專利名稱：采用聲壓放大器的多級脈管制冷機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種回熱式低溫制冷機，尤其涉及一種帶有聲功放大器的深低溫脈管制冷機
背景技術(shù)：
伴隨著空間探測技術(shù)在過去半個世紀中的快速發(fā)展，低溫制冷技術(shù)取得了顯著的技術(shù)進步，并在航空航天、國防軍事、能源醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。低溫探測器近30年來在航空航天領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用，但是更高的成像像素敏感度和像素密度也給低溫探測器的冷卻系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)，相比攜帶液氦(超流氦)杜瓦的被動式低溫系統(tǒng)，機械式主動制冷系統(tǒng)具有壽命長(不受液氦冷媒攜帶量的限制)、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、可靠性好等優(yōu)點，成為當前研究的熱點和難點，目前世界各國均投入了大量的人力物力進行相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)研究。 在低溫探測領(lǐng)域中大部分的低溫探測器工作在液氦溫區(qū)和更低的溫度，而且更低溫區(qū)UK級溫區(qū))的獲得需要液氦溫區(qū)提供預(yù)冷，所以液氦溫區(qū)高效機械式制冷技術(shù)成為當前研究的重點和難點。與G-M制冷機、逆布雷頓制冷機以及斯特林制冷機等相比，脈管制冷機在冷端沒有運動部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、機械振動小、可靠性高和壽命長等優(yōu)點，是非常適合空間應(yīng)用的理想機型。但是由于液氦溫區(qū)的制冷機理和損失機理尚未完全掌握，目前高頻脈管制冷機仍很難到達液氦溫度，只有美國Lockheed Martin公司使用四級結(jié)構(gòu)到達液氦溫區(qū)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低。經(jīng)過預(yù)冷型單級高頻脈管制冷機的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，限制高頻脈管制冷機高效獲得液氦溫區(qū)的主要原因是由于液氦溫區(qū)級回熱器的溫度跨度大(從300K至4K)，從而導(dǎo)致回熱器的壓力損失遠較高溫級回熱器大，進而使液氦溫區(qū)級回熱器的冷端壓比偏小，而冷端壓比是脈管制冷機中一個非常重要的參數(shù)，大的壓比意味著更大的做功能力，所以對高頻脈管制冷機而言，高效地獲得液氦溫區(qū)的關(guān)鍵是如何獲得較大的冷端壓比。采用回熱器模擬軟件REGEN對液氦溫區(qū)回熱器最后一級的模擬結(jié)果表明，當冷端溫度定為4K，在特定尺寸、回熱材料和較低的充氣壓力條件下(一般為O. 5-1. OMPa)，其熱端溫度隨著回熱器冷端壓比的增大而顯著提高，熱端溫度的提高意味著可以在更高的溫區(qū)為其提供預(yù)冷，減輕了對預(yù)冷級的性能要求，計算結(jié)果還表明當采用氦-4為工質(zhì)，冷端壓比為I. 4時，其熱端溫度接近40K，這是當前單級和兩級高頻脈管制冷機可以較為輕松獲得的溫區(qū)，所以若采用合適的結(jié)構(gòu)能夠使液氦溫區(qū)回熱器的冷端獲得I. 4甚至更高的壓比，則采用三級甚至是兩級的結(jié)構(gòu)便可以高效地獲得液氦溫區(qū)。同時對氦氣的熱物理性質(zhì)分析得出氦氣的粘度隨著溫度的降低而顯著降低，即回熱器的壓力損失主要發(fā)生在300-80K的高溫段，而在低溫下幾乎可以無損的傳過回熱器。為降低回熱器中的壓力損失和熱量損失，申請?zhí)枮镃N200710098933. 9的專利文獻公開了熱耦合多級脈沖管制冷機，包括預(yù)冷脈沖管制冷機和低溫脈沖管制冷機；還包括連接于所述低溫脈沖管制冷機的低溫脈沖管制冷機回熱器和低溫脈沖管制冷機室溫換熱器之間的低溫脈沖管制冷機熱緩沖管；所述預(yù)冷脈沖管制冷機的預(yù)冷脈沖管制冷機冷頭通過一熱橋與所述低溫脈沖管制冷機回熱器的靠近所述低溫脈沖管制冷機熱緩沖管的一端相連。