專利名稱：一種無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于制冷與低溫技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是涉及一種高頻壓力波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)。
背景技術(shù)：
由于高頻脈沖管制冷機(jī)無需使用斯特林制冷機(jī)中的低溫排出器，帶來無低溫下運(yùn)動(dòng)部件的優(yōu)點(diǎn)，從而成為近二十年來小型低溫制冷機(jī)研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。為了獲得高的制冷效率，需在脈沖管制冷機(jī)的冷端換熱器位置實(shí)現(xiàn)壓力波超前體積流一定相位。因?yàn)闆]有排出器可以來主動(dòng)實(shí)現(xiàn)這一相位，所以脈沖管制冷機(jī)必須依賴位于脈沖管熱端的調(diào)相機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)，以保證在脈沖管熱端實(shí)現(xiàn)壓力波超前體積流一定相位。迄今為止，能夠?qū)崿F(xiàn)這一相位超前要求的高頻脈沖管制冷機(jī)有雙向進(jìn)氣型和慣性管加氣庫型兩種。
雙向進(jìn)氣型高頻脈沖管制冷機(jī)如圖1所示，其為一高頻壓力波發(fā)生器1驅(qū)動(dòng)的脈沖管制冷機(jī)12，包括連接管2，回?zé)崞鳠岫藫Q熱器3，回?zé)崞?，脈沖管冷端換熱器5，脈沖管6，脈沖管熱端換熱器7，和雙向進(jìn)氣調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9形成的一個(gè)回路，其通過小孔調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)10與氣庫8相連。因?yàn)榇嬖谟谢芈罚詭碇绷鲉栴}，成為實(shí)際應(yīng)用中很難解決的問題。
慣性管加氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)如圖2所示，其為一高頻壓力波發(fā)生器1驅(qū)動(dòng)的脈沖管制冷機(jī)12，包括連接管2，回?zé)崞鳠岫藫Q熱器3，回?zé)崞?，脈沖管冷端換熱器5，脈沖管6，脈沖管熱端換熱器7，其通過慣性管11與氣庫8相連。慣性管加氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)依靠慣性管提供的聲學(xué)慣性實(shí)現(xiàn)前述相位超前作用，它不會(huì)帶來直流問題。但是在這一結(jié)構(gòu)中，脈沖管的熱端通過一段細(xì)長管，即慣性管與一個(gè)大的氣庫相連，該氣庫的體積通常是同一系統(tǒng)中脈沖管體積的一個(gè)量級(jí)以上，以提供一個(gè)壓力波動(dòng)近乎為零的邊界條件。該氣庫的存在完全是沿用小孔型脈沖管制冷機(jī)的傳統(tǒng)，它帶來的缺點(diǎn)是增加了系統(tǒng)的尺寸和重量，直徑較大因而對(duì)焊接密封有嚴(yán)格要求，系統(tǒng)充氣量增加，內(nèi)部耗散的熱量難以傳出等。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有的高頻脈沖管制冷機(jī)均需存在一個(gè)大的氣庫，增加了系統(tǒng)的尺寸和重量，且因直徑較大而對(duì)焊接密封有嚴(yán)格要求，另外還存在系統(tǒng)充氣量增加，內(nèi)部耗散的熱量難以傳出的缺陷，從而通過合適地選擇細(xì)長管內(nèi)徑和長度來實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)，提供一種完全取消氣庫的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)。
本實(shí)用新型的目的是通過如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型提供的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)，如圖4所示，包括一個(gè)高頻壓力波發(fā)生器1和一個(gè)脈沖管制冷機(jī)12，脈沖管制冷機(jī)12中包括一回?zé)崞?、脈沖管6和慣性管11，回?zé)崞?的熱端換熱器3通過連接管2與高頻壓力波發(fā)生器1相連，另一端與脈沖管6的冷端換熱器5相連，脈沖管6的熱端換熱器7與慣性管11相連，所述的慣性管11為一根細(xì)長管，其一端與脈沖管熱端換熱器相連，另一端封閉。
所述的慣性管包括兩種形狀(1)等直徑管；(2)有兩到三種不同直徑的管子連接而成的長管，從靠近脈沖管制冷機(jī)側(cè)向封閉端直徑依次減小或增大。
所述的慣性管的橫截面積比脈沖管的橫截面積小，直徑從1毫米到1厘米。
所述的慣性管的長度為1/10聲波長到1個(gè)聲波長，具體數(shù)值根據(jù)工質(zhì)氣體、工作溫度和工作頻率不同(1)氦氣工質(zhì)，20赫茲，室溫，則管長在5～51米之間；(2)氮?dú)夤べ|(zhì)，20赫茲，室溫，則管長在1.7～17米之間。
