一種帶自預冷脈管的脈管制冷機的製作方法
2023-05-30 23:30:56
專利名稱：一種帶自預冷脈管的脈管制冷機的製作方法
技術領域：
一種帶自預冷脈管的脈管制冷機技術領域[0001]本實用新型涉及低溫製冷技術領域，尤其涉及一種帶自預冷脈管的脈管制冷機。
技術背景[0002]脈管制冷機誕生於20世紀60年代，與斯特林制冷機和G-M制冷機相比，脈管制冷機冷端膨脹腔為一根空管，無運動部件，具有結構緊湊、可靠性高、振動小、壽命長等優勢， 近年來在空間技術、國防軍事、醫學醫療等方面受到了廣泛應用。由於脈管進、出口流道截面的突變和管壁的非絕熱性，在脈管內不可避免地的存在環流損失、阻力損失、管壁導熱損失、穿梭損失、邊界層泵氣損失等，其中僅脈管壁面的非絕熱損失(穿梭損失、導熱損失) 就可佔毛製冷量的20%-60%，嚴重削弱了脈管的製冷性能。脈管管壁的熱損失與管壁溫度梯度以及管內氣體的溫度梯度有關，對於冷熱端溫度跨度較大的脈管制冷機，如20-300K、 4. 2-300K溫區的脈管制冷機，其管壁的非絕熱損失不可忽視。目前脈管的流動損失可通過在進、出口布置層流化元件(如絲網、金屬泡沫層等)進行改善，而脈管管壁熱損失尚無有效方法改善。發明內容[0003]本實用新型的目的在於克服現有脈管制冷機的不足，提供一種能夠減小脈管近冷端的溫度梯度，降低脈管熱損失，從而提高脈管制冷機性能的帶自預冷脈管的脈管制冷機。[0004]帶自預冷脈管的脈管制冷機包括壓縮機、熱端連管、回熱器熱端換熱器、第一回熱器、第一冷端換熱器、第一脈管、第一脈管熱端換熱器、第一調相裝置、第二回熱器、第二冷端換熱器、冷端連管、第二脈管、脈管預冷換熱器、第二脈管熱端換熱器、第二調相裝置；壓縮機、熱端連管、回熱器熱端換熱器、第一回熱器、第一冷端換熱器、第一脈管、第一脈管熱端換熱器、第一調相裝置順次相連，第二回熱器、第二冷端換熱器、冷端連管、第二脈管、脈管預冷換熱器、第二脈管熱端換熱器、第二調相裝置順次相連；脈管上設有預冷換熱器，脈管預冷換熱器與第一冷端換熱器相連。[0005]所述的脈管預冷換熱器的預冷量由多級脈管制冷機提供。所述的脈管預冷換熱器布置在脈管外壁面。所述的脈管預冷換熱器布置在脈管內部，所述脈管的預冷換熱器是絲網填充型、狹縫型等多孔結構。所述的脈管預冷換熱器布置在脈管上壁面溫度高於預冷換熱器溫度的任意位置。所述的脈管預冷換熱器同時布置多個在脈管壁面上不同溫度的位置。所述的脈管制冷機是熱耦合型脈管制冷機、氣耦合型脈管制冷機、G-M型脈管制冷機或斯特林型脈管制冷機。[0006]本實用新型在脈管上布置預冷換熱器，協助熱端換熱器帶走脈管內的熱量，此外預冷換熱器降低了脈管壁面靠近冷端部分的溫度梯度，脈管內的氣體也受到冷卻，從而減少了脈管冷端的熱損失。對於多級脈管制冷機，可直接將自身上一級冷頭或回熱器的冷量通過預冷換熱器供給下一級的脈管，無需其他額外冷源，只需消耗高溫區較小的冷量就可以得到冷頭低溫區性能較大的提升，同時還能加快冷頭降溫速度。本實用新型不同於多路旁通結構的脈管制冷機(專利公告號CN1067499)，脈管與各級冷頭之間無氣路相通，相互獨立，只通過換熱器進行熱傳遞而無質量傳遞，結構簡單，性能穩定。
[0007]圖1是帶自預冷脈管的脈管制冷機結構示意圖；[0008]圖2 (a)是帶自預冷脈管的氣耦合型多級脈管制冷機結構示意圖；[0009]圖2 (b)是帶自預冷脈管的熱耦合型多級脈管制冷機結構示意圖；[0010]圖3是脈管預冷型與無預冷型兩級制冷機實驗結果對比圖。
具體實施方式
[0011]如圖1所示，帶自預冷脈管的脈管制冷機包括壓縮機1、熱端連管2、回熱器熱端換熱器3、第一回熱器4、第一冷端換熱器5、第一脈管6、第一脈管熱端換熱器7、第一調相裝置 8、第二回熱器9、第二冷端換熱器10、冷端連管11、第二脈管12、脈管預冷換熱器13、第二脈管熱端換熱器14、第二調相裝置15 ；壓縮機1、熱端連管2、回熱器熱端換熱器3、第一回熱器4、第一冷端換熱器5、第一脈管6、第一脈管熱端換熱器7、第一調相裝置8順次相連，第二回熱器9、第二冷端換熱器10、冷端連管11、第二脈管12、脈管預冷換熱器13、第二脈管熱端換熱器14、第二調相裝置15順次相連；脈管12上設有預冷換熱器13，脈管預冷換熱器 13與第一冷端換熱器5相連。