該熱耦合多級脈沖管制冷機采用熱緩沖管連接低溫脈沖管制冷機的室溫換熱器和回熱器，減少了其回熱器的總長度，因此可以減少回熱器內(nèi)的壓力損失和導(dǎo)熱損失，提高制冷機效率，獲得更低的制冷溫度。但是上述熱耦合多級脈管制冷機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間較大，且冷端壓比仍然相對較低，無法得到更低的制冷溫區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，通過對脈管制冷機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整，能夠獲得較大的冷端壓比，在提高工作效率的同時，使得脈管制冷機能夠向更低溫區(qū)延伸。脈管制冷機按照耦合方式不同分為氣耦合和熱耦合，為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)·明通過對現(xiàn)有技術(shù)的分析，分別在氣耦合和熱耦合的基礎(chǔ)上設(shè)計出兩種技術(shù)方案，其中第一種技術(shù)方案采用熱耦合，第二種方案采用氣耦合。雖然兩種耦合方式不同，但是本發(fā)明的總體思路均是為增加脈管制冷機單元冷端壓比，在提高工作效率的同時，使得脈管制冷機能得向更低溫區(qū)延伸，屬于同一發(fā)明構(gòu)思。第一種技術(shù)方案為一種采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，包括預(yù)冷脈管制冷機單元和低溫脈管制冷機單元，所述低溫脈管制冷機單元的回熱器包括預(yù)冷段回熱器和低溫段回熱器，所述預(yù)冷段的出口端與低溫段進口端之間通過聲壓放大器連通；所述預(yù)冷脈管制冷機單元和低溫脈管制冷機單元之間通過連接在預(yù)冷脈管制冷機單元的冷端和所述聲壓放大器之間的熱橋進行熱耦合，該熱橋同時與所述預(yù)冷段回熱器和低溫段回熱器相連。下面為對第一種技術(shù)方案的優(yōu)選方案理論與實驗研究表明聲壓放大器可以實現(xiàn)聲壓的放大，從而使脈管制冷機具有更大的驅(qū)動壓比，進而獲得更高的效率，采用聲壓放大器的多級脈管制冷機采用三級甚至是兩級的結(jié)構(gòu)便可以高效地到達液氦溫區(qū)，作為優(yōu)選，所述聲壓放大器是長度為1/4λ的長頸管，λ為氦氣在預(yù)冷脈管制冷機單元的冷端溫區(qū)下的聲波波長。所述預(yù)冷脈管制冷機單元的結(jié)構(gòu)可選用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，為便于布置，同時保證得到較低的低溫區(qū)，作為優(yōu)選，所述預(yù)冷脈管制冷機單元包括第一級壓縮機、第一級熱端換熱器、第一級回熱器、位于第一級回熱器冷端的第一級回熱器冷端換熱器、第一級冷端流道、第一級脈管冷端換熱器、第一級脈管、第一級脈管熱端換熱器以及與第一級脈管熱端連通的第一級調(diào)相部件；所述第一級熱端換熱器設(shè)置在所述第一級壓縮機和第一級回熱器之間，用于將第一級壓縮機排出的氣體冷卻至室溫氣體，并將高壓室溫氣體傳輸給第一級回熱器；所述第一級回熱器冷端換熱器和第一級脈管冷端換熱器分別通過熱橋與所述聲壓放大器熱耦合連接。所述第二級預(yù)冷脈管制冷機單元也可選用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，為便于布置，作為優(yōu)選，所述第二級預(yù)冷脈管制冷機單元包括第二級壓縮機、第二級熱端換熱器、預(yù)冷段回熱器、低溫段回熱器、位于低溫段回熱器冷端的第二級冷端換熱器、第二級冷端流道、第二級脈管冷端換熱器、第二級脈管、第二級脈管熱端換熱器、以及與第二級脈管熱端連通的第二級調(diào)相部件；所述第二級熱端換熱器設(shè)置在所述第二級壓縮機和預(yù)冷段回熱器之間，用于將第二級壓縮機排出的氣體冷卻至室溫氣體，并將高壓室溫氣體傳輸給預(yù)冷段回熱器。