一種蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置的製作方法

2023-10-10 03:37:49 1

專利名稱：一種蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於製冷與低溫技術領域，特別涉及一種蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置。
背景技術：
小型低溫制冷機在軍事、空間技術、低溫電子學、低溫醫學、低溫生物學、天然氣液化等許多領域有著廣泛的應用背景。近年來，小型低溫製冷技術在民用科技和國防科技中的重要性日益增加。隨著各種紅外和超導電子學器件和產品進入實用化階段，小型低溫制冷機得到了迅速發展，為這些相關的技術器件低溫提供有效的低溫冷源，保證其正常工作。
脈衝管制冷機是近年來得到迅速發展的一種氣體回熱式機械制冷機。它具有結構簡單、運行可靠、機械振動小、效率高、壽命長等優點。特別是在抗電磁幹擾、降低振動和長壽命方面優勢明顯。它可與各種器件配合形成小型特種儀器，在軍事武器(如夜視儀)，超導技術(如SQUID器件)，科研及工業(如紅外熱像儀)，醫療儀器設備(如醫用局部MRI)，移動通信基站(超導過濾器)等領域具有較大的優越性和廣泛的應用前景。
脈衝管制冷機主要由壓縮機、蓄冷器、脈衝管和各種熱端調相機構組成。目前主要有3種布置方式，即直線型、並列型(U型)和同軸型。區別主要在於脈衝管和蓄冷器之間的連接方式和位置不同。直線型脈衝管制冷機的蓄冷器和脈衝管布置在一條直線上，因此流動阻力最小，但由於冷頭位於製冷器的中部，不利於與器件耦合且結構不緊湊；同軸型脈衝管制冷機，將脈衝管套設在蓄冷器中，兩者同軸布置，其結構緊湊，冷頭可直接與器件耦合，缺點是脈衝管和蓄冷器軸向溫度梯度不一致，使得兩者之間的耦合傳熱增大，另外工質流經脈衝管冷頭時轉向180度，流動阻力較大且流場分布不夠均勻；U型脈衝管制冷機，將脈衝管和蓄冷器並列布置，與直線型相比，其優點是冷頭在同一側，便於與器件耦合，與同軸型相比，效率較高。
通常情況下，單級脈衝管制冷機直接降低到20K以下溫區存在較大困難。為進一步降低製冷溫度，且滿足不同溫區製冷量的需要，需採用多級布置方案。
公知的兩級脈衝管的結構方式有以下三種布置方式其一，採用各級脈管的熱端均處於室溫，冷端與同級蓄冷器相聯，各級蓄冷器為同一氣路，這樣可以減小冷損，稱之為並行結構。但是，這種結構各級之間氣體相互影響，不宜進行氣體的合理分配和運行工作參數的優化。其二，下一級脈衝管制冷機的熱端與上一級脈管制冷機的冷端相連，用前級制冷機直接預冷後級制冷機的熱端。稱之為串行結構。這種結構不便於對後級脈衝管制冷機的熱端調相機構的優化。其三，採用各級脈衝管制冷機相互獨立，用前級脈衝管制冷機的冷端通過熱橋冷卻下一級回熱器的中部。這樣可以避免各級之間的相互幹擾，便於分別採用不同的調相機構，頻率，充氣壓力等參數進行性能優化。但是這種布置方案結構不緊湊，而且前後級熱橋連接處不可逆損失比較大，一級冷頭和二級蓄冷器連接處有較大的溫差，不能達到充分預冷的目的。

發明內容
本實用新型的目的是為了克服已有的兩級脈衝管制冷機布置方案的不足，而提供一種蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置；該製冷裝置不僅能減少一、二級之間的換熱損失，而且還省去了熱橋，結構更加緊湊，並且可以對一、二級脈衝管制冷機工作參數和熱端調相機構進行分別優化，從而達到更好的製冷效果。
本實用新型的技術方案如下本實用新型提供的蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置，包括一臺或兩臺壓縮機；
一臺通過進氣管2與所述至少一臺壓縮機相連通的熱端換熱器5；和一級制冷機和二級制冷機；其特徵在於，所述一級制冷機和二級制冷機並聯地安裝於熱端換熱器5；所述一級制冷機的脈衝管和蓄冷器採用並列布置的U型結構或同軸結構；所述二級制冷機的脈衝管和蓄冷器採用並列布置的U型結構；所述一級制冷機的一級氣庫10通過第一熱端調相機構與一級制冷機的一級脈衝管7相連；所述第一熱端調相機構由串連的第一慣性管9、第一小孔閥4和第一雙向閥3組成；所述二級制冷機的二級氣庫18通過第二熱端調相機構與二級制冷機的二級脈衝管15相連通；所述第二熱端調相機構由串連的第二慣性管17、第二小孔閥16和第二雙向閥11組成。
