專利名稱：帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫制冷技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機。
背景技術(shù)：
脈管制冷機誕生于20世紀(jì)60年代，與斯特林制冷機和G-M制冷機相比，脈管制冷機冷端膨脹腔為一根空管，無運動部件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、振動小、壽命長等優(yōu)勢， 近年來在空間技術(shù)、國防軍事、醫(yī)學(xué)醫(yī)療等方面受到了廣泛應(yīng)用。由于脈管進、出口流道截面的突變和管壁的非絕熱性，在脈管內(nèi)不可避免地的存在環(huán)流損失、阻力損失、管壁導(dǎo)熱損失、穿梭損失、邊界層泵氣損失等，其中僅脈管壁面的非絕熱損失(穿梭損失、導(dǎo)熱損失) 就可占毛制冷量的20%-60%，嚴(yán)重削弱了脈管的制冷性能。脈管管壁的熱損失與管壁溫度梯度以及管內(nèi)氣體的溫度梯度有關(guān)，對于冷熱端溫度跨度較大的脈管制冷機，如20-300K、 4. 2-300K溫區(qū)的脈管制冷機，其管壁的非絕熱損失不可忽視。目前脈管的流動損失可通過在進、出口布置層流化元件(如絲網(wǎng)、金屬泡沫層等)進行改善，而脈管管壁熱損失尚無有效方法改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有脈管制冷機的不足，提供一種能夠減小脈管近冷端的溫度梯度，降低脈管熱損失，從而提高脈管制冷機性能的帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機。帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機包括壓縮機、熱端連管、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、第一回?zé)崞鳌⒌谝焕涠藫Q熱器、第一脈管、第一脈管熱端換熱器、第一調(diào)相裝置、第二回?zé)崞?、第二冷端換熱器、冷端連管、第二脈管、脈管預(yù)冷換熱器、第二脈管熱端換熱器、第二調(diào)相裝置；壓縮機、熱端連管、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、第一回?zé)崞?、第一冷端換熱器、第一脈管、第一脈管熱端換熱器、第一調(diào)相裝置順次相連，第二回?zé)崞鳌⒌诙涠藫Q熱器、冷端連管、第二脈管、脈管預(yù)冷換熱器、第二脈管熱端換熱器、第二調(diào)相裝置順次相連；脈管上設(shè)有預(yù)冷換熱器，脈管預(yù)冷換熱器與第一冷端換熱器相連。所述的脈管預(yù)冷換熱器的預(yù)冷量由多級脈管制冷機提供。所述的脈管預(yù)冷換熱器布置在脈管外壁面。所述的脈管預(yù)冷換熱器布置在脈管內(nèi)部，所述脈管的預(yù)冷換熱器是絲網(wǎng)填充型、狹縫型等多孔結(jié)構(gòu)。所述的脈管預(yù)冷換熱器布置在脈管上壁面溫度高于預(yù)冷換熱器溫度的任意位置。所述的脈管預(yù)冷換熱器同時布置多個在脈管壁面上不同溫度的位置。所述的脈管制冷機是熱耦合型脈管制冷機、氣耦合型脈管制冷機、G-M型脈管制冷機或斯特林型脈管制冷機。本發(fā)明在脈管上布置預(yù)冷換熱器，協(xié)助熱端換熱器帶走脈管內(nèi)的熱量，此外預(yù)冷換熱器降低了脈管壁面靠近冷端部分的溫度梯度，脈管內(nèi)的氣體也受到冷卻，從而減少了脈管冷端的熱損失。對于多級脈管制冷機，可直接將自身上一級冷頭或回?zé)崞鞯睦淞客ㄟ^預(yù)冷換熱器供給下一級的脈管，無需其他額外冷源，只需消耗高溫區(qū)較小的冷量就可以得到冷頭低溫區(qū)性能較大的提升，同時還能加快冷頭降溫速度。本發(fā)明不同于多路旁通結(jié)構(gòu)的脈管制冷機(專利公告號CN1067499)，脈管與各級冷頭之間無氣路相通，相互獨立，只通過換熱器進行熱傳遞而無質(zhì)量傳遞，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定。


圖1是帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機結(jié)構(gòu)示意圖2 (a)是帶自預(yù)冷脈管的氣耦合型多級脈管制冷機結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2 (b)是帶自預(yù)冷脈管的熱耦合型多級脈管制冷機結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是脈管預(yù)冷型與無預(yù)冷型兩級制冷機實驗結(jié)果對比圖。
具體實施例方式如圖1所示，帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機包括壓縮機1、熱端連管2、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器3、第一回?zé)崞?、第一冷端換熱器5、第一脈管6、第一脈管熱端換熱器7、第一調(diào)相裝置 8、第二回?zé)崞?、第二冷端換熱器10、冷端連管11、第二脈管12、脈管預(yù)冷換熱器13、第二脈管熱端換熱器14、第二調(diào)相裝置15 ；壓縮機1、熱端連管2、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器3、第一回?zé)崞?、第一冷端換熱器5、第一脈管6、第一脈管熱端換熱器7、第一調(diào)相裝置8順次相連，第二回?zé)崞?