本發(fā)明涉及高頻脈管低溫制冷機(jī)領(lǐng)域，特別涉及一種脈管制冷機(jī)。

背景技術(shù)：

隨著軍事、航天、醫(yī)學(xué)和空間技術(shù)的發(fā)展，精密的設(shè)備和電子器件對(duì)于低溫冷卻技術(shù)的可靠性、振動(dòng)、體積等要求越來(lái)越苛刻，這使得冷端無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)緊湊和長(zhǎng)壽命的脈管制冷機(jī)成為低溫制冷技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的低溫制冷機(jī)(例如斯特林制冷機(jī)或G-M制冷機(jī))中，依靠在膨脹氣缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的排出器為制冷工質(zhì)提供正確的相位，以實(shí)現(xiàn)高效的制冷效應(yīng)。因此，在脈管制冷機(jī)中必須附加有效的調(diào)相器來(lái)補(bǔ)償被消除的排出器的功能，才能獲得滿意的制冷效率。

目前高頻脈管制冷機(jī)通常采用慣性管1’與氣庫(kù)2’作為調(diào)相器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。用電模擬方法對(duì)慣性管進(jìn)行分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)慣性管的調(diào)相角度主要受工質(zhì)物性、頻率和慣性管1’管徑等參數(shù)的影響，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。而且通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)表明，慣性管1’可在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)相位，不僅適用于大功率制冷機(jī)，也能滿足小型制冷系統(tǒng)的需求。另外，對(duì)比試驗(yàn)指出，采用慣性管和雙向進(jìn)氣閥聯(lián)合的調(diào)相結(jié)構(gòu)可獲得最優(yōu)的制冷性能，是適用于高頻脈管制冷機(jī)的一種理想調(diào)相方式。因此研究慣性管調(diào)相很有價(jià)值。

由于慣性管內(nèi)氣體的流動(dòng)阻力表現(xiàn)出阻力特性，工質(zhì)的慣性表現(xiàn)出感性，內(nèi)部的空容積表現(xiàn)出容性，因而可以用電路中的電阻、電感和電容的組合來(lái)表示。根據(jù)電模擬方法，如圖2，忽略慣性管容抗，可以得到慣性管入口處調(diào)相機(jī)構(gòu)的阻抗為：

式中，Δp＝p_pt-p_r，即脈管熱端和氣庫(kù)之間的動(dòng)態(tài)壓力差；U_hot為脈管熱端氣體的體積流量；ω＝2πf，是角頻率，其中f為脈管制冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率；R,L分別為慣性管的流阻和流感；C_r為氣庫(kù)容性。

由于氣庫(kù)容積較大，所以公式可以簡(jiǎn)化為：

Z＝R+iωL (2)

可以推導(dǎo)出脈管中壓力波和質(zhì)量流之間最大可能相位差為：

其中，μ為工質(zhì)氣體的動(dòng)力粘度。

但是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)慣性管調(diào)相范圍有限，特別是在深低溫區(qū)小聲功條件下，需要采用低溫慣性管加強(qiáng)調(diào)相，也由此增加了預(yù)冷級(jí)負(fù)荷；并且這種固定的單管結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)靈活度低，不能在頻率、輸入功等運(yùn)行參數(shù)改變的情況下進(jìn)行配合調(diào)相。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種脈管制冷機(jī)，通過(guò)慣性管的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高慣性管的調(diào)相能力，從而提升了制冷機(jī)性能。

一種脈管制冷機(jī)，包括依次連接的壓縮單元、傳輸管、回?zé)崞鲉卧?、連接管、脈管單元、慣性管單元和氣庫(kù)，所述慣性管單元包括至少兩根相互并聯(lián)的慣性管。

其中，回?zé)崞鲉卧ɑ責(zé)崞鳠岫藫Q熱器、回?zé)崞骱突責(zé)崞骼涠藫Q熱器；所述連接管為U形；所述脈管單元包括脈管冷端換熱器、脈管和脈管熱端換熱器；所述壓縮單元采用線性壓縮裝置。

