[發明專利]一種回收聲功的級聯型脈管制冷機

有效

• 申請號: 201410031723.8
• 申請日: 2014-01-23
• 公開（公告）號: CN103808057A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 甘智華;吳鎂;王龍一;劉東立;朱佳凱;陶軒;鄧皓仁;劉雨夢;孫瀟
• 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: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及一種脈管制冷機，尤其涉及一種回收聲功的級聯型脈管制冷機。

背景技術

脈管制冷機最早由美國的Gifford教授和Longswoth提出，由于其在低溫下沒有運動部件，避免了滑動密封、機械磨損等問題，可望成為低成本、低振動、可靠性高、長壽命的低溫制冷機被廣泛運用。隨著小孔氣庫、雙向進氣、慣性管等調相結構的提出和成功運用，使得脈管制冷機制冷溫度不斷降低，制冷量和制冷效率也大幅提高，接近甚至在某些工況下超過傳統的回熱式低溫制冷機（如：G-M制冷機、Stirling制冷機等），已在超導器件和紅外設備的冷卻，以及氣體液化等方面得到廣泛應用。

然而，上述的各種結構都需要調相元件，使得系統結構相比于Stirling制冷機更加復雜，此外，其脈管冷端聲功無一例外需在調相裝置內以熱量的形式耗散掉，這也直接導致了其制冷系統的理想效率低于卡諾效率（由于Stirling制冷機通過排除器可將冷端聲功得以回收，理想效率與卡諾效率相等）。

根據熱力學原理，氣體工質的聲功和諸如電功，軸功和水利機械功等同樣重要。在小孔型脈管制冷機中，聲功可以制冷；聲功可以通過線性發電機用來發電；聲功還可以通過水輪機轉化為機械功，并且，聲功的來源很廣泛，可以從斯特林制冷機和熱聲發動機等各種形式的熱機中獲得。特別是對于大功率的脈管制冷機系統，在調相元件中耗散的聲功占的比例是很大的，如果能有效的將這中能量利用起來，將產生很大的實用價值。

1988年Matsubara提出了一種帶熱端膨脹機的雙活塞型脈管制冷機，可以回收膨脹功。該制冷機可看做是斯特林制冷機的變種，但結構復雜，未能得到廣泛應用。

Swift的申請號為US8,468,838B2的專利文獻中提出一種用四分之一波長傳輸管連接的回收聲功的級聯型脈管制冷機，雖然能夠有效的回收聲功，但是并沒有提出如何有效的利用回收聲功后得到的冷量，而如何將回收聲功得到的附加冷量有效的利用起來以提高整機效率，是很有意義的。

提高單級脈管制冷機性能的方式有很多，為了提高脈管制冷機的制冷量，降低其所能獲得的最低溫度，有效的預冷級后冷卻器或者回熱器中間某部位是其中的一種方式?，F有發明中的熱耦合型兩級脈管制冷機，為了使第一級脈管制冷機獲得更好的性能，使用第二級脈管制冷機來預冷第一級脈管制冷機的回熱器中間某部位，這種結構雖然能夠降低第一級脈管制冷機所能達到的最低溫度，提高第一級脈管制冷機的性能，但是兩級脈管制冷機需要兩個壓縮機單元，并且各自的聲功都在其對應的調相元件（慣性管、氣庫）中耗散掉，因而整機的效率是比較低的，不能有效的節約能耗，提高效率。

由上述總結可知，一種可以回收并有效利用脈管制冷機慣性單元以熱量耗散掉的聲功的新型脈管制冷機結構對于提高脈管制冷機整機效率，滿足當前節能減排的要求是非常有意義的。

發明內容

基于現有技術的不足，本發明改進了傳統脈管制冷機結構，提出了一種可以回收聲功的級聯型脈管制冷機結構，并且合理利用回收聲功后得到的冷量，同時滿足低溫下沒有運動部件，可靠性高等優點，可以顯著的提高脈管制冷機的效率。

一種回收聲功的級聯型脈管制冷機，包括主級脈管制冷機單元和輔級脈管制冷機單元，所述的主級脈管制冷機單元包括主級壓縮機、與主級壓縮機出氣口依次連通的主級級后冷卻器、主級回熱器、主級冷端換熱器、主級脈管和主級熱端換熱器；所述的輔級脈管制冷機單元包括與主級熱端換熱器遠離主級脈管的一端依次連通的輔級回熱器、輔級冷端換熱器、輔級脈管、輔級熱端換熱器和調相元件；所述的輔級冷端換熱器通過一熱橋對主級回熱器或者主級級后冷卻器進行冷卻。

所述的輔級脈管制冷機單元是為了回收主級熱端換熱器出口的聲功，將低品位的熱能轉換為制冷量，預冷主級回熱器或者主級級后冷卻器，提高整機制冷效率。所述的壓縮機為整機提供總輸入功，保證制冷機運行。

為進一步提高系統性能，作為優選，所述的輔級回熱器與所述的主級熱端換熱器之間通過一傳輸管連通，該傳輸管的長度為室溫下氦工質波長的四分之一或三分之一。

傳輸管為確定內外徑、長度的銅管或者不銹鋼管，具體尺寸大小需要靠軟件如Sage確定，長度一般為室溫下氦工質波長的四分之一或三分之一。傳輸管的作用跟慣性管相似，為調相元件，因為主級熱端換熱器出口的相位為體積流領先于壓力波，不適合驅動輔級脈管制冷機單元，傳輸管通過其調相作用，使得輔級脈管制冷機單元進口的相位與壓縮機出口相位一致，即輔級回熱器冷端體積流落后于壓力波的相位，使之能夠更好的滿足輔級脈管制冷機單元工作要求。