所述高頻壓力波發(fā)生器可以是無閥電動(dòng)壓縮機(jī)和熱聲壓縮機(jī)，所述的無閥電動(dòng)壓縮機(jī)包括電驅(qū)動(dòng)曲柄連桿式壓縮機(jī)、線性壓縮機(jī)，所述的熱聲壓縮機(jī)包括駐波型熱聲壓縮機(jī)和行波型熱聲壓縮機(jī)，頻率范圍在15～200赫茲之間。
所述脈沖管制冷機(jī)包括直線布置、U型布置、同軸布置形式的單級(jí)脈沖管制冷機(jī)，或者為直線布置、U型布置、同軸布置或組合布置的雙級(jí)脈沖管制冷機(jī)。
本實(shí)用新型提供的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，無需氣庫，因而克服了現(xiàn)有的高頻脈沖管制冷機(jī)均需存在一個(gè)大的氣庫而帶來的所有缺陷，其在脈沖管熱端實(shí)現(xiàn)壓力波相位超前體積流，從而可以提高脈沖管制冷機(jī)的效率。
為了更清楚地說明本實(shí)用新型的原理，下面結(jié)合線性熱聲理論加以分析本發(fā)明提供的慣性管在開口端的聲學(xué)阻抗。本實(shí)用新型提供的慣性管是一端開口，一端封閉的細(xì)長管。線性熱聲理論是熱聲學(xué)中用來分析小振幅聲場的常用工具，式(1)和式(2)是其用來描述聲場的兩個(gè)方程。
dU^dx+R1p^=0,R1=iωA[1+(γ-1)fk]γP0---(1)]]>dp^dx+R2U^=0,R2=iωρA(1-fμ)---(2)]]>其中ω，A，γ，P0，ρ分別是角頻率、流道橫截面積、比熱比、平均壓力和氣體密度。fμ，fk是與流道幾何參數(shù)、氣體物性、工作頻率等相關(guān)的函數(shù)。
開口端波動(dòng)壓力 和波動(dòng)體積流 封閉端波動(dòng)壓力 和波動(dòng)體積流 那么對(duì)(1)(2)式求解可以獲得如下的關(guān)系式p^bU^b=A11A12A21A22pa^U^a---(3)]]>A11=A22=cosh(R1R2L)]]>A12=-R2R1sinh(R1R2L),---(4)]]>A21=-R1R2sinh(R1R2L)]]>對(duì)于封閉端，U^b=0,]]>那么在開口端的聲學(xué)復(fù)阻抗Z就可以表示為Z=P^aU^a=-A22A21=|Z|eiθ---(5)]]>當(dāng)θ為0°到90°之間時(shí)就意味著滿足高頻脈沖管制冷機(jī)對(duì)脈沖管熱端壓力波和體積流之間的相位要求。下面舉一個(gè)典型的算例。以使用氦氣為工質(zhì)，平均壓力2.0MPa，頻率80赫茲，溫度為300K的等溫管道為例，當(dāng)管道直徑為2mm或3mm時(shí)，其相位角θ隨管道長度的變化情況如圖3所示，可以看到在幾個(gè)管長范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)上述對(duì)θ的要求。


圖1為雙向進(jìn)氣型高頻脈沖管制冷機(jī)的示意圖；圖2為慣性管加氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)的示意圖；圖3為慣性管內(nèi)的阻抗相位角θ隨管道長度的變化情況；圖4為本實(shí)用新型提供的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)的示意圖；其中1高頻壓力波發(fā)生器，2連接管，3回?zé)崞鳠岫藫Q熱器，4回?zé)崞鳎?脈沖管冷端換熱器，6脈沖管，7脈沖管熱端換熱器，8氣庫，9雙向進(jìn)氣調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，10小孔調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，11慣性管，12脈沖管制冷機(jī)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖4進(jìn)一步詳細(xì)說明本實(shí)用新型提供的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)。本實(shí)用新型提供的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)，如圖4所示，包括一個(gè)高頻壓力波發(fā)生器1和一個(gè)脈沖管制冷機(jī)12，脈沖管制冷機(jī)12中包括一回?zé)崞?、脈沖管6和慣性管11，回?zé)崞?的熱端換熱器3通過連接管2與高頻壓力波發(fā)生器1相連，另一端與脈沖管6的冷端換熱器5相連，脈沖管6的熱端換熱器7與慣性管11相連，該慣性管11為一根細(xì)長管，其一端與脈沖管熱端換熱器相連，另一端封閉；其可以是等直徑管；或是有兩到三種不同直徑的管子連接而成的長管，從靠近脈沖管制冷機(jī)側(cè)向封閉端直徑依次減小或增大；該慣性管的橫截面積比脈沖管的橫截面積小，直徑從1毫米到1厘米；該慣性管的長度為1/10聲波長到1個(gè)聲波長，具體數(shù)值根據(jù)工質(zhì)氣體、工作溫度和工作頻率不同。