所述一級制冷機的一級蓄冷器6管內充填有緊密疊壓的不鏽鋼絲網薄片，其管內中部充填紫銅換熱器；所述二級制冷機的二級蓄冷器13管內高溫段充填有緊密疊壓的不鏽鋼絲網薄片，管內低溫段13充填有不鏽鋼絲網薄片+小鉛球，高低溫級蓄冷器之間充填紫銅換熱器。所述一級制冷機的一級冷頭8和二級制冷機的二級冷頭14均為紫銅材質的冷頭。
所述一級制冷機冷頭也可與二級脈衝管中部相連。
本實用新型的蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置，各級脈衝管制冷機具有獨立氣路，脈衝管制冷機由一臺或兩臺壓縮機驅動，各級蓄冷器同軸布置，利用第一級制冷機對第二級制冷機的高溫段進行預冷卻，具有級聯熱損失小、結構簡單緊湊、便於調節工作參數，可以達到更低的製冷溫度和獲得更大的製冷量等優點。


圖1為本實用新型的蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置(單臺壓縮機驅動)的結構示意圖；圖2為本實用新型的蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置(兩臺壓縮機驅動)的結構示意圖；
圖3為本實用新型的蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置(一級製冷級為同軸結構)的結構示意圖；其中壓縮機1，19 進氣管2 第一雙向閥3第一小孔閥4 熱端換熱器5 一級蓄冷器6一級冷頭8 一級脈衝管7 第一慣性管9第一氣庫10第二雙向閥11級高溫級蓄冷器二級低溫級蓄冷器13二級冷頭14 二級脈衝管15第二小孔閥16 第二慣性管17第二氣庫18具體實施方式
以下結合附圖及實施例進一步描述本實用新型。
圖1和圖2為本實用新型的兩個實施例的結構示意圖；有圖可知，本實用新型提供的蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置，包括一臺或兩臺壓縮機；一臺通過進氣管2與所述至少一臺壓縮機相連通的熱端換熱器5；和一級制冷機和二級制冷機；其特徵在於，所述一級制冷機和二級制冷機並聯地安裝於熱端換熱器5；所述一級制冷機的脈衝管和蓄冷器採用並列布置的U型結構或同軸結構；所述二級制冷機的脈衝管和蓄冷器採用並列布置的U型結構；所述一級制冷機的一級氣庫10通過第一熱端調相機構與一級制冷機的一級脈衝管7相連；所述第一熱端調相機構由串連的第一慣性管9、第一小孔閥4和第一雙向閥3組成；所述二級制冷機的二級氣庫18通過第二熱端調相機構與二級制冷機的二級脈衝管15相連通；所述第二熱端調相機構由串連的第二慣性管17、第二小孔閥16和第二雙向閥組成。
所述一級制冷機的一級蓄冷器6管內充填有緊密疊壓的不鏽鋼絲網薄片，其管內中部充填紫銅換熱器；所述二級制冷機的二級蓄冷器管內高溫段12充填有緊密疊壓的不鏽鋼絲網薄片，管內低溫段13充填有不鏽鋼絲網薄片+小鉛球，高低溫級蓄冷器之間充填紫銅換熱器。所述一級制冷機的一級冷頭8和二級制冷機的二級冷頭14均為紫銅材質的冷頭。
圖1本實用新型的蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置(單臺壓縮機驅動)的結構示意圖工質從一臺第一壓縮機1中出來，通過進氣管2進入熱端換熱器5，其中一部分工質進入一級蓄冷器6，另一部分工質進入二級蓄冷器12，一級脈衝管制冷機的一級脈衝管7和一級蓄冷器6採用並列布置的U型結構，緊密疊壓的不鏽鋼絲網薄片同軸填充在一級蓄冷器6和二級蓄冷器13中；其中在兩級蓄冷器管內中部還填有導熱性能好的紫銅換熱器；一級脈衝管7後面連接熱端調相機構(小孔+雙向+慣性管+氣庫)。二級脈衝管制冷機也採用U型結構，二級蓄冷器管內部是高溫段12由緊密壓制的不鏽鋼絲網薄片組成，低溫段13由不鏽鋼絲網薄片+小鉛球填充組成。第二級脈衝管後面也連接有熱端調相機構。一、二級冷頭均為紫銅材料。