慣性管的性能類比電路中的電阻，慣性管并聯(lián)之后總流阻減小，于是矢量圖中的實(shí)部阻抗項(xiàng)減小，所以壓力波和質(zhì)量流之間的相角增大，調(diào)相能力增強(qiáng)。慣性管的數(shù)量可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，為了使調(diào)相范圍更廣，適應(yīng)性更強(qiáng)，作為優(yōu)選，所述并聯(lián)慣性管，并聯(lián)支路可以是兩支以上，連接于氣庫(kù)與脈管熱端之間。實(shí)現(xiàn)多種慣性管組合，適應(yīng)更多工況條件下的調(diào)相要求。

優(yōu)選的，所述的慣性管單元中，至少有一根慣性管上安裝有調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥選擇可以手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)慣性管阻抗特性的連續(xù)變化，根據(jù)慣性管沿管長(zhǎng)分布的阻抗可以知道阻抗幅值和相角與流阻、流容和流感緊密相關(guān)，并且不是簡(jiǎn)單的單調(diào)線性相關(guān)，在一定的工況下，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的連續(xù)調(diào)節(jié)，阻抗和感抗同時(shí)變化，總阻抗矢量的端部沿著箭頭移動(dòng)，在這個(gè)變化的過(guò)程中，調(diào)相范圍增大，通過(guò)連續(xù)變化，可以在不同工況下繪制出類似的圖像，并找到一個(gè)最佳的調(diào)相狀態(tài)。并且通過(guò)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)閉，可以實(shí)現(xiàn)不同的慣性管組合，適應(yīng)更多的工況條件。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所有慣性管分別安裝有調(diào)節(jié)閥。

優(yōu)選的，在一根裝有調(diào)節(jié)閥的慣性管中，所述的調(diào)節(jié)閥安裝在靠近慣性管入口的位置。這樣調(diào)節(jié)閥，改變氣流局部阻力，就能靈活改變調(diào)節(jié)閥后慣性管內(nèi)阻抗特性，增大調(diào)相的范圍。

優(yōu)選的，在一根裝有調(diào)節(jié)閥的慣性管中，所述的調(diào)節(jié)閥距離慣性管入口的長(zhǎng)度與慣性管的長(zhǎng)度之比為1：11～1:9。

優(yōu)選的，所述的脈管制冷機(jī)為特林脈管制冷機(jī)。高頻情況下調(diào)相作用更加明顯，調(diào)相范圍更大。

優(yōu)選的，所述的脈管制冷機(jī)為多級(jí)。在多級(jí)結(jié)構(gòu)下，脈管熱端聲功較小，采用并聯(lián)慣性管調(diào)相優(yōu)勢(shì)更加明顯，省去了利用低溫慣性管帶來(lái)的額外預(yù)冷負(fù)荷。

為了進(jìn)一步增大調(diào)相角度，優(yōu)選的，所有慣性管中，至少有兩根慣性管的長(zhǎng)度不同。不同實(shí)驗(yàn)工況下，不同長(zhǎng)度的慣性管的變化范圍不同，例如在入口壓比1.0～1.4，頻率50～70Hz，充氣壓力1.8～2.2MPa的條件下，并聯(lián)慣性管長(zhǎng)度在2m～2.5m范圍內(nèi)，且長(zhǎng)度不同，其調(diào)相角度相比同條件下單根慣性管的調(diào)相角度有明顯的提高。

