一冷頭4’、另一脈管5’、另一層流化元件6’和另一調(diào)相器7’，這樣就可以構(gòu)成以兩級(jí)或多級(jí)脈沖管制冷機(jī)，圖2所示的就是一種典型的兩級(jí)脈沖管制冷機(jī)。脈管制冷機(jī)技術(shù)在現(xiàn)代低溫制冷機(jī)技術(shù)領(lǐng)域中占有舉足輕重的地位，它體積小，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，在航天、軍事等方面有著非常廣泛的應(yīng)用前景。脈管作為脈沖管制冷機(jī)的重要部件，它連接了制冷機(jī)的低溫冷頭和室溫部件(主要是調(diào)相器)，起到了熱緩沖管的作用，同時(shí)其內(nèi)部的氣體來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，傳輸聲功，也起到一個(gè)氣體活塞的作用。理論上脈管不給制冷機(jī)帶來(lái)任何熱損失，但是實(shí)際上脈管內(nèi)部總是存在多種損失穿梭損失，粘性耗散，導(dǎo)熱損失等等。穿梭損失是因?yàn)闅怏w在脈管內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)由于氣體與脈管壁面的溫差傳熱引起的損失，使室溫端的熱量向低溫端傳送；粘性損失是指往復(fù)運(yùn)動(dòng)的氣體與靜止的壁面之間由于粘性剪切而產(chǎn)生的功向熱轉(zhuǎn)換；導(dǎo)熱損失是指由于脈管冷端與室溫端的溫差引起的由室溫端向冷端的熱量傳導(dǎo)。在理想情況下，脈管內(nèi)的溫度從室溫端到冷頭是線性分布的，如圖3中的點(diǎn)劃線所示，但是前兩種損失的存在，使脈管內(nèi)的溫度分布發(fā)生變化，變成了拋物現(xiàn)狀，如圖3中的虛線所示，脈管各處的溫度比線性分布時(shí)都要高。由于溫度分布的改變，在脈管內(nèi)靠近冷頭處的溫度梯度變得非常大，這大大地增加了冷頭通過(guò)脈管的導(dǎo)熱損失，降低了脈沖管制冷機(jī)效率，也難以使脈沖管制冷機(jī)獲得更低的制冷溫度，因此需要設(shè)法減小脈管內(nèi)靠近冷頭處的溫度梯度。近年來(lái)，很多對(duì)多級(jí)脈沖管制冷機(jī)的研究結(jié)果表明在同一個(gè)脈沖管制冷機(jī)中，冷頭之間制冷溫度的變化彼此影響很小，也就是說(shuō)，一個(gè)如圖2所示的脈沖管制冷機(jī)，如果從冷頭4’取走部分冷量，雖然其制冷溫度少量升高，但是冷頭4的溫度基本不會(huì)發(fā)生變化。本發(fā)明基于這一現(xiàn)象，從回?zé)崞鞯哪骋晃恢萌〕霾糠掷淞繉?duì)脈管內(nèi)氣體進(jìn)行冷卻，減小其低溫段的溫度梯度，可以達(dá)到減少冷頭熱損失的目的。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種新型結(jié)構(gòu)的熱耦合脈沖管制冷機(jī)，減少制冷機(jī)的脈管內(nèi)接近冷頭處的導(dǎo)熱損失，使脈沖管制冷機(jī)可以獲得更好的制冷性能。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下本實(shí)用新型提供的熱耦合脈沖管制冷機(jī)其包括依次相連通的室溫?fù)Q熱器2、回?zé)崞?、冷頭4、脈管5、層流化元件6、調(diào)相器7以及連通于室溫?fù)Q熱器2入口 I與調(diào)相器7之間連接管路上的雙向進(jìn)氣閥8 ;其特征在于，還包括安裝于所述脈管5上的至少一個(gè)熱橋9，該熱橋9另一端與所述回?zé)崞?或與所述冷頭4相連。