所述第一級調(diào)相部件用于第一級回熱器內(nèi)的質(zhì)量流和壓力波相位的調(diào)整，所述第二級調(diào)相部件用于第二級回熱器內(nèi)的質(zhì)量流和壓力波相位的調(diào)整，以提高脈管制冷機的工作效率，作為優(yōu)選，所述第一級調(diào)相部件由第一級氣庫以及將第一級氣庫與第一級脈管熱端換熱器連通的第一級慣性管組成。所述第二級調(diào)相部件由第二級氣庫以及將第二級氣庫與第二級脈管熱端換熱器連通的第二級慣性管組成。根據(jù)需要，第一級調(diào)相部件和第二級調(diào)相部件也可選用其他結(jié)構(gòu)的調(diào)相部件。為進一步提高工作效率，得到更低的工作溫區(qū)，作為優(yōu)選，所述第二級調(diào)相部件和所述第二級脈管熱端換熱器同時與熱橋連接，實現(xiàn)對第二級調(diào)相部件和第二級脈管熱端換熱器的冷卻，從而在有限的聲功下獲得更優(yōu)的相角，最終實現(xiàn)脈管制冷機效率的提高。 采用上述第一種技術(shù)方案及其優(yōu)選方案時，采用預(yù)冷脈管制冷機單元和低溫脈管制冷機單元單獨設(shè)置，可實現(xiàn)兩者兼顧，即可同時實現(xiàn)預(yù)冷脈管制冷機單元和低溫脈管制冷機單元均在最佳工作狀態(tài)運行，可控性較好，實用性較強。本發(fā)明提供了第二種技術(shù)方案為一種采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，包括預(yù)冷脈管制冷機單元和低溫脈管制冷機單元，預(yù)冷脈管制冷機單元和低溫脈管制冷機單元通過共用的壓縮機和預(yù)冷段回熱器進行氣耦合，所述的低溫脈管制冷機單元中還包括低溫段回熱器，該低溫段回熱器的熱端通過聲壓放大器與預(yù)冷段回熱器的冷端連通，該低溫段回熱器的冷端與低溫脈管制冷機單元內(nèi)的第二級脈管的冷端連通。下面為對第二種技術(shù)方案的優(yōu)選的技術(shù)方案為保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高制冷機的工作效率，作為優(yōu)選，所述預(yù)冷脈管制冷機單元內(nèi)設(shè)有第一級調(diào)相部件；所述的低溫脈管制冷機單元內(nèi)設(shè)有第二級調(diào)相部件；所述第一級調(diào)相部件由第一級氣庫以及將第一級氣庫與第一級脈管熱端換熱器連通的第一級慣性管組成；所述第二級調(diào)相部件由第二級氣庫以及將第二級氣庫與第二級脈管熱端換熱器連通的第二級慣性管組成。該技術(shù)方案中，第一級調(diào)相部件和第二級調(diào)相部件的作用分別是為了預(yù)冷段回熱器和低溫段回熱器中質(zhì)量流和壓力波之間相位的調(diào)整。第一級調(diào)相部件和第二級調(diào)相部件可根據(jù)需要選用其他具有相同功能的調(diào)相結(jié)構(gòu)。作為同樣的考慮，為進一步提高工作效率，得到更低的工作溫區(qū)，第一級脈管冷端、預(yù)冷段回熱器的冷端分別通過熱橋與第二級調(diào)相部件以及第二級脈管熱端相連。采用第二種技術(shù)方案及其優(yōu)選方案時時，由于僅采用一臺壓縮機，整體結(jié)構(gòu)較為緊湊。本發(fā)明采用聲壓放大器是一根長度為1/4波長的長頸管，它可以實現(xiàn)聲壓的放大，從而使脈管制冷機具有更大的驅(qū)動壓比，進而獲得更高的效率。帶有聲壓放大器的多級脈管制冷機通過在低溫級回熱器中的預(yù)冷段(預(yù)冷段回熱器)和低溫段(低溫段回熱器)之間連接一個聲壓放大器，從而在低溫段的入口處獲得有利于提高脈管制冷效率的大壓比，解決了當前液氦溫區(qū)回熱器冷端壓比過小而導(dǎo)致液氦溫區(qū)難以獲得的難題。聲壓放大器可以在兩級及更多級的熱耦合和氣耦合脈管制冷機中的每一個預(yù)冷處根據(jù)需要選擇使用；脈管制冷機第第二級及更低溫度級的調(diào)相機構(gòu)可以分別采用常溫慣性管與氣庫、低溫慣性管與氣庫的組合及活塞中的任意一種。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為(I)本發(fā)明采用在低溫脈管制冷機單元中設(shè)置聲壓放大器，大大提高了脈管制冷機的驅(qū)動壓比，提高了脈管制冷機的工作效率，僅采用第二級制冷就可以到達液氦溫區(qū)，同時具有結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長等優(yōu)點。(2)理論與實驗研究表明，聲壓放大器采用長度約為1/4波長的長頸管，可以實現(xiàn)聲壓的最大放大效率，進一步提高了本發(fā)明脈管制冷機的制冷效率。(3)本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思可應(yīng)用在單級或多級的脈管制冷機中，設(shè)備投資低，通過簡單的優(yōu)化改進，就可實現(xiàn)對原有低效率脈管制冷機的改造，實用性強。


