一種級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制冷機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于脈管制冷機技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制 冷機。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，脈管制冷機由于其冷端無運動部件，可望真正成為低成本、低振動、運行 穩(wěn)定可靠的長壽命低溫制冷機。隨著脈管制冷機結(jié)構(gòu)的不斷改進，其制冷溫度不斷降低，制 冷量和制冷效率也大幅提高，已在超導(dǎo)器件和紅外設(shè)備的冷卻，以及氣體液化等方面得到 廣泛應(yīng)用。
[0003] 脈管制冷機的發(fā)展主要經(jīng)歷了基本型、小孔型、雙向進氣型以及慣性管型結(jié)構(gòu)，其 中基本型脈管的效率較低，后三者通過在脈管熱端增加了調(diào)相結(jié)構(gòu)，使得回?zé)崞鳙@得更好 的相位，從而提升了制冷效率。然而這些調(diào)相機構(gòu)無一例外需要消耗來自冷端的聲功，這是 脈管制冷機理想效率T/r h低于逆卡諾效率T/(Th-T。）的根本原因。為彌補脈管制冷機這 一缺陷，各國學(xué)者紛紛提出了各種聲功回收型的脈管制冷機。如日本Matsubara等提出的 熱端活塞式脈管制冷機；美國Swift等提出的包含反饋傳輸管結(jié)構(gòu)脈管制冷機，包含慣性 管聲容反饋結(jié)構(gòu)的脈管制冷機，以及基于1/4波長脈管的聲功回收型脈管制冷機；朱紹偉 等提出的階式活塞脈管制冷機等。然而上述結(jié)構(gòu)或增加運動部件，犧牲了脈管制冷機冷端 無運動部件及可靠性高的優(yōu)勢，或存在環(huán)路直流，降低制冷性能。
[0004] 由于脈管制冷機的這一理論缺陷沒有完全被克服，使得其制冷效率隨著制冷溫度 的升高，越來越偏離卡諾效率，較大程度上限制了其在更高溫區(qū)（如80K以上）的廣泛應(yīng) 用。尋求一種高效率的脈管制冷方法，既可將脈管制冷機的應(yīng)用拓展至更高溫區(qū)，又可以保 留脈管制冷機可靠性高以及壽命長等優(yōu)勢，因而顯得十分重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制冷機，根據(jù)需要的制冷溫區(qū)不 同，可方便調(diào)節(jié)脈管制冷機的級數(shù)，保證在該溫區(qū)脈管制冷機的效率最高，遠遠高于傳統(tǒng)的 脈管制冷機制冷效率，可實現(xiàn)脈管制冷機在各個溫區(qū)的使用。
[0006] -種級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制冷機，包括：壓縮機、以及與壓縮機依次串聯(lián)連 通的η套脈管制冷機單元、以及同時與所述11套脈管制冷機單元連接的氣庫，所述η為大于 等于3的正整數(shù)；利用傳輸管回收前級制冷機脈管冷端的聲功，用于驅(qū)動后級制冷機，當級 數(shù)η趨于無窮大時，整機理論效率趨于卡諾效率。
[0007] 對于第η套脈管制冷機單元，其脈管熱端換熱器通過帶閥門的管路與氣庫相連； [0008] 對于其余第i套脈管制冷機單元，其脈管熱端換熱器通過閥門調(diào)節(jié)組件分別與所 述氣庫以及與第（i+Ι)套脈管制冷機單元中的回?zé)崞鳠岫藫Q熱器連通，其中i為大于等于 3且小于η的正整數(shù)；
[0009] 所述閥門調(diào)節(jié)組件具有兩個工作位，分別為：單獨將第i套脈管制冷機單元與氣 4
【主權(quán)項】
1. 一種級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在于，包括：壓縮機、以及與壓縮機 依次串聯(lián)連通的n套脈管制冷機單元、以及同時與所述n套脈管制冷機單元連接的氣庫，所 述n為大于等于3的正整數(shù)； 對于第n套脈管制冷機單元，其脈管熱端換熱器通過帶閥門的管路與氣庫相連； 對于其余第i套脈管制冷機單元，其脈管熱端換熱器通過閥門調(diào)節(jié)組件分別與所述氣 庫以及與第（i+1)套脈管制冷機單元中的回?zé)崞鳠岫藫Q熱器分別連通，其中i為大于等于 3且小于n的正整數(shù)； 所述閥門調(diào)節(jié)組件具有兩個工作位，分別為：單獨將第i套脈管制冷機單元與氣庫導(dǎo) 通的第一工作位、以及單獨將第i套脈管制冷機單元與第i+1套脈管制冷機單元導(dǎo)通的第 二工作位。