專利名稱：帶有孔板式換熱器的脈沖管制冷機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及制冷與低溫技術(shù)領(lǐng)域的脈沖管制冷機，特別是涉及一種帶有孔板式換熱器的多級脈沖管制冷機。
脈沖管制冷機是近年來得到迅速發(fā)展的一種新的制冷設(shè)備，它的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，低溫下無運動部件，運轉(zhuǎn)可靠、無振動且壽命長。
最初的脈沖管由Gifford和Longsworth于1963年發(fā)明，他們利用一股氣體在薄壁管內(nèi)做周期性振蕩產(chǎn)生制冷效果，發(fā)明了基本型脈沖管制冷機，單級最低制冷溫度只能達到124K的溫度。1984年前蘇聯(lián)的Mikulin在基本型脈沖管制冷機的熱端作出重大改進，加上了氣庫和閥門，形成小孔型脈沖管制冷機，大大提高了脈沖管制冷機的制冷能力，取得了64K的最低制冷溫度。1990年西安交通大學(xué)的朱紹偉提出了雙向進氣型脈沖管制冷機，用氣體分配器(紫銅管加上可調(diào)節(jié)的小孔)把一股氣流從壓縮機的出口接到脈沖管熱端，獲得了42K的最低制冷溫度。
單級脈沖管溫度直接降到液氦溫區(qū)存在很大困難，為進一步降低脈沖管制冷機的制冷溫度，人們采用多級脈沖管制冷方案。1967年美國的Longsworth采用二級基本型脈沖管制冷機獲得79K的低溫。1988年中科院低溫中心周遠等研制了小孔型兩級脈沖管制冷機，獲得31K的最低溫度。1990年美國的Tward采用串聯(lián)型兩級脈沖管制冷機獲得26K的最低溫度。1994年日本的Matsubara等人采用磁性蓄冷材料和回熱管結(jié)構(gòu)，首次研制成功一臺獲得液氦溫度的三級脈沖管制冷機，最低溫度為3.5K。
上述二級或三級脈沖管制冷機，如


圖1和2所示，包括壓縮機、脈沖管、蓄冷器、旋轉(zhuǎn)閥、雙向進氣閥、小孔、氣庫，壓縮機1通過旋轉(zhuǎn)閥6與一級蓄冷器A熱端相連，并通過雙向進氣閥3連接各級脈沖管的熱端；一級蓄冷器A冷端與一級脈沖管I冷端相連接；低溫區(qū)二級蓄冷器B冷端與二級脈沖管II冷端相連，三級蓄冷器C的冷端分別與三級脈沖管III冷端相連，各級脈沖管的熱端分別通過小孔2與相應(yīng)的脈沖管氣庫相連，一級蓄冷器A交替填入銅絲網(wǎng)和不銹鋼絲網(wǎng)，低溫級蓄冷器II、III中填入鉛球、磁性蓄冷材料和不銹鋼絲網(wǎng)。
多級脈沖管制冷機的低溫循環(huán)在整機循環(huán)中起著產(chǎn)生冷量的作用，而低溫蓄冷器在低溫循環(huán)中有著舉足輕重的作用。上述的多級脈沖管在低溫區(qū)一般采用Er3Ni、ErNi、ErNi2、ErNi0.9Co0.1等磁性填料作為蓄冷器材料，而磁性蓄冷材料有以下缺點一、盡管在磁相變過程低溫下比熱出現(xiàn)峰值，但或者峰值發(fā)生的溫度范圍較窄，或者在較寬的溫度范圍內(nèi)峰值較低，且在較高溫度(＞15K)下其比熱較小，另外磁性蓄冷材料在低溫下熱容隨溫度而變化，將影響制冷機效率；二、磁性蓄冷材料在氣體交變流動中易出現(xiàn)粉末化現(xiàn)象，產(chǎn)生的粉末會進入流道，污染制冷系統(tǒng)，使制冷機性能惡化；三、磁性蓄冷材料對超導(dǎo)及紅外設(shè)備等的性能會產(chǎn)生很大影響，因此限制了脈沖管制冷機的使用范圍。