圖I是本發(fā)明的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機的一種實施方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機的另一種實施方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機的第三種實施方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機的第四種實施方式結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施例方式實施例I如圖I所示，一種使用常溫慣性管和氣庫調(diào)相的采用聲壓放大器的熱耦合二級脈管制冷機，包括第一級預(yù)冷脈管制冷機單元PTC-I和第二級低溫脈管制冷機單元PTC-2，第一級預(yù)冷脈管制冷機單元PTC-I和第二級低溫脈管制冷機單元PTC-2通過熱橋8連接。第一級預(yù)冷脈管制冷機單元PTC-I包括第一級壓縮機I、第一級傳輸管2、第一級熱端換熱器3、第一級回熱器4、第一級回熱器冷端換熱器5、第一級冷端流道6、第一級脈管冷端換熱器7、第一級脈管9、第一級脈管熱端換熱器10、第一級慣性管11及第一級氣庫12。第二級低溫脈管制冷機單元PTC-2包括第二級壓縮機13、第二級傳輸管14、第二級熱端換熱器15、第二級回熱器的預(yù)冷段16、聲壓放大器17、第二級回熱器的低溫段18、第二級冷端換熱器19、第二級冷端流道20、第二級脈管冷端換熱器21、第二級脈管22、第二級脈管熱端換熱器23、第二級常溫慣性管24及第二級氣庫25以及熱橋8。本實施方式中的各部件的連接關(guān)系為第一級壓縮機I的出口依次通過第一級傳輸管2、第一級熱端換熱器3、第一級熱端換熱器3、第一級回熱器4、第一級回熱器冷端換熱器5、第一級冷端流道6、第一級脈管冷端換熱器7、第一級脈管9、第一級脈管熱端換熱器10、第一級慣性管11與第一級氣庫12的入口連通。第二級壓縮機13的出口依次通過第二級傳輸管14、第二級熱端換熱器15、第二級回熱器的預(yù)冷段16、聲壓放大器17、第二級回熱器的低溫段18、第二級冷端換熱器19、第二級冷端流道20、第二級脈管冷端換熱器21、第二級脈管22、第二級脈管熱端換熱器23、第二級慣性管24與第二級氣庫25的進口連通。通過熱橋8將第一級回熱器冷端換熱器5、第一級脈管冷端換熱器7、第二級回熱器的預(yù)冷段16、第二級回熱器的低溫段18和聲壓放大器17相連。本實施方式中，第一級預(yù)冷脈管制冷機單元PTC-I中氣體的運行過程為經(jīng)第一級壓縮機I壓縮的高溫高壓氣體經(jīng)過第一級熱端換熱器3冷卻至室溫，然后室溫氣體流經(jīng)第一級回熱器4與其中的回熱填料進行換熱，到達第一級回熱器冷端換熱器5的氣流被冷卻至較低的溫度，低溫氣體在第一級脈管9中膨脹制冷，溫度進一步降低，氣體在進出第一級回熱器冷端換熱器5和第一級脈管冷端換熱器7存在溫差，從而實現(xiàn)制冷效應(yīng)，該部分冷量同時可通過熱橋8用于對第二級回熱器的預(yù)冷段16、第二級回熱器的低溫段18和聲壓放大器17進行預(yù)冷，實現(xiàn)第二級低溫脈管制冷機單元PTC-2獲得更低的溫區(qū)。第二級低溫脈管制冷機單元PTC-2內(nèi)氣流運行過程與第一級預(yù)冷脈管制冷機單元PTC-I內(nèi)氣體運行過程 相似，不同之處在于，從第二級回熱器的預(yù)冷段16冷端排出的氣體經(jīng)聲壓放大器17增壓后再進入第二級回熱器的低溫段18，在第二級冷端換熱器19和第二級脈管冷端換熱器21處得到更低的溫區(qū)，獲得更多的冷量。慣性管和氣庫是調(diào)相結(jié)構(gòu)，其目的是為了在回熱器中獲得壓力波和質(zhì)量流之間合適的相角。