、第二冷端換熱器10、冷端連管11、第二脈管12、脈管預(yù)冷換熱器13、第二脈管熱端換熱器14、第二調(diào)相裝置15順次相連；脈管12上設(shè)有預(yù)冷換熱器13，脈管預(yù)冷換熱器 13與第一冷端換熱器5相連。所述的脈管預(yù)冷換熱器13的預(yù)冷量由多級脈管制冷機自身提供。所述的脈管預(yù)冷換熱器13可以布置在脈管外壁面。所述的脈管預(yù)冷換熱器13可以布置在脈管內(nèi)部，脈管預(yù)冷換熱器是絲網(wǎng)填充型、狹縫型等多孔結(jié)構(gòu)。所述的脈管預(yù)冷換熱器13可以布置在脈管上壁面溫度高于預(yù)冷換熱器溫度的任意位置。所述的脈管預(yù)冷換熱器可以同時布置多個在脈管壁面上不同溫度的位置，如圖2所示。所述的脈管制冷機可以是熱耦合型脈管制冷機、氣耦合型脈管制冷機、G-M型脈管制冷機或斯特林型脈管制冷機。預(yù)冷換熱器需采用導(dǎo)熱良好的銅或鋁等金屬。對于脈管壁面預(yù)冷型換熱器，換熱器的結(jié)構(gòu)可以做成兩個與脈管管壁吻合的半圓，管壁與換熱器之間需填入導(dǎo)熱硅膠或銦片等導(dǎo)熱良好的材料以保證兩者完全接觸。對于伸入脈管內(nèi)部的預(yù)冷換熱器，換熱器可以做成狹縫式、絲網(wǎng)填充式等多孔型，換熱器的結(jié)構(gòu)必須是均勻?qū)ΨQ的，以保證氣流流過換熱器不會產(chǎn)生紊亂。為了驗證本發(fā)明的有效性，對一臺兩級斯特林型脈管制冷機進行了實驗。第二級脈管長107mm，溫度跨度約為26K-300K，采用第一級冷頭預(yù)冷第二級脈管中部距離冷頭 57mm處，壁面預(yù)冷。實驗結(jié)果如圖3所示，與無預(yù)冷脈管的情況相比，在相同的輸入工況下， 帶預(yù)冷脈管的脈管制冷機第二級最低制冷溫度從沈.6K下降到18. 1K，脈管所需預(yù)冷量為 1. 35腳82. 9K。
權(quán)利要求
1.一種帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機，包括壓縮機(1)、熱端連管(2)、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器(3)、第一回?zé)崞?4)、第一冷端換熱器(5)、第一脈管(6)、第一脈管熱端換熱器(7)、第一調(diào)相裝置(8)、第二回?zé)崞?9)、第二冷端換熱器(10)、冷端連管(11)、第二脈管(12)、脈管預(yù)冷換熱器(13)、第二脈管熱端換熱器(14)、第二調(diào)相裝置(15);壓縮機(1)、熱端連管 (2)、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器(3)、第一回?zé)崞?4)、第一冷端換熱器(5)、第一脈管(6)、第一脈管熱端換熱器(7)、第一調(diào)相裝置(8)順次相連，第二回?zé)崞?9)、第二冷端換熱器(10)、冷端連管(11)、第二脈管(12)、脈管預(yù)冷換熱器(13)、第二脈管熱端換熱器(14)、第二調(diào)相裝置 (15)順次相連；其特征在于脈管(12)上設(shè)有預(yù)冷換熱器(13)，脈管預(yù)冷換熱器(13)與第一冷端換熱器(5)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機，其特征在于所述的脈管預(yù)冷換熱器(13)的預(yù)冷量由多級脈管制冷機提供。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機，其特征在于所述的脈管預(yù)冷換熱器(13)布置在脈管外壁面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機，其特征在于所述的脈管預(yù)冷換熱器(13)布置在脈管內(nèi)部，所述的脈管預(yù)冷換熱器是絲網(wǎng)填充型、狹縫型等多孔結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機，其特征在于所述的脈管預(yù)冷換熱器(13)布置在脈管上壁面溫度高于預(yù)冷換熱器溫度的任意位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機，其特征在于所述的脈管預(yù)冷換熱器(13)同時布置多個在脈管壁面上不同溫度的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機，其特征在于所述的脈管制冷機是熱耦合型脈管制冷機、氣耦合型脈管制冷機、G-M型脈管制冷機或斯特林型脈管制冷機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶自預(yù)冷脈管的脈管制冷機。壓縮機、熱端連管、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、第一回?zé)崞鳌⒌谝焕涠藫Q熱器、第一脈管、第一脈管熱端換熱器、第一調(diào)相裝置順次相連，第二回?zé)崞?、第二冷端換熱器、冷端連管、第二脈管、脈管預(yù)冷換熱器、第二脈管熱端換熱器、第二調(diào)相裝置順次相連，脈管預(yù)冷換熱器與第一冷端換熱器相連。本發(fā)明在脈管上設(shè)有預(yù)冷換熱器，減小了脈管近冷端的溫度梯度，降低了脈管的熱損失，同時可以協(xié)助脈管熱端帶走管內(nèi)氣體的熱量，從而提高冷頭的制冷性能。對于多級脈管制冷機，下一級脈管的預(yù)冷量由上一級冷頭或回?zé)崞魈峁?，只消耗高溫區(qū)較小的冷量預(yù)冷脈管，就可以得到低溫區(qū)冷頭性能較大的提高。本發(fā)明操作簡單，容易實現(xiàn)。
文檔編號F25B9/14GK102331105SQ20111028503
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者曹強, 植曉琴, 甘智華, 邱利民 申請人:浙江大學(xué)