CN1083970C - 常规气体制冷机驱动的可逆脉管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明属制冷与低温技术领域。它是由常规气体制冷机(G-M或斯特林制冷机等)做为前级，以驱动的后级可逆脉管制冷机。脉管制冷部分的配气活塞与前级制冷机的膨胀活塞相连，借助前级膨胀活塞的运动实现可逆脉管制冷过程。脉管制冷的回热器的热端与前级的冷腔连通。这样，构成了两级串联的混合制冷过程。本发明结合了常规气体制冷机和脉管制冷机的优点，不仅可靠性高、寿命长，且结构简单、紧凑，效率高。

Description

常规气体制冷机驱动的可逆脉管制冷机
本发明属制冷与低温技术领域。
脉管制冷机是一种新型的回热式气体制冷机，它可为红外遥感遥测、军用夜视***、高温超导SQUID器件、低温固体电子学器件等提供高可靠性的冷源。制冷温度可从液氦温度到100K。
脉管制冷法利用压力周期性变化的气流在一根低导热率的管中振荡来完成制冷过程，它省去了常规回热式制冷机中的冷腔运动部件，具有结构简单、运转可靠、寿命长等优势。通常小孔脉管制冷机由压力波发生器、冷却器、回热器、脉管、冷端换热器、小孔和气库组成，它们依次相联，构成了制冷机的封闭***。不足之处是其制冷能力和效率略低。实用新型专利No.92208622.2提出了双向进气可逆脉管制冷机，采用一配气活塞来替代小孔和气库的作用，使得制冷机效率提高，且结构紧凑。常规的气体制冷机包括G-M制冷机、斯特林制冷机和索尔文制冷机等。目前已有的常规双级G-M或斯特林制冷机制冷温度可达20K以下，甚至液氦温度。下面以双级G-M制冷机为例来看，图1是其的结构示意图。图中1分别是高、低压阀，与压力波动源相通，通过交替地接通高、低压气源，提供压力波动。2是制冷机的热腔；3是第一级回热器，它的蓄冷材料放入膨胀活塞中，使得结构紧凑；4是第一级冷腔(冷端换热器)，气流通过第一级回热器后，一部分在冷腔中膨胀制冷；5是第二级回热器，通过第一级回热器的另一部分气流，进入其中；6是第二级冷腔，流过第二级回热器的气流在此膨胀制冷，形成制冷机的最低制冷温度。另外双级斯特林的膨胀机部分也与图1雷同。可见双级常规气体制冷机的缺点是冷端有膨胀机，可靠性和寿命较低，且结构复杂，加工难度和费用较高。
本发明的目的是结合常规气体制冷机和脉管制冷机的优点，提供一种能工作在深低温区的多级制冷机，它不仅具有可靠性高、寿命长等优点，且结构简单、紧凑，效率高。
本发明的目的是这样实现的，在原有G-M或斯特林制冷机的膨胀活塞上加上一段活塞，其安置在脉管制冷机的热端，以替代小孔和气库的作用，完成对脉管热端气体流速和压力相位的匹配。脉管制冷的回热器与前级的冷腔联通。这样构成了两级串联制冷过程，前级为常规气体制冷过程，后级为可逆脉管制冷过程已有的理论分析结果和实验结果表明：可逆脉管制冷所需配气活塞的运动规律恰好与常规气体制冷机膨胀活塞的运动规律非常接近，两者如上的串联方式可以很好地实现两级的工作过程，实现深低温区制冷。
采用本发明，深低温区工作的是可逆脉管制冷部分，因而，双级制冷机的结构简单，可靠性高、寿命长。利用了脉管热端的膨胀活塞，实现了脉管热端的可逆过程，与现有脉管技术相比制冷量大、效率高。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为双级G-M制冷机的结构示意图。
图2是本发明的结构原理图。
图3是本发明的脉管同轴布置实施方案。
图4是本发明的另一实施例。
图2中前级常规气体制冷机只给出冷端膨胀机部分，它可以是G-M机或斯特林机等。图中1是前级常规气体制冷机的膨胀活塞，蓄冷材料填在其中，又构成了前级的回热器；2是前级的冷腔；3是脉管制冷的配气活塞；4是配气活塞腔，5是脉管；6是冷端换热器；7是脉管制冷的回热器。
在图2中，第一级制冷由常规制冷机完成，气体经过回热器，在冷腔2中制冷。配气活塞3与膨胀活塞1连在一起，这样，配气活塞与膨胀活塞具有相同的运动规律。配气活塞的扫气容积依据脉管的容积和压比的大小确定。配气活塞腔直接与脉管的热端联通，完成对脉管热端气体流速和压力相位的调节作用，同时它还具有增大脉管中压比的作用。实施中，冷腔2和配气活塞腔之间应有良好的动密封，以减少两者之间的漏气。脉管制冷的回热器7的热端与前级冷腔2联通，回热器7的冷端通过冷端换热器6与脉管连成一体呈U形布置。如此构成了第二级可逆脉管制冷过程。
图3中可逆脉管制冷部分是按照同轴形式布署的，它的连接方案实质上与图2相同，只是脉管5放入回热器7的中部。该种布置形式结构紧凑，实用性更强。
在图4所示的另一实施例中，前级制冷机和可逆脉管热端部分的连接与图2相同。可逆脉管制冷部分采用了多路旁通方案。脉管和回热器各分成直径不等的两段，中部采用旁通管和节流元件8连通。
在本发明中，以图2实施例为例，前级的常规制冷机也可以是双级制冷机，图2中2可以是双级制冷机的第二级冷腔。对于技术上熟练的人，对本发明作各种修正亦属本发明的范围。

Claims (5)

1.一种常规气体驱动的可逆脉管制冷机，为由常规制冷机作前驱动后级可逆脉管制冷形成深低温区工作的多级制冷机，可逆脉管制冷部分由配气活塞、配气活塞腔、脉管、冷端换热器和回热器组成，其特征在于：可逆脉管制冷部分的配气活塞与前级制冷机的膨胀活塞相连，配气活塞与前级制冷机的运动轨迹相同，脉管制冷的回热器与前级制冷机的冷腔相连，前级常规制冷机与后级可逆脉管制冷串联。
2.按权利要求1所述的常规气体驱动的可逆脉管制冷机，其特征在于，所述前级常规制冷机为G-M制冷机、斯特林制冷机或索尔文制冷机。
3.按权利要求1所述的常规气体驱动的可逆脉管制冷机，其特征在于，可逆脉管制冷的脉管和回热器的布置方式为U形或同轴形。
4.按权利要求1所述的常规气体驱动的可逆脉管制冷机，其特征在于，所述前级常规制冷机为双级制冷机。
5.按权利要求1所述的常规气体驱动的可逆脉管制冷机，其特征在于，所述可逆脉管制冷制冷部分采用多路进气。
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