本實施方式中，所用到的換熱器均為狹縫式換熱器，在換熱的同時滿足層流的需要。也可根據(jù)實際需要選用其他類型的換熱器。所用的脈管均為現(xiàn)有的脈管，其結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)有技術(shù)。所用的回熱器內(nèi)的回熱材料可選用不銹鋼纖維材料，也可采用其他材料。所用到的慣性管和氣庫的結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)有技術(shù)。實施例2如圖2所示，一種使用低溫慣性管和氣庫調(diào)相的采用聲壓放大器的熱耦合二級脈管制冷機，包括第一級預(yù)冷脈管制冷機單元PTC-I和第二級低溫脈管制冷機單元PTC-2，第一級預(yù)冷脈管制冷機單元PTC-I和第二級低溫脈管制冷機單元PTC-2通過熱橋8連接。第一級預(yù)冷脈管制冷機單元PTC-I包括第一級壓縮機I、第一級傳輸管2、第一級熱端換熱器3、第一級回熱器4、第一級回熱器冷端換熱器5、第一級冷端流道6、第一級脈管冷端換熱器7、第一級脈管9、第一級脈管熱端換熱器10、第一級慣性管11及第一級氣庫12，連接關(guān)系同實施例I ;第二級低溫脈管制冷機單元PTC-2包括第二級壓縮機13、第二級傳輸管14、第二級熱端換熱器15、第二級回熱器預(yù)冷段16、聲壓放大器17、第二級回熱器的低溫段18、第二級冷端換熱器19、第二級冷端流道20、第二級脈管冷端換熱器21、第二級脈管22、第二級脈管熱端換熱器23、第二級慣性管24及第二級氣庫25，且連接關(guān)系同實施例I ;熱橋8與第一級回熱器冷端換熱器5、第一級脈管冷端換熱器7、第二級回熱器預(yù)冷段16、第二級回熱器的低溫段18、聲壓放大器17、第二級脈管熱端換熱器23、第二級慣性管24及第二級氣庫25相連，用于對聲壓放大器17、第二級脈管熱端換熱器23、第二級慣性管24及第二級氣庫25預(yù)冷，以進一步提高脈管制冷機的制冷效率。實施例3如圖3所示，一種使用常溫慣性管和氣庫調(diào)相的采用聲壓放大器的氣耦合二級脈管制冷機，包括壓縮機101、傳輸管102、熱端換熱器103、預(yù)冷段回熱器104，第一級冷端換熱器105、第一級冷端流道106、第一級脈管冷端換熱器107、第一級脈管109、第一級脈管熱端換熱器110、第一級慣性管111、第一級氣庫112、聲壓放大器117、低溫段回熱器118、第二級冷端換熱器119、第二級冷端流道120、第二級脈管冷端換熱器121、第二級脈管122、第二級脈管熱端換熱器123、第二級常溫慣性管124、第二級氣庫125，其中壓縮機101與傳輸管102、第一級熱端換熱器103、預(yù)冷段回熱器104，第一級冷端換熱器105、第一級冷端流道106、第一級脈管冷端換熱器107、第一級脈管109、第一級脈管熱端換熱器110、第一級慣性管111、第一級氣庫112依次連接；聲壓放大器117的出口端與低溫段回熱器118、第二級冷端換熱器119、第二級冷端流道120、第二級脈管冷端換熱器121、第二級脈管122、第二級脈管熱端換熱器123、第二級慣性管124、第二級氣庫125依次相連，聲壓放大器117的入口端與第一級冷端流道106和第一級回熱器冷端換熱器105相連。本實施方式的氣體的運行過程為經(jīng)壓縮機101壓縮的高溫高壓氣體經(jīng)過第一級熱端換熱器103冷卻至室溫，之后流經(jīng)預(yù)冷段回熱器104與其中的回熱填料進行換熱，到達回熱器冷端的氣體被冷卻至較低的溫度，低溫氣體一部分進入第一級脈管109中，在第一級脈管109中膨脹制冷，溫度降低，氣體在進出第一級冷端換熱器105和第一級脈管冷端換 熱器107存在溫差，從而實現(xiàn)制冷效應(yīng)，并在第一級冷端換熱器105和第一級脈管冷端換熱器107處將冷量取出。從預(yù)冷段回熱器104出來的另外一部分氣體經(jīng)過聲壓放大器117后經(jīng)過低溫段回熱器118換熱后，進入第二級脈管122膨脹制冷，溫度降低，氣體在進出第二級冷端換熱器119和第二級脈管冷端換熱器121存在溫差，從而實現(xiàn)制冷效應(yīng)，并在第二級器冷端換熱器119和第二級脈管冷端換熱器121處將冷量取出。