本實用新型的目的在于克服上述多級脈沖管制冷機存在的諸多缺點，提出一種在低溫區(qū)不使用磁性填料帶有孔板式換熱器的脈沖管制冷機，即提供一種可提高制冷效率，對稱布置的帶有孔板式換熱器的多級制冷機。對稱布置結(jié)構(gòu)相同的兩個二級或三級脈沖管的壓力波反相，在孔板換熱器中相互預(yù)冷對方的第二或三級脈沖管進氣，從而達到提高制冷效率的功效。
本實用新型的實施方案如下本實用新型提供的帶有孔板式換熱器的多級脈沖管制冷機，包括壓縮機、脈沖管、蓄冷器、旋轉(zhuǎn)閥、雙向進氣閥、小孔和脈沖管氣庫，旋轉(zhuǎn)閥連通壓縮機和一級蓄冷器熱端，與脈沖管氣庫相連通的雙向進氣閥和各級脈沖管熱端及一級蓄冷器熱端相連，各級蓄冷器冷端與相應(yīng)的脈沖管冷端相連，各級脈沖管熱端分別通過小孔與相應(yīng)的脈沖管氣庫相連通，以構(gòu)成二級或三級脈沖管制冷單元，其特征在于兩組結(jié)構(gòu)相同、壓力波反相的二級或三級脈沖管制冷單元對稱連接于壓縮機兩側(cè)，兩側(cè)的二級或三級脈沖管制冷單元通過旋轉(zhuǎn)閥分別和壓縮機兩側(cè)相連通，兩側(cè)的二級或三級制冷單元的一級或二級蓄冷器冷端與孔板式換熱器的一端相連，兩側(cè)的二級或三級制冷單元的二級或三級脈沖管的冷端和孔板式換熱器的另一端相連；孔板式換熱器為已有技術(shù)中由多層孔板和不銹鋼隔片相間疊合而成的孔板式換熱器。
本實用新型由于將兩組結(jié)構(gòu)相同、壓力波反相的二級或三級脈沖管制冷單元對稱連接于壓縮機兩側(cè)，并于兩側(cè)的二級或三級脈沖管制冷單元的一級或二級蓄冷器冷端和二級或三級脈沖管冷端之間安裝孔板式換熱器，孔板式換熱器采用開有密集細孔的薄銅片為導(dǎo)熱元件，在兩個傳熱元件之間夾入不銹鋼隔熱片?？装鍝Q熱器具有以下優(yōu)點1)具有很大的比表面積與換熱系數(shù)；2)隔熱墊減少了縱向?qū)幔?)孔眼長徑比小，不能形成穩(wěn)定的邊界層，換熱效率高；4)緊湊性好。
在低溫(4K-18K)下，頻率為2～10時，銅的熱滲透深度很大，達1m以上，因此可使熱量較完全地由換熱器的一側(cè)傳到另一側(cè)；并且在這一溫區(qū)，氦的比熱很大，高于磁性蓄冷材料的比熱，可保證回氣帶走足夠的熱量，以達到所需的脈沖管入口溫度。
在本實用新型中，孔板式換熱器既是一換熱器使系統(tǒng)兩側(cè)進行熱量交換，相互預(yù)冷對方最后一級脈沖管的入口氣體；同時又是一蓄冷器系統(tǒng)兩側(cè)位于孔板換熱器中的部分氣體在二級蓄冷器、孔板換熱器及三級脈沖管中來回振蕩，孔板換熱器中系統(tǒng)一側(cè)的氣體在進氣時被另一側(cè)氣體冷卻，放出熱量，在回氣時又吸收另一側(cè)氣體的熱量，周期性地進行換熱，起到了蓄冷器的作用。
所以本實用新型提供的帶有孔板式換熱器的脈沖管制冷機具有效率高，適用范圍廣的特點。
以下結(jié)合附圖和實施例進一步描述本實用新型附
圖1為已有技術(shù)中的二級脈沖管制冷機結(jié)構(gòu)示意圖，附圖2為已有技術(shù)中的三級脈沖管制冷機結(jié)構(gòu)示意圖，附圖3為本實用新型兩組三級脈沖管制冷單元對稱布置的結(jié)構(gòu)示意圖，附圖4為本實用新型兩組二級脈沖管制冷單元對稱布置的結(jié)構(gòu)示意圖，附圖5為孔板式換熱器中銅孔板結(jié)構(gòu)示意圖，附圖6為孔板式換熱器中不銹鋼隔片結(jié)構(gòu)示意圖。
