[发明专利]高频脉冲管制冷机

说明书

技术领域

本发明涉及小型低温制冷机领域，尤其涉及高频脉冲管制冷机。

背景技术

随着空间技术的不断发展，用于冷却红外探测器和高温超导器件的小型、微型低温制冷机的研究引起了各国学者的极大兴趣。高频脉冲管制冷机作为小型低温制冷机的一种，由于其具有冷端无运动部件、结构简单、可靠性高和抗电磁干扰性好等优点，有望取代传统制冷机在信息、超导和空间领域中的应用。

脉冲管制冷机的发展经历了基本型、小孔型、双向进气型、多路旁通型和惯性管型。基本型脉冲管制冷机为高频脉冲管制冷机的原始类型。它利用一根中空的管子，其内存在交变的压力波时，封闭端发热，沿管轴向形成很大的温度梯度的现象，在装上回热器，布置层流化元件后，将管子封闭端(热端)冷却至室温，在通向压缩机的管子出口端(冷端)便可以获得制冷效应。由于基本型脉冲管制冷机没有类似于斯特林型制冷机排出器的调相机构，使得脉冲管内气体参数的周期变化不能获得合适的相位，这一缺陷阻碍了脉冲管制冷机的发展。

小孔、双向进气系统、惯性管等调相机构的发明，使得脉冲管制冷机具有了相应的调相机构。这些调相机构的应用改善了脉冲管制冷机内部的相位关系，提高了脉冲制冷机的性能。然而，在这些机构中，均要求系统存在一个容积约为脉冲管容积5-10倍的普通气库。此种气库一般被做成短而粗的圆柱形或环形等形状，其直径一般是几厘米甚至十几厘米，这种形状的气库对材料结构强度和厚度都有一定的要求，因而具有庞大的体积和重量，大大增加了整个系统的结构尺寸和重量，在一定程度上制约了脉冲管制冷机的应用。并且普通气库的存在，在某些低温环境下，严重妨碍了低温制冷机的布置。

在惯性管型脉冲管制冷机领域中，中国专利CN2811865Y提出了无气库型脉冲管制冷机，该无气库型脉冲管制冷机取消了气库，直接用惯性管调相。通过实践发现，无气库型脉冲管制冷机要达到与有气库型的脉冲管制冷机等同的制冷性能，需要提供很长的惯性管。但惯性管过长同样会影响脉冲管制冷机的布置和应用范围。

对于惯性管型高频脉冲管制冷机，气库与惯性管一般作为两个相对独立的部件，在系统中各自发挥不同的作用。惯性管作为调相功能部件，利用内部气体的惯性可以调节脉冲管内气体的质量流与压力波之间的相位差，为脉冲管中的制冷工质提供正确的相位。惯性管的直径越大越能提供较大的相位差，对改善制冷机性能越有利，而直径过大会损失脉冲管内的压力波幅值，降低制冷效率。为了使惯性管具有足够的调相能力，同时避免压力波幅值的大量损失，通常将其设计为具有一定直径的细长管，内径一般小于4毫米。

气库作为调相机构的重要组成部分，通常作为气体贮存装置。其中储存的部分气体在脉冲管制冷过程中由于线性压缩机的推动往返于气库与脉冲管之间，以增大脉冲管内制冷工质气体的流量。此外，根据本领域技术人员所知的调相原理，气库还须为脉冲管制冷机提供压力波动近乎为零的边界条件。换言之，气库保持内部压力始终接近全系统的平均压力，几乎不受压力波的影响。气库的体积越大，提供的边界条件越接近零，因此理想的气库容积是无限大的。但实际上气库不可能为无限大，一般为脉冲管容积的5-10倍。圆柱形气库的直径可达几厘米甚至十几厘米，其中依然会存在微弱的压力波动。为了获取更高水平的性能，人们通常认为普通气库的容积越大越好。

然而，体积过于庞大，气库的布置就变得困难起来。普通的气库已经占据了制冷机整机体积与质量的相当大一部分，而更庞大的气库会限制该类型制冷机的应用，成为制冷机小型化的制约因素。

所以，依循将惯性管与气库截然分开、各司其职的思路，人们会陷入越提高制冷机的性能越使制冷机难以布置的怪圈。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供这样一种高频脉冲管制冷机，其气库的质量和体积大为减小，有利于气库乃至整个制冷机的布置，同时不降低制冷机的制冷性能。