所述的回?zé)崞?3)分成兩段或者多段，在每?jī)啥沃g的連接位置處連接一內(nèi)部相通的另一冷頭4’、另一脈管5’、另一層流化元件6’和另一調(diào)相器7’，在另一室溫?fù)Q熱器入口與調(diào)相器之間連接管路上安裝另一雙向進(jìn)氣閥。在所述另一脈管5’上安裝至少一個(gè)另一熱橋9’，該另一熱橋9’的另一端與回?zé)崞?相連。所述熱橋9和另一熱橋9’均為一種導(dǎo)熱元件。所述的調(diào)相部件7和另一調(diào)相器7’為慣性管、帶氣庫(kù)的慣性管或帶氣庫(kù)的小孔 閥。本發(fā)明的熱耦合脈沖管制冷機(jī)，其中的脈管的某些位置安裝有一個(gè)或多個(gè)熱橋，該熱橋的另一端與回?zé)崞鞯哪承┪恢孟噙B；回?zé)崞骺梢苑殖蓛啥位蛘叨喽危诿績(jī)啥沃g的連接位置處連接另外的冷頭、脈管、層流化元件和調(diào)相器，各部件內(nèi)部相通，在該脈管的某些位置可以安裝一個(gè)或多個(gè)熱橋，熱橋的另一端與回?zé)崞鞯哪承┪恢孟噙B，該熱橋也可以不安裝。如果回?zé)崞髋c熱橋或連接處的溫度與某一冷頭溫度相同，則該熱橋一端可以與該冷頭相連，也可以與回?zé)崞飨噙B，但其另一端仍然與脈管相連。熱橋與回?zé)崞飨噙B接的一端的溫度比其與脈管相連接的一端的溫度低。圖3中的虛線給出的是結(jié)構(gòu)如圖2所示的一個(gè)脈沖管制冷機(jī)的脈管5內(nèi)的溫度分布，冷頭4處的溫度梯度為2800K/m。因?yàn)樵撝评錂C(jī)冷頭4’的制冷溫度為50K左右，所以申請(qǐng)人在兩段回?zé)崞鞯南嘟犹幒投?jí)脈管5的中央安裝了熱橋，將二級(jí)脈管5的中央冷卻到了 50K左右，因此脈管5內(nèi)的溫度分布發(fā)生了很大的變化，如圖3中所示，靠近冷頭4處的脈管溫度梯度變成了 950K/m，減小到了原來(lái)的三分之一左右，可想而知，制冷機(jī)的效率將會(huì)提高。根據(jù)計(jì)算，在沒(méi)有熱橋時(shí)，制冷機(jī)的冷頭4的最低制冷溫度為19K，有了熱橋之后最低制冷溫度達(dá)到了 9. 4K，輸入功率也由原來(lái)的144W減小到了 100. 4W，效率大大提高了。這里需要指出的是，熱橋連接在兩段回?zé)崞鞯南嘟犹幣c連接在冷頭4’處的效果是一樣的，因?yàn)樵搩商幍臏囟仁窍嗤?。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型在傳統(tǒng)脈沖管制冷機(jī)的脈管和回?zé)崞髦g連接導(dǎo)熱熱橋，熱橋從回?zé)崞魑±淞繉?duì)脈管內(nèi)的工作氣體進(jìn)行冷卻，減小了脈管靠近冷頭處的溫度梯度，從而減少了冷頭的導(dǎo)熱損失，可以使制冷機(jī)獲得更低制冷溫度和更高的效率。

圖I為現(xiàn)有技術(shù)中的一種單級(jí)脈沖管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的一種兩級(jí)脈沖管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為一臺(tái)兩級(jí)脈沖管制冷機(jī)的二級(jí)脈管內(nèi)的三種溫度分布。圖4為本發(fā)明的一種熱耦合脈沖管制冷機(jī)(單級(jí)脈沖管制冷機(jī))的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明的一種熱耦合脈沖管制冷機(jī)(兩級(jí)脈沖管制冷機(jī))的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明的一種熱耦合脈沖管制冷機(jī)(三級(jí)脈沖管制冷機(jī))的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合圖4 圖6進(jìn)一步描述本實(shí)用新型。