其中I一級脈沖管 I′一級脈沖管氣庫 A一級蓄冷器II二級脈沖管II′二級脈沖管氣庫B二級蓄冷器
III三級脈沖管III′三級脈沖管氣庫 C三級蓄冷器l壓縮機 2小孔 3雙向進氣閥L制冷機左側(cè) R制冷機右側(cè) 6旋轉(zhuǎn)閥E孔板式換熱器附圖3為本實用新型的一種實施例結(jié)構(gòu)示意圖，即為兩組結(jié)構(gòu)相同、壓力波反相的三級脈沖管制冷單元安裝于壓縮機1兩側(cè)，并于兩側(cè)的三級脈沖管冷端和二級蓄冷器冷端之間連接孔板式換熱器E，如圖3所示，在本實施例的L(左)或R(右)側(cè)均包括脈沖管I、II、III和旋轉(zhuǎn)閥6、蓄冷器A、R，雙向進氣閥3，小孔2和氣庫I′、II′、III′，壓縮機1通過旋轉(zhuǎn)閥6與一級蓄冷器A熱端相連，并通過雙向進氣閥3分別連接脈沖管I、II、III的熱端；一級蓄冷器A和二級蓄冷器B冷端分別與一級脈沖管I和二級脈沖管II冷端相連接二級蓄冷器B的出口與孔板換熱器E一端相連，孔板換熱器E的另一端與三級脈沖管III的冷端相連接；脈沖管I、II、III的熱端分別通過小孔2與氣庫I′,II′,III′相連。在孔板式換熱器中，L(左)側(cè)流道與R(右)側(cè)流道分開，分別與兩側(cè)的三級脈沖管III相連接。這樣便構(gòu)成了本實用新型的帶有孔板式換熱器的脈沖管制冷機。其制冷流程為L(左)側(cè)旋轉(zhuǎn)閥6轉(zhuǎn)動，使L側(cè)與壓縮機1高壓側(cè)連通，氣體從壓縮機1流出，對L側(cè)充氣，壓力升高；同時R(右)側(cè)旋轉(zhuǎn)閥6轉(zhuǎn)動，使R(右)側(cè)與壓縮機1低壓側(cè)連通，<2>側(cè)放氣，氣體膨脹，向壓縮機回流，壓力降低。L側(cè)的一級脈沖管I與二級脈沖管II的氣體分別被漸次推擠向?qū)?yīng)的小孔2和氣庫I′，II′移動；L側(cè)在孔板換熱器E中的部分氣體經(jīng)一級脈沖管I和二級脈沖管II冷卻后，在孔板換熱器E中被R側(cè)由第三級脈沖管III中回流的氣體預(yù)冷，放出熱量，被推擠向L側(cè)的第三級脈沖管III移動；L側(cè)三級脈沖管III內(nèi)氣體也被漸次推擠向小孔2和氣庫III′移動。R側(cè)在孔板換熱器E和第三級脈沖管III冷端的部分氣體從三級脈沖管III中回流，在孔板換熱器E中吸收來自L側(cè)的熱量，，將L側(cè)回流的氣體預(yù)冷，自身溫度升高后，流向二級蓄冷器B；R側(cè)的一級脈沖管I與二級脈沖管II的氣體漸次向氣源(壓縮機1)推移擴張，氣體膨脹降壓，制取冷量。
L側(cè)充氣完畢，保持高壓，脈沖管I、II、III內(nèi)氣體分別經(jīng)對應(yīng)的小孔2流向氣庫I′、II′、III′；R側(cè)放氣完畢，保持低壓，氣庫I′，II′，III′內(nèi)氣體分別經(jīng)對應(yīng)的小孔2流向脈沖管I、II、III。