圖2為本實用新型的蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置(兩臺壓縮機驅動)的結構示意圖對於一級脈衝管制冷機，它由一臺壓縮機1通過進氣管2並經過熱端換熱器5和一級脈衝管制冷機的一級蓄冷器6相連，一級脈衝管制冷機的一級脈衝管7和一級蓄冷器6採用並列布置的U型結構，蓄冷器管內部是由緊密壓制的不鏽鋼絲網薄片組成，同軸填充在一級蓄冷器6和二級蓄冷器12、13中。其中在兩級蓄冷器中部填有導熱性能好的紫銅換熱器。一級脈衝管7後面連接熱端調相機構(小孔+雙向+慣性管+氣庫)。對於二級脈衝管制冷機，它由另一臺壓縮機11通過連接管並經過熱端法蘭與二級脈衝管制冷機的蓄冷器12相連，二級脈衝管制冷機也採用U型結構，二級蓄冷器管內部是高溫段由緊密壓制的不鏽鋼絲網薄片組成，低溫段由不鏽鋼絲網薄片+小鉛球填充組成。二級脈衝管後面也連接有熱端調相機構。一、二級冷頭均為紫銅材料。
圖3為本實用新型的蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置(一級制冷機同軸結構)的結構示意圖對於一級脈衝管制冷機，它由一臺壓縮機1通過進氣管2並經過熱端換熱器5和一級脈衝管制冷機的一級蓄冷器6相連，一級脈衝管制冷機的一級脈衝管7和一級蓄冷器6採用同軸布置結構，蓄冷器管內部是由緊密壓制的不鏽鋼絲網薄片組成，同軸填充在一級蓄冷器6和二級蓄冷器12、13中。其中在兩級蓄冷器中部填有導熱性能好的紫銅換熱器。一級脈衝管7後面連接熱端調相機構(小孔+雙向+慣性管+氣庫)。對於二級脈衝管制冷機，它由另一臺壓縮機11通過連接管並經過熱端法蘭與二級脈衝管制冷機的蓄冷器12相連，二級脈衝管制冷機採用U型結構，二級蓄冷器管內部是高溫段由緊密壓制的不鏽鋼絲網薄片組成，低溫段由不鏽鋼絲網薄片+小鉛球填充組成。二級脈衝管後面也連接有熱端調相機構。一、二級冷頭均為紫銅材料。
本實用新型的工作原理為，第一級蓄冷器中的溫度要低於第二級蓄冷器的高溫段，採用蓄冷器同軸套設布置，可以使一、二級蓄冷器沿程換熱，從而減小換熱溫差。即減小換熱不可逆熱損失。從而降低第二級蓄冷器的溫度。使第二級脈衝管制冷機能夠達到一個更低的製冷溫度。
權利要求1.一種蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置，包括一臺或兩臺壓縮機；一臺通過進氣管(2)與所述至少一臺壓縮機相連通的熱端換熱器(5)；和一級制冷機和二級制冷機；其特徵在於，所述一級制冷機和二級制冷機並聯地安裝於熱端換熱器(5)；所述一級制冷機的脈衝管和蓄冷器採用並列布置的U型結構或同軸結構；所述二級制冷機的脈衝管和蓄冷器採用並列布置的U型結構；所述一級制冷機的一級氣庫(10)通過第一熱端調相機構與一級制冷機的一級脈衝管(7)相連；所述第一熱端調相機構由串連的第一慣性管(9)、第一小孔閥(4)和第一雙向閥(3)組成；所述二級制冷機的二級氣庫(18)通過第二熱端調相機構與二級制冷機的二級脈衝管(15)相連通；所述第二熱端調相機構由串連的第二慣性管(17)、第二小孔閥(16)和第二雙向閥(11)組成。
2.按權利要求1所述的蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置，其特徵在於，所述一級制冷機的一級蓄冷器(6)管內充填有緊密疊壓的不鏽鋼絲網薄片，其管內中部充填紫銅換熱器；所述二級制冷機的二級蓄冷器管內高溫段(12)充填有緊密疊壓的不鏽鋼絲網薄片，管內低溫段(13)充填有不鏽鋼絲網薄片+小鉛球，管內中部充填紫銅換熱器。
3.按權利要求1所述的蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置，其特徵在於，所述一級制冷機的一級冷頭(8)和二級制冷機的二級冷頭(14)均為紫銅材質的冷頭。
專利摘要本實用新型涉及一種蓄冷器同軸布置的兩級脈衝管制冷裝置，包括壓縮機；通過進氣管與壓縮機相連通的熱端換熱器；和一級及二級制冷機；一級和二級制冷機並聯地安裝於熱端換熱器；一級制冷機的脈衝管和蓄冷器為並列布置的U型或同軸結構；二級制冷機的脈衝管和蓄冷器為並列布置的U型結構；一級氣庫通過第一熱端調相機構與一級脈衝管相連；二級氣庫通過第二熱端調相機構與二級脈衝管相連通；所述熱端調相機構均由串連的慣性管、小孔閥和雙向閥組成。其各級制冷機具有獨立氣路，各級蓄冷器同軸布置，利用一級制冷機對二級制冷機高溫段預冷卻，具有級聯熱損失小、結構簡單緊湊、便於調節工作參數，可達到更低製冷溫度和獲得更大製冷量等優點。
文檔編號F25B9/14GK2884056SQ20052013654
公開日2007年3月28日 申請日期2005年12月20日 優先權日2005年12月20日
發明者梁驚濤, 王國平, 靖葳, 蔡京輝, 楊魯偉 申請人:中國科學院理化技術研究所