[發明專利]帶自預冷脈管的脈管制冷機

有效

• 申請號: 201110285035.0
• 申請日: 2011-09-23
• 公開（公告）號: CN102331105A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: 邱利民;植曉琴;甘智華;曹強
• 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

本發明涉及低溫制冷技術領域，尤其涉及一種帶自預冷脈管的脈管制冷機。

背景技術

脈管制冷機誕生于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。由于脈管進、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）就可占毛制冷量的20%-60%，嚴重削弱了脈管的制冷性能。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，對于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

本發明的目的在于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。

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。

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于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。

本發明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。對于多級脈管制冷機，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。本發明不同于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。

附圖說明

圖1是帶自預冷脈管的脈管制冷機結構示意圖；

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；

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；

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

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。