實(shí)施例I :采用圖4所示的單級(jí)脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)。該制冷機(jī)回?zé)崞?直徑為20mm，長(zhǎng)度為80mm，脈管5直徑為10mm，長(zhǎng)度為110mm，調(diào)相部件7由慣性管和氣庫(kù)組成，在該單級(jí)脈沖管制冷機(jī)入口 I和層流化元件6之間安裝了雙向進(jìn)氣閥8 ;該制冷機(jī)的工作頻率為65Hz。在沒(méi)有熱橋9的情況下，冷頭4的制冷溫度為40K，回?zé)崞?內(nèi)的溫度從熱端到冷端是線性遞減的，正中部溫度為160K左右；脈管5的正中部溫度為200K。本實(shí)施例將熱橋9的兩端分別連接在回?zé)崞?和脈管5的正中部之后，回?zé)崞?中部的溫度便成了 165K，脈管5的正中部的溫度變成了 167K，冷頭4處的溫度則降低到了 28K。該實(shí)施例說(shuō)明有了熱橋9之后，制冷機(jī)可以獲得更低的制冷溫度。實(shí)施例2 :采用圖5所示的兩級(jí)脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)。該制冷機(jī)的工作頻率為23. 5Hz。該制冷機(jī)的回?zé)崞?分成上下兩部分，除了在回?zé)崞?末端依次連接有一級(jí)冷頭
4、一級(jí)脈管5、一級(jí)層流化元件6、一級(jí)調(diào)相器7之外，在上下兩部分回?zé)崞鞯南嘟犹幜硗庖来芜B接有二級(jí)冷頭4’、二級(jí)脈管5’、二級(jí)層流化元件6’和二級(jí)調(diào)相器7’ ；在入口 I與一級(jí)層流化元件6之間和入口 I與二級(jí)層流化元件6’之間分別安裝了一級(jí)雙向進(jìn)氣閥8和二級(jí)雙向進(jìn)氣閥8’ ；回?zé)崞?上部分直徑為30mm,長(zhǎng)度為80mm,下半部分直徑為12mm,長(zhǎng)度為80mm ;脈管5直徑為8mm,長(zhǎng)度為160mm, 二級(jí)脈管5’直徑為12mm,長(zhǎng)度為IOOmm ;二級(jí)熱橋9’ 一端連接在二級(jí)脈管5’的正中部，另一端連接在上半部分回?zé)崞鞯恼胁?；一?jí)熱橋9一端連接在兩段回?zé)崞鞯南嘟犹帲硪欢诉B接在一級(jí)脈管5的正中央。正常工作情況下，制冷機(jī)的二級(jí)冷頭4’制冷溫度為60K，一級(jí)冷頭4的制冷溫度為17K。如果去除二級(jí)熱橋9’，一級(jí)冷頭4溫度基本不變，二級(jí)冷頭4’則變?yōu)?5K ;如果去除一級(jí)熱橋9，一級(jí)冷頭4溫度變?yōu)?5K，二級(jí)冷頭4’溫度則變?yōu)?9K。該實(shí)施例說(shuō)明有了二級(jí)熱橋9’之后，二級(jí)冷頭4’可以獲得更低的制冷溫度，有了一級(jí)熱橋9之后，一級(jí)冷頭4可以獲得更低的制冷溫度。實(shí)施例3 :采用圖6所示的三級(jí)脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)。該制冷機(jī)的工作頻率為25Hz。該制冷機(jī)的回?zé)崞?從入口開(kāi)始，分成了第一(上)、二(中)、三(下)部分，除了在第三部分回?zé)崞鞯哪┒艘来芜B接有一級(jí)冷頭4、一級(jí)脈管5、一級(jí)層流化元件6、一級(jí)調(diào)相器7之外，在第二和第三兩部分回?zé)崞鞯南嘟犹幜硗膺B接有二級(jí)冷頭4’、二級(jí)脈管5’、二級(jí)層流化元件6’、二級(jí)調(diào)相器7’，在第一和第二部分回?zé)崞鞯南嘟犹幜硗膺€連接有第三冷頭4”、第三脈管5”、第三層流化元件6”、第三調(diào)相器7”，在入口 I和一級(jí)層流化元件6之間安裝了雙向進(jìn)氣閥8。