[實用新型]直線型脈管制冷機集成式錐形狹縫冷端換熱器

有效

• 申請號: 201220652577.7
• 申請日: 2012-11-30
• 公開（公告）號: CN203053075U
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 黨海政
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14;B23P15/26
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本專利涉及脈管制冷機，特別涉及一種直線型脈管制冷機的集成式錐形狹縫冷端換熱器。

背景技術

脈管制冷機是對回熱式低溫制冷機的一次重大革新。它取消了廣泛應用于常規回熱式低溫制冷機（如斯特林或G-M制冷機）中的冷端排出器，而以熱端調相機構的運作來實現制冷所需的相位差。冷端運動部件的完全取消，實現了冷端的低振動、低干擾和無磨損；而經過結構和調相方式上的一系列重要改進，在一些典型溫區，其實際效率也已經達到回熱式低溫制冷機中的最高值。這些顯著優點使得脈管制冷機成為20余年來低溫機械制冷機研究的一大熱門，在航空航天、低溫電子學、超導工業和低溫醫療業等方面都獲得了廣泛的應用。

根據脈管與蓄冷器的相互關系不同，脈管制冷機可分為如下三種典型布置方式，如圖1所示：其中（1）為直線型，（2）為U型，（3）為同軸型。直線型布置中脈管和蓄冷器處于一條直線上；U型布置是指脈管和蓄冷器平行布置，脈管和蓄冷器的冷端通過管道連接；同軸型布置是指脈管和蓄冷器同心地布置在一起。在三種布置方式中，同軸型的結構最為緊湊，冷頭與器件耦合方便，但該布置方式使得氣體在冷頭折轉180°，流動阻力增大，同時引起了較大的氣流擾動；尤其是由于脈管和蓄冷器沿軸向的溫度可能不匹配，將會存在較明顯的徑向導熱從而降低了制冷效率。U型布置的緊湊性不如同軸型，但蓄冷器和脈管不直接接觸，較之同軸型，避免了因二者軸向溫度不匹配而引起的徑向導熱損失，有利于提高制冷效率；但其氣流在冷端同樣需要180°的折返，和同軸型一樣會引起氣流擾動和不可逆損失。直線型布置方式最大限度地降低了冷頭的流動阻力，并且由于氣流在冷端不需要折返，給冷端氣流以最小的擾動，因而制冷效率在三種布置方式中最高。直線型布置最大的缺點是冷頭位于制冷機中部，與器件的耦合較為不便，整體結構也相對松散，但近年來，隨著杜瓦技術的改進及制冷機耦合工藝的提高，上述缺點被逐漸彌補，而其高制冷效率和大冷量潛力的優勢正日益受到高度重視。高制冷效率使得制冷機可以在有限能源的限制下實現冷量最大化，這對于能源有限的工作環境如航空航天、水下等特殊應用場合意義重大；而大冷量潛力可以為設計留出較大的冷量余量，從而可以以消耗余量的方式維持較長時間的穩定工作，這對于制冷機的長壽命工作同樣至關重要。因而直線型脈管制冷機在星載長壽命、大制冷量應用中占據特殊重要的地位。以美國為例，其自1998年脈管制冷機首次成功升空以來即沿襲直線型的布置方式，十余年來該模式已經發展成熟。世界最著名的星載脈管制冷機研發公司美國NGAS公司目前共有12臺脈管制冷機在軌運轉，全部采用直線型布置方式，其中有兩臺已經連續運轉超過12年。上述優秀的范例使得直線型脈管制冷機在航天及星載應用領域顯示出越來越廣闊的應用前景。

冷端換熱器是直線型脈管制冷機中極為關鍵的部件。在理想情況下，它要實現三方面主要功能：

1)高效換熱。特別是在大冷量傳輸的情況下，實現熱量的高效交換顯得尤為重要。這就需要能在有限體積下實現較大換熱面積的幾何結構。

2)減小蓄冷器和脈管變截面處的流動損失。脈管制冷機的蓄冷器和脈管往往具有不同的截面直徑，變截面處不能產生較大的流動損失，這就需要實現變截面的有效過渡；

3)實現蓄冷器和脈管變截面連接處的氣體均布。脈管中的氣體流動盡可能地層流化，以維持氣體活塞。這就需要特殊的變截面氣流均布方式。

而目前常規的直線型脈管制冷機的冷端換熱器遠遠沒有達到這個要求。直線型脈管制冷機目前普遍采用的常規冷端換熱器主要分為三種。

第一種是使用一個外徑大于蓄冷器和脈管外徑的冷端換熱器將蓄冷器和脈管的冷端集成為一體，在冷端換熱器的內部開通一個連接管路以連通蓄冷器和脈管冷端。圖2給出了使用該種冷端換熱器的直線型脈管制冷機的示意圖；

第二種是將冷端換熱器置于蓄冷器內，然后再與脈管耦合在一起。圖3給出了使用該種冷端換熱器的直線型脈管制冷機的示意圖；

第三種是將冷端換熱器置于脈管內，然后再與蓄冷器耦合在一起。圖4給出了使用該種冷端換熱器的直線型脈管制冷機的示意圖。

在上述三種典型布置形式中，蓄冷器的直徑均大于脈管的直徑，這也是實際應用的脈管制冷機中最普遍的現象。

圖2所示的冷端換熱器有如下顯著缺點：

1)由連接管路形成的內部氣流換熱面積有限，不利于實現高效換熱，特別是隨著制冷機結構和冷頭尺寸的增大，其不完全換熱趨勢加大，降低了制冷效率；

2)氣流從蓄冷器到脈管發生了兩次變截面流動，從而產生了較大的流動損失；