所述高頻壓力波發(fā)生器可以是無閥電動(dòng)壓縮機(jī)和熱聲壓縮機(jī)，所述的無閥電動(dòng)壓縮機(jī)包括電驅(qū)動(dòng)曲柄連桿式壓縮機(jī)、線性壓縮機(jī)，所述的熱聲壓縮機(jī)包括駐波型熱聲壓縮機(jī)和行波型熱聲壓縮機(jī)，頻率范圍在15～200赫茲之間。所述脈沖管制冷機(jī)包括直線布置、U型布置、同軸布置形式的單級(jí)脈沖管制冷機(jī)，或者為直線布置、U型布置、同軸布置或組合布置的雙級(jí)脈沖管制冷機(jī)實(shí)施例1如圖4所示，本實(shí)用新型提供的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)為一臺(tái)高頻壓力波發(fā)器1驅(qū)動(dòng)的脈沖管制冷機(jī)12，脈沖管制冷機(jī)12由以下部分組成2為連接管，3為回?zé)崞鳠岫藫Q熱器，4為回?zé)崞鳎?為脈沖管冷端換熱器，6為脈沖管，7為脈沖管熱端換熱器，11為細(xì)長管。
高頻壓力波發(fā)生器1在平均壓力3.0MPa時(shí)能提供波動(dòng)幅度0.166MPa，86.8赫茲的壓力波，對(duì)應(yīng)氦氣工質(zhì)時(shí)其波長為11.2米。高頻脈沖管制冷機(jī)12的主要部件尺寸為回?zé)崞?內(nèi)徑15毫米，長度48毫米，脈沖管6尺寸為內(nèi)徑6毫米，長度77毫米，慣性管11為一根細(xì)長管，其一端與脈沖管熱端換熱器相連，另一端封閉，其內(nèi)徑為2毫米的等直徑管，長度4.12米，為聲波長的0.367。當(dāng)高頻壓力波發(fā)生器1驅(qū)動(dòng)脈沖管制冷機(jī)12工作至穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，脈沖管冷端換熱器5溫度到達(dá)97.4K。
權(quán)利要求1.一種無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)，包括一個(gè)高頻壓力波發(fā)生器和一個(gè)脈沖管制冷機(jī)，脈沖管制冷機(jī)中包括一回?zé)崞?、脈沖管和慣性管，回?zé)崞鳠岫藫Q熱器通過連接管與高頻壓力波發(fā)生器相連，另一端與脈沖管冷端換熱器相連，脈沖管熱端換熱器與慣性管相連，其特征在于所述的慣性管為一根細(xì)長管，其一端與脈沖管熱端換熱器相連，另一端封閉。
2.如權(quán)利要求1所述的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)，其特征在于所述的慣性管包括兩種形狀(1)等直徑管；(2)有兩到三種不同直徑的管子連接而成的長管，從靠近脈沖管制冷機(jī)側(cè)向封閉端直徑依次減小或增大。
3.如權(quán)利要求1所述的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)，其特征在于所述的慣性管的橫截面積比脈沖管的橫截面積小，直徑從1毫米到1厘米。
4.如權(quán)利要求1所述的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)，其特征在于所述的慣性管的長度為1/10聲波長到1個(gè)聲波長。
5.如權(quán)利要求1所述的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)，其特征在于所述高頻壓力波發(fā)生器為無閥電動(dòng)壓縮機(jī)或熱聲壓縮機(jī)。
6.如權(quán)利要求5所述的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)，其特征在于所述的無閥電動(dòng)壓縮機(jī)為電驅(qū)動(dòng)曲柄連桿式壓縮機(jī)或線性壓縮機(jī)。
7.如權(quán)利要求5所述的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)，其特征在于所述的熱聲壓縮機(jī)為駐波型熱聲壓縮機(jī)或行波型熱聲壓縮機(jī)，頻率范圍在15～200赫茲之間。
8.如權(quán)利要求1所述的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)，其特征在于所述脈沖管制冷機(jī)包括直線布置、U型布置、同軸布置形式的單級(jí)脈沖管制冷機(jī)，或者為直線布置、U型布置、同軸布置或組合布置的雙級(jí)脈沖管制冷機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)，包括一個(gè)高頻壓力波發(fā)生器和一個(gè)脈沖管制冷機(jī)，脈沖管制冷機(jī)中包括一回?zé)崞鳌⒚}沖管和慣性管，該慣性管為一根細(xì)長管，其一端與脈沖管熱端換熱器相連，另一端封閉；其可以是等直徑管；或是有不同直徑的管子連接而成的長管；該慣性管的橫截面積比脈沖管的橫截面積小，直徑從1毫米到1厘米；該慣性管的長度為1/10聲波長到1個(gè)聲波長，具體數(shù)值根據(jù)工質(zhì)氣體、工作溫度和工作頻率不同。本實(shí)用新型提供的無氣庫型高頻脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，無需氣庫，因而克服了現(xiàn)有的高頻脈沖管制冷機(jī)均需存在一個(gè)大的氣庫而帶來的所有缺陷，其在脈沖管熱端實(shí)現(xiàn)壓力波相位超前體積流，從而可以提高脈沖管制冷機(jī)的效率。
文檔編號(hào)F25B9/14GK2811865SQ200520022970
公開日2006年8月30日 申請(qǐng)日期2005年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月17日
發(fā)明者戴巍, 羅二倉 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所