液體活塞功回收型脈管制冷系統的製作方法

2023-10-04 07:43:54 3

本實用新型涉及脈管制冷裝置。更具體地，涉及一種採用液體活塞進行功回收的液體活塞功回收型脈管制冷系統。

背景技術：

脈管制冷機最早由美國的Gifford和Longswoth發明，其由回熱器、脈管、熱端換熱器、冷端換熱器以及調相裝置等部分組成，由於該制冷機在低溫下沒有運動部件從而避免了低溫下的密封、磨損以及振動等問題，所以具有結構緊湊、振動低、長壽命等優點，在、空間技術、超導電子學、紅外探測、低溫生物醫學等方面有著非常廣泛的應用前景。

雖然脈衝管制冷機的誘人之處在於其去除了低溫區的運動部件-排出器，但是其必須附加有效的調節器來補償被消除的排出器的功能，所以使得系統變得複雜，特別是調相氣庫的存在，使得系統的體積較大。而且調相裝置在改善壓力與體積流率之間的相位關係的同時，也消耗了一部分聲功，沒有充分利用進入系統中的聲功，所以對於未採用功回收裝置的脈管制冷機而言，其循環效率極限為TC/TH，低於理想Carnot製冷循環的極限循環效率TC/(TH-TC)。

近年來，脈衝管制冷機在液氮溫區和10K以下溫區發展迅速。其中液氮溫區主要的發展方向為大冷量斯特林型脈衝管制冷機，10K以下溫區主要的發展方向為GM低頻脈衝管制冷機和多級斯特林型脈衝管制冷機。在液氮溫區獲取大冷量以及獲取10K以下的極低溫度，均需要提高脈衝管制冷機的輸入功率，在調相裝置中消耗的聲功也顯著提升，使得系統效率較低。另外對於10K以下的低頻脈衝管制冷機，其所需的調相角度也顯著提高，調相系統也面臨調相能力不足的問題。所以針對脈衝管制冷機發展中存在的主要問題，可行的方法是探索功回收調相脈管制冷機，可以同時解決聲功耗散以及調相能力不足的問題。

現有的功回收調相脈管制冷機中，已有利用吸附器良好的容抗和感抗效應，取代傳統脈管制冷機中的氣庫和慣性管，從而達到制冷機工作所需的最佳相移量，但該裝置無法解決脈衝管中聲功在調相裝置內耗散的問題，因此制冷機效率較低；也有依靠動質量模塊慣性、慣性管或閥門阻力等形成壓力波動相位領先體積流率的阻抗邊界調節，增加了調相能力，但系統中仍包含小孔氣庫等裝置，系統複雜且未完全消除調相裝置消耗的聲功；還有通過將脈管設置為1/4波長的長頸管調節制冷機內部壓力波與體積流之間的相位，省去了原有的被動或主動調相裝置。但是該方法其要求長頸管為1/4波長，而制冷機的溫度、頻率和壓力等均會對波長產生影響，使得該發明較難實現。

基於以上不足，需要提供一種功回收效果好、結構簡單緊湊、調相能力強且可動態調節脈衝管的相位的脈管制冷系統。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種液體活塞功回收型脈管制冷系統，通過在調相裝置內設有液體活塞，實現了同時對製冷系統的相位的調節和功(例如，聲功)的回收，同時還使得系統結構更緊湊、方便使用且系統製冷效率高效。

為達到上述目的，本實用新型採用下述技術方案：

一種液體活塞功回收型脈管制冷系統，它包括依次順序連接的壓力波發生器、室溫端換熱器、蓄冷器、冷端換熱器、脈管、脈管熱端換熱器和調相裝置，所述調相裝置的出口與脈管熱端換熱器或壓力波發生器和室溫端換熱器間的管路相連，所述調相裝置內設有液體活塞。

優選地，所述液體活塞採用的液體為室溫液態金屬、水銀、水和酒精中的一種。更優選地，所述液體活塞採用的液體為室溫液態金屬或水銀。例如，室溫液態金屬可為鎵銦合金、鎵銦錫合金等。前述室溫液態金屬或水銀的密度大，相同體積下，往復震蕩產生的慣性力也大，結合對氣體的壓縮膨脹效應，能有效的調節脈管制冷系統內的相位且實現功的回收；同時，這些液體不會蒸發從而汙染氣體工質；此外，這些液體的粘度小，流動阻力也能相應的降低到最低。更為優選地，液體活塞採用的液體為水銀。

優選地，所述調相裝置為內設有液體活塞的U型管、直管、螺旋管和L型管中的一種。選擇這幾種形狀的管狀的調相裝置，能較為有效的實現相位的調節；更為優選地，所述調相裝置為內設有液體活塞的U型管。此時的調相裝置不僅調相效果好且能有效的防止功的損耗。

優選地，在所述調相裝置的出口與脈管熱端換熱器或壓力波發生器與室溫端換熱器間的管路相連的管路上設有阻力調節裝置。通過調節阻力調節裝置的開度，可以方便的調節調相裝置出口側氣體工質的剛度，從而使得功的回收與相位調節效果達到最優值。進一步地，較為優選的阻力調節裝置可選自但不限於選自調節閥、毛細管和噴嘴中的一種。

本實用新型中的壓力波發生器可為低頻發生器也可為高頻發生器。較為優選地壓力波發生器可為GM型低頻發生器、VM型低頻發生器、斯特林型高頻發生器和熱聲型發生器中的一種。