為了進(jìn)一步增大調(diào)相角度，優(yōu)選的，所有慣性管中，至少有兩根慣性管的直徑不同。不同實(shí)驗(yàn)工況下，不同直徑的慣性管的變化范圍不同，例如在入口壓比1.0～1.4，頻率50～70Hz，充氣壓力1.8～2.2MPa的條件下，并聯(lián)慣性管直徑在3mm以上范圍內(nèi)，且直徑不同，其調(diào)相角度相比同條件下單根慣性管的調(diào)相角度有明顯的提高。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的脈管制冷機(jī)，采用并聯(lián)慣性管進(jìn)行調(diào)相，通過(guò)增加支路減小流阻，增大了調(diào)相能力，從而提升了制冷機(jī)性能；采用并聯(lián)慣性管進(jìn)行調(diào)相，各支路慣性管可以進(jìn)行多種組合，增強(qiáng)調(diào)相的靈活性，擴(kuò)大調(diào)相的范圍。

附圖說(shuō)明

圖1是慣性管型脈管制冷機(jī)熱端調(diào)相機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1的電模擬圖。

圖3是實(shí)施例1的脈管制冷機(jī)的示意圖。

圖4是現(xiàn)有技術(shù)的慣性管調(diào)相的脈管制冷機(jī)的示意圖。

圖5是慣性管入口阻抗的矢量示意圖。

圖6是慣性管總阻抗隨長(zhǎng)度變化的軌跡圖。

圖7是實(shí)施例2的脈管制冷機(jī)的示意圖。

圖8是實(shí)施例3的脈管制冷機(jī)的調(diào)相機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖9是不同結(jié)構(gòu)的并聯(lián)慣性管和單管慣性管調(diào)相的模擬結(jié)果對(duì)比示意圖。

圖10是實(shí)施例4的脈管制冷機(jī)的示意圖。

其中：1.線性壓縮裝置；2.傳輸管；3.回?zé)崞鳠岫藫Q熱器；4.回?zé)崞鳎?.回?zé)崞骼涠藫Q熱器；6.U型連接管；7.脈管冷端換熱器；8.脈管；9.脈管熱端換熱器；10.慣性管；11.氣庫(kù)；12.并聯(lián)慣性管；13.調(diào)節(jié)閥；14.熱橋；15.長(zhǎng)徑不同的并聯(lián)慣性管；16.第二級(jí)線性壓縮裝置；17.第二級(jí)傳輸管；18.第二級(jí)回?zé)崞鳠岫藫Q熱器；19.第二級(jí)回?zé)崞鳎?0.第二級(jí)回?zé)崞骼涠藫Q熱器；21.第二級(jí)U型連接管；22第二級(jí)脈管冷端換熱器；23.第二級(jí)脈管；24.第二級(jí)脈管熱端換熱器；25.第二級(jí)并聯(lián)慣性管；26.第二級(jí)氣庫(kù)。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖3所示，本實(shí)施例的脈管制冷機(jī)包括：順次連接線性壓縮裝置1、傳輸管2、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器3、回?zé)崞?、回?zé)崞骼涠藫Q熱器5、U型連接管6、脈管冷端換熱器7、脈管8、脈管熱端換熱器9、并聯(lián)慣性管12、氣庫(kù)11，調(diào)節(jié)閥13安裝在靠近并聯(lián)慣性管12入口的位置。

而現(xiàn)有技術(shù)的制冷機(jī)如圖4所示，除了慣性管10為單根以外，其余結(jié)構(gòu)與本實(shí)施例相同。

在矢量圖中表示脈管熱端(即慣性管10入口)阻抗如圖5所示。橫軸表示阻抗R，縱軸表示感抗ωL，二者的矢量和為總阻抗Z，類比電路中的電阻，當(dāng)慣性管并聯(lián)之后總流阻減小，于是矢量圖中的實(shí)部阻抗項(xiàng)減小，所以壓力波和質(zhì)量流之間的相角增大，調(diào)相能力增強(qiáng)。

