[發明專利]帶有彈性氣庫的脈管制冷機

無效

• 申請號: 201010161631.3
• 申請日: 2010-04-30
• 公開（公告）號: CN101832675A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發明（設計）人: 曹強;邱利民;甘智華
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明涉及一種帶有彈性氣庫的脈管制冷機，它適用于小孔型、雙向進氣型、慣性管型或者雙向進氣與慣性管聯合調相型等各種應用氣庫的脈管制冷機。

背景技術

脈管制冷機是20世紀60年代由美國的Gifford和Longthworth共同的提出的。當時的脈管制冷機為基本型脈管制冷機，實驗中達到了124K的最低溫度。這個性能與斯特林、GM制冷機相比相去甚遠。因此，相關的研究一度中斷，直到20年后前蘇聯的Mikulin提出小孔型，脈管制冷機才進入了飛速發展期。九十年代雙向進氣型、慣性管型以及四閥型、雙活塞型等結構形式紛紛出現，極大地提高了脈管制冷機的性能，其中雙向進氣型、慣性管型以及兩者的綜合是當今的主流形式。應該指出，不管是小孔型還是雙向進氣型、慣性管型，對脈管制冷機改進的一個重要方面是調相機構的優化，而這三種形式又無一例外的采用了大體積的氣庫。

理想的氣庫，氣庫體積無窮大，其內部保持平均壓力，沒有壓力波動。對于實際氣庫，體積總是有限的，但氣庫容積越大越好，使得壓力波動盡可能小。

實際應用中氣庫體積應該大到一定程度，使得相比于理想氣庫其性能下降得不多。有的學者采用簡化的模型，針對小孔型和雙向進氣型進行了熱力學分析，分析表明制冷機內不可逆損失隨氣庫容積的減小而增大，同時指出氣庫至少應大于五倍的脈管體積以上，才使得氣庫的影響降低到較小的水平。而著名脈管制冷機專家Radebaugh博士總結了眾多的實例，并結合數值模型分析指出，氣庫體積應該為脈管體積的50倍左右。

對于幾千瓦輸入功的GM型脈管制冷機，氣庫的容積通常達到幾升的量級，而對于輸入功百瓦級的斯特林型脈管制冷機，氣庫容積也達到幾百毫升的量級。最近幾年新發展的大功率斯特林型脈管制冷機，其氣庫容積甚至接近百升的量級。因此，與同類低溫制冷機相比，氣庫體積龐大成為脈管制冷機緊湊化設計的一個嚴重障礙。對于制冷機系統體積有限制的場合，特別是空間應用，緊湊性的要求顯得更為突出。

對于多級斯特林性脈管制冷機，為了使調相機構獲得較大的調相能力從而使低溫級獲得較好的性能，常采用冷調相，即將慣性管和氣庫放置在上一級的溫度下工作，低溫氣庫內的氣體必須全部冷卻到相應的溫度，氣庫體積大則包含氣體質量多，所需的預冷時間長，整個系統降溫速度慢。

脈管制冷機一般采用氦-4為工質，而氦-4氣體屬于不可再生資源，儲存量在不斷減小，價格在不斷升高。在4K溫區，一些脈管制冷機采用熱力性質更佳的氦-3作為工質，以提高性能。而氦-3非常稀缺，極其昂貴。因此，降低制冷機各部件體積，減小工質充注量，從而減小制冷機系統的造價，更能大幅減少這種稀缺資源的消耗，具有重大意義。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種帶有彈性氣庫的脈管制冷機。

帶有彈性氣庫的脈管制冷機包括壓縮機、傳輸管、水冷器、回熱器、冷端連管、冷端換熱器、脈管、熱端換熱器、慣性管、彈性氣庫；壓縮機與傳輸管、水冷器、回熱器、冷端連管、冷端換熱器、脈管、熱端換熱器慣性管和彈性氣庫依次相連接。

所述的彈性氣庫包括剛性氣庫體、彈性膜、緊固螺栓、密封圈；剛性氣庫體端部設有彈性膜，并用緊固螺栓固定，剛性氣庫體端部與彈性膜之間設有密封圈。所述的脈管制冷機為單級脈管制冷機或多級脈管制冷機。所述的脈管制冷機為斯特林型脈管制冷機或GM型脈管制冷機。所述的脈管制冷機為小孔型脈管制冷機、雙向進氣型脈管制冷機、慣性管型脈管制冷機或雙向進氣與慣性管聯合調相型脈管制冷機。所述的彈性氣庫10的一個面或多個面為彈性機構。所述的彈性機構采用彈性材料制成。

本發明采用彈性氣庫之后則只需要普通氣庫的幾分之一甚至幾十分之一的體積便可獲得相同的調相效果。從而使得整個系統變得緊湊，并減小工質的充注量。這對于稀缺的氦-4和氦-3工質而言，顯得尤為重要。對于放置于低溫下的氣庫，彈性氣庫還可縮短預冷時間，加快系統降溫速度。

附圖說明

圖1是帶有彈性氣庫的脈管制冷機系統結構示意圖；

圖2是本發明的彈性氣庫結構示意圖；

圖3是壓比對彈性氣庫當量體積的影響圖；

圖4是氣庫體積變化振幅對彈性氣庫當量體積的影響圖。

圖中：壓縮機1、傳輸管2、水冷器3、回熱器4、冷端連管5、冷端換熱器6、脈管7、熱端換熱器8、慣性管9、彈性氣庫10、剛性氣庫體11、彈性膜12、緊固螺栓13、密封圈14。

具體實施方式