其中慣性管和氣庫是調(diào)相結(jié)構(gòu)，其目的是為了在回熱器中獲得壓力波和質(zhì)量流之間合適的相角。實施例4如圖4所示，一種使用常溫慣性管和氣庫調(diào)相的采用聲壓放大器的氣耦合二級脈管制冷機包括壓縮機101、傳輸管102、熱端換熱器103、預(yù)冷段回熱器104，第一級冷端換熱器105、第一級冷端流道106、第一級脈管冷端換熱器107、第一級脈管109、第一級脈管熱端換熱器110、第一級慣性管111、第一級氣庫112、聲壓放大器117、低溫段回熱器118、第二級冷端換熱器119、第二級冷端流道120、第二級脈管冷端換熱器121、第二級脈管122、第二級脈管熱端換熱器123、第二級慣性管124、第二級氣庫125，其中壓縮機101與傳輸管102、熱端換熱器103、預(yù)冷段回熱器104、第一級冷端換熱器105、第一級冷端流道106、第一級脈管冷端換熱器107、第一級脈管109、第一級脈管熱端換熱器110、第一級慣性管111、第一級氣庫112依次連接；聲壓放大器117與低溫段回熱器118、第二級冷端換熱器119、第二級冷端流道120、第二級脈管冷端換熱器121、第二級脈管122、第二級脈管熱端換熱器123、第二級低溫慣性管124、第二級氣庫125依次相連，聲壓放大器117與第一級冷端流道106和第一級冷端換熱器105相連，熱橋108與第一級脈管冷端換熱器107、第一級冷端換熱器105及第二級脈管熱端換熱器123和第二級慣性管124、第二級氣庫125相連，用于對第二級慣性管124、第二級氣庫125預(yù)冷，進步提高脈管制冷機的制冷效率。綜上所述本發(fā)明包括兩部分，第一部分是采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，它同時適合于熱耦合多級脈管制冷機和氣耦合脈管制冷機，它可以在多級脈管制冷機的每一個預(yù)冷處選擇性使用；第二部分是采用聲壓放大器的多級脈管制冷機的調(diào)相方式可以是常溫慣性與氣庫的組合、低溫慣性管與氣庫的組合以及活塞中的任何一種 。
權(quán)利要求
1.一種采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，包括預(yù)冷脈管制冷機單元(PTC-I)和低溫脈管制冷機單元(PTC-2)，所述低溫脈管制冷機單元(PTC-2)的回熱器包括預(yù)冷段回熱器(16)和低溫段回熱器(18)，其特征在于，所述預(yù)冷段回熱器(16)的出口端與低溫段回熱器(18)進口端之間通過聲壓放大器(17)連通；所述預(yù)冷脈管制冷機單元(PTC-I)和低溫脈管制冷機單元(PTC-2)之間通過連接在預(yù)冷脈管制冷機單元(PTC-I)的冷端(5，7)和所述聲壓放大器(17)之間的熱橋(8)進行熱耦合，該熱橋(8)同時與所述預(yù)冷段回熱器(16)和低溫段回熱器(18)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，其特征在于，所述聲壓放大器(17)是長度為1/4λ的長頸管，λ為氦氣在預(yù)冷脈管制冷機單元(PTC-I)的冷端溫區(qū)下的聲波波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，其特征在于，所述預(yù)冷脈管制冷機單元(PTC-I)包括 第一級壓縮機(I)、第一級熱端換熱器(3)、第一級回熱器(4)、位于第一級回熱器(4)冷端的第一級回熱器冷端換熱器(5)、第一級冷端流道￠)、第一級脈管冷端換熱器(7)、第一級脈管(9)、第一級脈管熱端換熱器(10)、以及與第一級脈管熱端換熱器(10)連通的第一級調(diào)相部件； 所述第一級熱端換熱器(3)設(shè)置在所述第一級壓縮機(I)和第一級回熱器(4)之間，用于將第一級壓縮機(I)排出的氣體冷卻至室溫，并將高壓室溫氣體傳輸給第一級回熱器(4)； 所述第一級回熱器冷端換熱器(5)和第一級脈管冷端換熱器(7)分別通過熱橋(8)與所述聲壓放大器(17)熱耦合連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，其特征在于，所述第一級調(diào)相部件由第一級氣庫(12)以及將第一級氣庫(12)與第一級脈管熱端換熱器(10)連通的第一級慣性管(11)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，其特征在于，所述低溫脈管制冷機單元(PTC-2)包括 