第一部分回?zé)崞髦睆綖?0mm,長(zhǎng)度為55mm,第二部分直徑為20mm,長(zhǎng)度為50mm,第三部分直徑為15mm,長(zhǎng)度為30mm 級(jí)脈管5直徑為7mm,長(zhǎng)度為170mm, 二級(jí)脈管5’直徑為IOmm,長(zhǎng)度為150mm,三級(jí)脈管5”直徑為IOmm,長(zhǎng)度為120mm。在第一和第二部分回?zé)崞鬟B接處和在第二和第三部分回?zé)崞鞯倪B接處分別連接一個(gè)第一熱橋9 ;該熱橋的另一端與一級(jí)脈管5相連,正好將脈管5等分成三部分；二級(jí)脈管5’和回?zé)崞髦g連接有第二熱橋9’，該第二熱橋9’的一端連接在三級(jí)冷頭4”上，另一端安裝在二級(jí)脈管5’的正中央。但是在二級(jí)脈管5”和回?zé)崞髦g沒(méi)有安裝熱橋。該制冷機(jī)的輸入聲功約為200W，三級(jí)冷頭4”的溫度為67K，二級(jí)冷頭4’的溫度為17K，一級(jí)冷頭4的最低制冷溫度達(dá)到了 3. 8K。該實(shí)施例說(shuō)明通過(guò)安裝熱橋逐步降低各冷頭制冷溫度，制冷機(jī)最終獲得了液氦以下的制冷溫度。
權(quán)利要求1.一種熱耦合脈沖管制冷機(jī)其包括依次相連通的室溫?fù)Q熱器、回?zé)崞?、冷頭、脈管、層流化元件、調(diào)相器以及連通于室溫?fù)Q熱器入口與調(diào)相器之間連接管路上的雙向進(jìn)氣閥；其特征在于，還包括安裝于所述脈管上的至少一個(gè)熱橋，該熱橋另一端與所述回?zé)崞骰蚺c所述冷頭相連。
2.按權(quán)利要求I所述的熱耦合脈沖管制冷機(jī)，其特征在于，所述的回?zé)崞鞣殖蓛啥位蛘叨喽危诿績(jī)啥沃g的連接位置處連接一內(nèi)部相通的另一冷頭、另一脈管、另一層流化元件和另一調(diào)相器，在另一室溫?fù)Q熱器入口與調(diào)相器之間連接管路上安裝另一雙向進(jìn)氣閥。
3.按權(quán)利要求2所述的熱耦合脈沖管制冷機(jī)，其特征在于，在所述另一脈管上安裝至少一個(gè)另一熱橋，該另一熱橋的另一端與回?zé)崞飨噙B。
4.按權(quán)利要求I或3所述的熱耦合脈沖管制冷機(jī)，其特征在于，所述熱橋和另一熱橋均為一種導(dǎo)熱兀件。
5.按權(quán)利要求I或3所述的熱耦合脈沖管制冷機(jī)，其特征在于，所述的調(diào)相部件和另一調(diào)相器為慣性管、帶氣庫(kù)的慣性管或帶氣庫(kù)的小孔閥。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種熱耦合脈沖管制冷機(jī)，其包括依次相連通的室溫?fù)Q熱器、回?zé)崞?、冷頭、脈管、層流化元件、調(diào)相器以及連通于室溫?fù)Q熱器入口與調(diào)相器之間連接管路上的雙向進(jìn)氣閥；其特征在于，還包括安裝于所述脈管上的至少一個(gè)熱橋，該熱橋另一端與所述回?zé)崞骰蚺c所述冷頭相連。本實(shí)用新型在傳統(tǒng)脈沖管制冷機(jī)的脈管和回?zé)崞髦g連接導(dǎo)熱熱橋，熱橋從回?zé)崞魑±淞繉?duì)脈管內(nèi)的工作氣體進(jìn)行冷卻，減小了脈管靠近冷頭處的溫度梯度，從而減少了冷頭的導(dǎo)熱損失，可以使制冷機(jī)獲得更低制冷溫度和更高的效率。
文檔編號(hào)F25B9/14GK202598941SQ201220120289
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者胡劍英, 羅二倉(cāng), 戴巍, 王曉濤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所