[0012]所述的脈管預冷換熱器13的預冷量由多級脈管制冷機自身提供。所述的脈管預冷換熱器13可以布置在脈管外壁面。所述的脈管預冷換熱器13可以布置在脈管內部，脈管預冷換熱器是絲網填充型、狹縫型等多孔結構。所述的脈管預冷換熱器13可以布置在脈管上壁面溫度高於預冷換熱器溫度的任意位置。所述的脈管預冷換熱器可以同時布置多個在脈管壁面上不同溫度的位置，如圖2所示。所述的脈管制冷機可以是熱耦合型脈管制冷機、氣耦合型脈管制冷機、G-M型脈管制冷機或斯特林型脈管制冷機。[0013]預冷換熱器需採用導熱良好的銅或鋁等金屬。對於脈管壁面預冷型換熱器，換熱器的結構可以做成兩個與脈管管壁吻合的半圓，管壁與換熱器之間需填入導熱矽膠或銦片等導熱良好的材料以保證兩者完全接觸。對於伸入脈管內部的預冷換熱器，換熱器可以做成狹縫式、絲網填充式等多孔型，換熱器的結構必須是均勻對稱的，以保證氣流流過換熱器不會產生紊亂。[0014]為了驗證本實用新型的有效性，對一臺兩級斯特林型脈管制冷機進行了實驗。第二級脈管長107mm，溫度跨度約為26K-300K，採用第一級冷頭預冷第二級脈管中部距離冷頭57mm處，壁面預冷。實驗結果如圖3所示，與無預冷脈管的情況相比，在相同的輸入工況下，帶預冷脈管的脈管制冷機第二級最低製冷溫度從26. 6K下降到18. 1K，脈管所需預冷量為 1. 35ffi82. 9K。
權利要求1.一種帶自預冷脈管的脈管制冷機，包括壓縮機(1)、熱端連管(2)、回熱器熱端換熱器(3)、第一回熱器(4)、第一冷端換熱器(5)、第一脈管(6)、第一脈管熱端換熱器(7)、第一調相裝置(8)、第二回熱器(9)、第二冷端換熱器(10)、冷端連管(11)、第二脈管(12)、脈管預冷換熱器(13)、第二脈管熱端換熱器(14)、第二調相裝置(15);壓縮機(1)、熱端連管 (2)、回熱器熱端換熱器(3)、第一回熱器(4)、第一冷端換熱器(5)、第一脈管(6)、第一脈管熱端換熱器(7)、第一調相裝置(8)順次相連，第二回熱器(9)、第二冷端換熱器(10)、冷端連管(11)、第二脈管(12)、脈管預冷換熱器(13)、第二脈管熱端換熱器(14)、第二調相裝置 (15)順次相連；其特徵在於脈管(12)上設有預冷換熱器(13)，脈管預冷換熱器(13)與第一冷端換熱器(5)相連。
2.根據權利要求1所述的一種帶自預冷脈管的脈管制冷機，其特徵在於所述的脈管預冷換熱器(13)的預冷量由多級脈管制冷機提供。
3.根據權利要求1所述的一種帶自預冷脈管的脈管制冷機，其特徵在於所述的脈管預冷換熱器(13)布置在脈管外壁面。
4.根據權利要求1所述的一種帶自預冷脈管的脈管制冷機，其特徵在於所述的脈管預冷換熱器(13)布置在脈管內部，所述的脈管預冷換熱器是絲網填充型、狹縫型等多孔結構。
5.根據權利要求1所述的一種帶自預冷脈管的脈管制冷機，其特徵在於所述的脈管預冷換熱器(13)布置在脈管上壁面溫度高於預冷換熱器溫度的任意位置。
6.根據權利要求1所述的一種帶自預冷脈管的脈管制冷機，其特徵在於所述的脈管預冷換熱器(13)同時布置多個在脈管壁面上不同溫度的位置。
7.根據權利要求1所述的一種帶自預冷脈管的脈管制冷機，其特徵在於所述的脈管制冷機是熱耦合型脈管制冷機、氣耦合型脈管制冷機、G-M型脈管制冷機或斯特林型脈管制冷機。
專利摘要本實用新型公開了一種帶自預冷脈管的脈管制冷機。壓縮機、熱端連管、回熱器熱端換熱器、第一回熱器、第一冷端換熱器、第一脈管、第一脈管熱端換熱器、第一調相裝置順次相連，第二回熱器、第二冷端換熱器、冷端連管、第二脈管、脈管預冷換熱器、第二脈管熱端換熱器、第二調相裝置順次相連，脈管預冷換熱器與第一冷端換熱器相連。本實用新型在脈管上設有預冷換熱器，減小了脈管近冷端的溫度梯度，降低了脈管的熱損失，同時可以協助脈管熱端帶走管內氣體的熱量，從而提高冷頭的製冷性能。對於多級脈管制冷機，下一級脈管的預冷量由上一級冷頭或回熱器提供，只消耗高溫區較小的冷量預冷脈管，就可以得到低溫區冷頭性能較大的提高。本實用新型操作簡單，容易實現。
文檔編號F25B9/14GK202304059SQ20112035919
公開日2012年7月4日 申請日期2011年9月23日 優先權日2011年9月23日
發明者曹強, 植曉琴, 甘智華, 邱利民 申請人:浙江大學