L側(cè)旋轉(zhuǎn)閥6轉(zhuǎn)動，使L側(cè)與壓縮機1低壓側(cè)連通，L側(cè)放氣，氣體膨脹，向壓縮機1回流，壓力降低；同時R側(cè)旋轉(zhuǎn)閥6轉(zhuǎn)動，使R側(cè)與壓縮機1高壓側(cè)連通，氣體從壓縮機1流出，對R側(cè)充氣，壓力升高。L側(cè)在孔板式換熱器E和第三級脈沖管III冷端的一部分氣體從三級脈沖管III中回流，在孔板換熱器E中吸收來自R側(cè)的熱量，將R側(cè)回流的氣體預(yù)冷，自身溫度升高后，流向二級蓄冷器B；L側(cè)的一級脈沖管I與二級脈沖管II的氣體漸次向氣源(壓縮機1)推移擴張，氣體膨脹降壓，制取冷量。R側(cè)的一級脈沖管I與二級脈沖管II的氣體分別被漸次推擠向?qū)?yīng)的小孔2和氣庫I′、II′移動；R側(cè)在孔板換熱器E中的部分氣體經(jīng)一級脈沖管I和二級脈沖管II冷卻后，在孔板換熱器E中被L側(cè)由第三級脈沖管III中回流的氣體預(yù)冷，放出熱量，被推擠向R側(cè)的第三級脈沖管III移動；R側(cè)三級脈沖管III內(nèi)氣體也被漸次推擠向小孔2和氣庫III′移動。
R側(cè)充氣完畢，保持高壓，脈沖管I、II、III內(nèi)氣體分別經(jīng)對應(yīng)的小孔2流向氣庫I′、II′、III′；L側(cè)放氣完畢，保持低壓，氣庫I′、II′、III′內(nèi)氣體分別經(jīng)對應(yīng)的小孔2流向脈沖管I、II、III；完成一次循環(huán)。
附圖4為本實用新型的另一種實施例結(jié)構(gòu)示意圖，即為兩組結(jié)構(gòu)相同、壓力波反相的二級脈沖管制冷單元安裝于壓縮機兩側(cè)，并于兩側(cè)的二級脈沖管冷端和一級蓄冷器冷端之間連接孔板式換熱器E，其結(jié)構(gòu)和制冷流程均與實施1相同，在此不予贅述。
權(quán)利要求1.一種帶有孔板式換熱器的多級脈沖管制冷機，包括壓縮機、脈沖管、蓄冷器、旋轉(zhuǎn)閥、雙向進氣閥、小孔和脈沖管氣庫，旋轉(zhuǎn)閥連通壓縮機和一級蓄冷器熱端，與脈沖管氣庫相連通的雙向進氣閥和各級脈沖管熱端及一級蓄冷器熱端相連，各級蓄冷器冷端與相應(yīng)的脈沖管冷端相連，各級脈沖管熱端分別通過小孔與相應(yīng)的脈沖管氣庫相連通，以構(gòu)成二級或三級脈沖管制冷單元，其特征在于兩組結(jié)構(gòu)相同、壓力波反相的二級或三級脈沖管制冷單元對稱連接于壓縮機兩側(cè)，兩側(cè)的二級或三級脈沖管制冷單元通過旋轉(zhuǎn)閥分別和壓縮機兩側(cè)相連通，兩側(cè)的二級或三級制冷單元的一級或二級蓄冷器冷端與孔板式換熱器的一端相連，兩側(cè)的二級或三級制冷單元的二級或三級脈沖管的冷端和孔板式換熱器的另一端相連。
專利摘要本實用新型涉及帶有孔板式換熱器的多級脈沖管制冷機，其特征在于在壓縮機兩側(cè)對稱連接兩組結(jié)構(gòu)相同、壓力波反相的二級或三級脈沖管制冷單元，并于兩側(cè)的二級或三級制冷單元的一級或二級蓄冷器冷端與二級或三級脈沖管冷端之間連接孔板式換熱器，這種換熱器具有高效、緊湊的特點，在低溫下工作性能穩(wěn)定，克服了制冷機在低溫下受蓄冷材料熱容變化影響的缺點，提高了系統(tǒng)的效率，并避免了因使用磁性蓄冷材料對脈沖管制冷機應(yīng)用的限制。
文檔編號F25B23/00GK2354083SQ98252020
公開日1999年12月15日 申請日期1998年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月29日
發(fā)明者梁驚濤, 孫衛(wèi)佳, 楊魯偉, 戴巍, 周遠 申請人:中國科學(xué)院低溫技術(shù)實驗中心