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在于，對于第i套 脈管制冷機單元，所述閥門調(diào)節(jié)組件包括設(shè)置在第i套脈管制冷機單元與氣庫之間管路上 的第一控制閥、以及設(shè)置在第i套脈管制冷機單元與第（i+1)套脈管制冷機單元中的回?zé)?器熱端換熱器之間管路上的第二控制閥。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在于，所述調(diào)節(jié) 組件為三通控制閥。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在于，包括： 輸入單元：用于已知參數(shù)的輸入； 計算單元：根據(jù)已知參數(shù)計算需要的套數(shù)m，m為大于等于1小于等于n的正整數(shù)； 控制單元，根據(jù)計算單元得到套數(shù)m，打開第1~m套脈管制冷機單元中的閥門調(diào)節(jié)組 件或閥門； 所述計算單元計算所依據(jù)的公式為：
上式中，N□表示取整函數(shù)，n為所需相對卡諾效率，Th為各套脈管制冷機單元工作的 熱端溫度；T。為各套脈管制冷機單元工作的冷端溫度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在于，各套脈管 制冷機單元工作于同樣的熱端溫度Th與冷端溫度T。下，對于第i套脈管制冷機單元，其中 部件j的有效橫截面積Ay為：
上式中為第一套脈管制冷機單元（3)中部件j的有效橫截面積；i為正整數(shù)，且滿 足1<i<n; 所述部件j為所述脈管制冷機單元中的各部件。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在于，每套脈管 制冷機單元中，回?zé)崞骱兔}管呈直線型布置、U型布置、內(nèi)外套嵌同軸布置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在于，所有n套脈 管制冷機單元中，所有回?zé)崞骱兔}管均呈內(nèi)外套嵌同軸布置，其中第1套脈管制冷機單元 位于最外層，第n套脈管制冷機單元位于最內(nèi)層；針對每一套脈管制冷機單元，回?zé)崞魑挥?外層，脈管位于內(nèi)層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在于，所有回 熱器熱端換熱器、脈管熱端換熱器通過熱橋連接，所有冷端換熱器通過熱橋連接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在于，回?zé)崞骱?脈管呈U型布置、內(nèi)外套嵌同軸布置時，所述n套脈管制冷機單元中制冷機冷頭兼做被冷卻 對象的支撐連接結(jié)構(gòu)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種級數(shù)可調(diào)的多級級聯(lián)型脈管制冷機，包括：壓縮機、以及與壓縮機依次串聯(lián)連通的n套脈管制冷機單元、以及同時與n套脈管制冷機單元連接的氣庫；第n套脈管制冷機單元的脈管熱端換熱器通過帶閥門的管路與氣庫相連；其余第i套脈管制冷機單元通過閥門調(diào)節(jié)組件分別與氣庫以及與第(i+1)套脈管制冷機單元連通；閥門調(diào)節(jié)組件具有單獨將第i套脈管制冷機單元與氣庫導(dǎo)通的第一工作位、以及單獨將相鄰兩套套脈管制冷機單元導(dǎo)通的第二工作位。本發(fā)明根據(jù)需要的制冷溫區(qū)不同，可方便調(diào)節(jié)脈管制冷機的級數(shù)，保證在該溫區(qū)制冷效率遠遠高于傳統(tǒng)脈管制冷機制冷效率的同時，可有效避免資源浪費。
【IPC分類】F25B9-14
【公開號】CN104697231
【申請?zhí)枴緾N201510070694
【發(fā)明人】王龍一, 甘智華, 王建軍, 植曉琴, 尹成厚, 陶軒, 孫瀟, 王邦旭
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年2月10日