第二級壓縮機(13)、第二級熱端熱端換熱器(15)、預(yù)冷段回熱器(16)、低溫段回熱器(18)、位于低溫段回熱器(18)冷端的第二級冷端換熱器(19)、第二級冷端流道(20)、第二級脈管冷端換熱器(21)、第二級脈管(22)、第二級脈管熱端換熱器(23)、以及與第二級脈管熱端換熱器(23)連通的第二級調(diào)相部件； 所述第二級熱端換熱器(15)設(shè)置在所述第二級壓縮機(13)和預(yù)冷段回熱器(16)之間，用于將第二級壓縮機(13)排出的氣體冷卻至室溫，并將高壓室溫氣體傳輸給預(yù)冷段回熱器(16)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，其特征在于，所述第二級調(diào)相部件由第二級氣庫(25 )以及將第二級氣庫(25 )與第二級脈管熱端換熱器(23 )連通的第二級慣性管(24)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，其特征在于，所述第二級調(diào)相部件和所述第二級脈管熱端換熱器(23)同時與熱橋(8)連接。
8.一種采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，包括預(yù)冷脈管制冷機單元(PTC-I)和低溫脈管制冷機單元(PTC-2)，預(yù)冷脈管制冷機單元(PTC-I)和低溫脈管制冷機單元(PTC-2)通過共用的壓縮機(101)和預(yù)冷段回熱器(104)進行氣耦合，其特征在于，所述的低溫脈管制冷機單元(PTC-2)中還包括低溫段回熱器(118)，該低溫段回熱器的熱端通過聲壓放大器(117)與預(yù)冷段回熱器(104)的冷端連通，該低溫段回熱器的冷端通過第二級冷端流道(120)與低溫脈管制冷機單元(PTC-2)內(nèi)的第二級脈管(122)的冷端連通。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，其特征在于，所述預(yù)冷脈管制冷機單元(PTC-I)內(nèi)設(shè)有第一級調(diào)相部件；所述的低溫脈管制冷機單元(PTC-2)內(nèi)設(shè)有第二級調(diào)相部件；所述第一級調(diào)相部件由第一級氣庫(112)以及將第一級氣庫(112)與第一級脈管熱端換熱器(110)連通的第一級慣性管(111)組成；所述第二級調(diào)相部件由第二級氣庫(125)以及將第二級氣庫(125)與第二級脈管熱端換熱器(123)熱端連通的第二級慣性管(124)組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，其特征在于，第一級脈管(109)冷端、預(yù)冷段回熱器(104)的冷端分別通過熱橋(108)與第二級調(diào)相部件以及第二級脈管(122)熱端相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，包括預(yù)冷脈管制冷機單元和低溫脈管制冷機單元，所述低溫脈管制冷機單元的回熱器包括預(yù)冷段和低溫段，所述預(yù)冷段的出口端與低溫段進口端之間通過聲壓放大器連通；所述預(yù)冷脈管制冷機單元和低溫脈管制冷機單元之間通過連接在預(yù)冷脈管制冷機單元的冷端和所述聲壓放大器之間的熱橋進行熱耦合，該熱橋同時與所述預(yù)冷段和低溫段相連，也可將上述結(jié)構(gòu)的聲壓放大器應(yīng)用到氣耦合的制冷系統(tǒng)中。本發(fā)明采用在低溫脈管制冷機單元中設(shè)置聲壓放大器，大大提高了脈管制冷機的驅(qū)動壓比，提高了脈管制冷機的工作效率，僅采用第二級制冷就可以到達液氦溫區(qū)，同時具有結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長等優(yōu)點。
文檔編號F25B9/14GK102901263SQ20121045498
公開日2013年1月30日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者王博, 劉東立, 王龍一, 甘智華, 張學(xué)軍, 張小斌, 汪偉偉, 吳鎂, 劉雨夢 申請人:浙江大學(xué)