優選地，所述脈管熱端換熱器與調相裝置間通過長頸管連接，從而能進一步促進相位的調節；冷端換熱器與脈衝管間通過冷頭連接管連接。

優選地，所述製冷系統採用的氣體工質為氦氣。

優選地，所述液體為水或乙醇時，在製冷系統中的氣體工質與水或乙醇間設置有隔離結構；優選地，所述隔離結構為膜結構。

本實用新型中，所述製冷系統優選地結構為直線型、U型和同軸型中的一種；所述製冷系統為單級脈管制冷系統或雙級脈管制冷系統。

本實用新型的有益效果如下：

本實用新型中通過在調相裝置內設有液體活塞進行調相，充分利用了高密度液體往復震蕩產生的慣性力以及對氣體的壓縮膨脹效應，調節製冷系統內的相位關係和回收功，使得系統的效率更加高效、緊湊、方便使用；另外，由於採用液體活塞調相未引入任何其他機械部件，相比其他主動調相方式而言，不存在磨損等問題，制冷機壽命得到大幅提高；此外，液體活塞的設置也可有效避免雙向進氣引起的Gedeon直流。

本實用新型中充分利用了液體往復運動時產生的慣性力，以及液體對功的損耗程度低，從而形成液體活塞有效的將功回收；其不僅可以為蓄冷器提供合適的相位關係，也使得系統的極限制冷效率提升至Carnot製冷循環的極限循環效率。

本實用新型中調相裝置中液體活塞的設置消除了小孔-氣庫、長徑管-氣庫、雙向進氣等結構，使得脈管制冷系統的結構更緊湊、方便使用，且雙向進氣結構的去除有效避免了Gedeon直流的影響。

本實用新型中對於低頻脈衝管制冷機以及40K以下溫區小冷量脈衝管制冷機中調相不足的問題也都能很好的解決。

附圖說明

下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1出了本實用新型實施例1的液體活塞功回收型脈管制冷系統的結構。

圖2中a～d示出了本實用新型實施例1的液體活塞功回收型脈管制冷系統中U型管內液體震蕩過程。

圖3示出了本實用新型實施例2的液體活塞功回收型脈管制冷系統的結構。

具體實施方式

為了更清楚地說明本實用新型，下面結合優選實施例和附圖對本實用新型做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本實用新型的保護範圍。

實施例1

如圖1示出了本實用新型實施例1的液體活塞功回收型脈管制冷系統的結構：它包括依次順序連接的壓力波發生器1，例如，VM型低頻發生器、室溫端換熱器2、蓄冷器3、冷端換熱器4、脈管6、脈管熱端換熱器7和調相裝置9。其中，壓力波發生器1通過連接管與室溫端換熱器2相連，冷端換熱器4通過冷頭連接管5與脈管6相連，脈管熱端換熱器7與調相裝置9(裝有液體水銀的U型管)的入口通過連接管路連接，調相裝置9的出口通過管路與脈管熱端換熱器7連通，且管路上設有阻力調節裝置調節閥8。脈管制冷系統中的氣體工質為氦氣。

上述液體活塞功回收型脈管制冷系統的工作過程如下：從壓力波發生器1發出的聲功依次進入室溫端換熱器2、蓄冷器3、冷端換熱器4、脈管6和脈管熱端換熱器7，從而在冷端換熱器4處產生冷量。從脈管熱端換熱器7出來的聲功通過連接管路從U型管的入口進入U型管內，在聲功形成的壓力波的驅動下，U型管內的水銀在U型內做往復運動，形成液體活塞。一個壓力波周期內，液體的震蕩過程示意圖如圖2中a～d所示：隨著壓力波的增大，U型管內入口端的壓力由平衡壓力升高至最大壓力時，U型管內入口側(左側)液體液面下降，出口側(右側)液體液面升高，左右液體液面形成高度差H1(a)，同時右側液面之上的氣體工質氦氣被壓縮，此時功在調相裝置內以液體的重力勢能以及右側U型管內氣體工質的壓縮能存儲；隨著左側壓力由最高值下降至平均壓力時，U型管中存儲的能量釋放(b)，功回收至脈管內；隨著左側壓力的進一步下降至最低壓力時，U型管內右側液面下降，左側液面上升，左右液面形成高度差H2(c)，此時，右側液面之上的氣體工質膨脹，繼續對脈管做功；當壓力從最低壓力上升至平均壓力(d)時，脈管中存儲的功釋放入U型管內。從而完成一個壓力波周期，實現了功的回收。此外，通過上述液體活塞的慣性質量，可對脈管出口壓力波和質量流的相位進行調節。其中，在脈管制冷系統的工作過程中，通過控制調節閥的開度，能方便的調節U型管右側液體之上的氣體工質的剛度，使得功回收與相位調節達到最優值。

實施例2

如圖3示出了本實用新型實施例2的液體活塞功回收型脈管制冷系統的結構，其與實施例1中基本相同，唯一的區別在於：調相裝置9的出口通過管路與壓力波發生器1和室溫端換熱器間的管路相連，且該管路上設有阻力調節裝置，例如調節閥8，U型管內的液體為鎵銦合金，其餘條件不變。從而實現功的回收和對此製冷系統的相位的調節。在脈管制冷系統的工作過程中，控制調節閥8的開度，能方便的調節U型管右側液體之上的氣體工質的剛度，使得功回收與相位調節達到最優值，且通過控制此調節閥8，還能更明顯的實現促進對脈管相位的調節。

顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而並非是對本實用新型的實施方式的限定，對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這裡無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬於本實用新型的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本實用新型的保護範圍之列。