如圖6所示，反映了并聯(lián)慣性管12總阻抗隨慣性管長(zhǎng)度變化的關(guān)系，在頻率67Hz，充氣壓力2.5MPa，氣庫(kù)容積足夠大的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)閥13的連續(xù)調(diào)節(jié)，阻抗和感抗同時(shí)變化，總阻抗矢量的端部沿著箭頭移動(dòng)，在這個(gè)變化的過(guò)程中，調(diào)相范圍增大，通過(guò)連續(xù)變化，可以在不同工況下繪制出類似的圖像，并找到一個(gè)最佳的調(diào)相狀態(tài)。并且通過(guò)調(diào)節(jié)閥13的開(kāi)閉，可以實(shí)現(xiàn)不同的并聯(lián)慣性管組合，適應(yīng)更多的工況條件。

實(shí)施例2

如圖7所示，本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，三根并聯(lián)慣性管13接在脈管熱端換熱器9和氣庫(kù)11之間，各慣性管支路上的調(diào)節(jié)閥13都安裝在靠近慣性管入口的位置，在不同的運(yùn)行工況下，通過(guò)開(kāi)閉調(diào)節(jié)閥13形成不同的慣性管組合，或者調(diào)節(jié)各并聯(lián)支路上的調(diào)節(jié)閥13，滿足相應(yīng)工況下的調(diào)相需求。

實(shí)施例3

如圖8所示，本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，在入口壓比1.2，頻率60Hz，充氣壓力2.0MPa的條件下，并聯(lián)慣性管長(zhǎng)度或直徑不同，具體的選擇根據(jù)實(shí)際調(diào)相角度的需求進(jìn)行，兩根慣性管都接在脈管熱端換熱器9和氣庫(kù)11之間，較長(zhǎng)的慣性管15可以適應(yīng)性彎曲。

如圖9所示，在入口壓比1.2，頻率60Hz，充氣壓力2.0MPa的條件下，通過(guò)模擬可以得到，在長(zhǎng)度2m～2.5m范圍內(nèi)，不同長(zhǎng)度慣性管并聯(lián)之后調(diào)相角度比單根慣性管大，且略大于實(shí)施例1中相同慣性管并聯(lián)之后的調(diào)相角度；在直徑3mm以上，不同直徑的慣性管并聯(lián)之后調(diào)相角度比單根慣性管大，且大于實(shí)施例1中相同慣性管并聯(lián)之后的調(diào)相角度。在設(shè)定工況下，通過(guò)模擬可以得出，一定長(zhǎng)度和直徑的變化范圍內(nèi)，并聯(lián)慣性管最佳調(diào)相角度明顯比單管慣性管大，且在達(dá)到相同調(diào)相角度的情況下，并聯(lián)慣性管長(zhǎng)度更短，系統(tǒng)更加緊湊。

實(shí)施例4

如圖10所示，本實(shí)施例的脈管制冷機(jī)包括：順次連接線性壓縮裝置1、傳輸管2、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器3、回?zé)崞?、回?zé)崞骼涠藫Q熱器5、U型連接管6、脈管冷端換熱器7、脈管8、脈管熱端換熱器9、并聯(lián)慣性管12、氣庫(kù)11，組成制冷機(jī)的第一級(jí)，然后順次連接第二級(jí)線性壓縮裝置16、第二級(jí)傳輸管17、第二級(jí)回?zé)崞鳠岫藫Q熱器18、第二級(jí)回?zé)崞?9、第二級(jí)回?zé)崞骼涠藫Q熱器20、第二級(jí)U型連接管21、第二級(jí)脈管冷端換熱器22、第二級(jí)脈管23、第二級(jí)脈管熱端換熱器24、第二級(jí)并聯(lián)慣性管25和第二級(jí)氣庫(kù)26，組成制冷機(jī)的第二級(jí)，熱橋14連接第一級(jí)回?zé)崞骼涠藫Q熱器、第一級(jí)脈管冷端換熱器和第二級(jí)回?zé)崞鞯闹胁?，兩?jí)的慣性管都采用并聯(lián)慣性管13，在不同的運(yùn)行工況下，結(jié)構(gòu)可以是實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3中并聯(lián)慣性管12的任意一種或者組合，滿足相應(yīng)工況下的最佳調(diào)相需求，使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。