氣耦合型多級脈沖管制冷的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種氣耦合型多級脈沖管制冷機，包括：預冷級脈沖管制冷機、預冷級調相機構、低溫級脈沖管制冷機和低溫級調相機構；所述預冷級脈沖管制冷機與低溫級脈沖管制冷機耦合連接，所述預冷級脈沖管制冷機包括：預冷級熱端換熱器，該預冷級熱端換熱器與所述預冷級調相機構連接，所述低溫級脈沖管制冷機包括：低溫級熱端換熱器，該低溫級熱端換熱器與所述低溫級調相機構連接。本發明提供的氣耦合型多級脈沖管制冷機，可使減小制冷機體積，以及減小調節難度，使其最低溫度達到10K以下溫區。
【專利說明】氣耦合型多級脈沖管制冷機
【技術領域】
[0001]本發明涉及低溫區制冷系統【技術領域】，特別涉及一種氣耦合型多級脈沖管制冷機。
【背景技術】
[0002]目前，許多高精度的遙感設備都需要在極低溫，即IOK以下的溫度范圍工作。這些器件通常對振動和電磁干擾等特別敏感，因此，極低溫區脈沖管制冷機成為首選方案，從目前研究結果看來，單級脈沖管制冷機最低制冷溫度在20K左右，為了達到IOK以下的低溫，一般采用多級結構。在現有技術中采用熱耦合方式的多級脈沖管制冷機結構，這種結構的缺點在于，系統中采用兩個或更多個壓縮機，壓縮機的數目由制冷機的級數決定。這種結構導致兩個明顯的問題，其一，系統龐大，其二，調節難度加大，脈沖管制冷機有較復雜的調相機構，如果采用多級熱耦合的方式，每一級都有調相機構，并且每級之間的調相機構相互影響，調節非常復雜，很難使系統達到最優狀態，不能起到多級脈沖管制冷機應有的降溫效果O

【發明內容】

[0003](一)要解決的技術問題
[0004]本發明要解決的技術問題是，針對現有技術的不足，提供一種氣耦合型多級脈沖管制冷機，減小調節難度和制冷機體積，使其最低溫度達到IOK以下溫區。
[0005](二)技術方案
[0006]一種氣耦合型多級脈沖管制冷機，包括:預冷級脈沖管制冷機、預冷級調相機構、低溫級脈沖管制冷機和低溫級調相機構；所述預冷級脈沖管制冷機與低溫級脈沖管制冷機耦合連接，所述預冷級脈沖管制冷機包括:預冷級熱端換熱器，該預冷級熱端換熱器與所述預冷級調相機構連接，所述低溫級脈沖管制冷機包括:低溫級熱端換熱器，該低溫級熱端換熱器與所述低溫級調相機構連接。
[0007]其中，所述預冷級脈沖管制冷機還包括與熱端換熱器連接的一級蓄冷器和一級脈沖管，所述一級蓄冷器和一級脈沖管同軸布置或U型布置。
[0008]其中，所述低溫級脈沖管制冷機還包括與低溫級熱端換熱器依次連接的二級蓄冷器、二級脈沖管、多路旁通元件、三級蓄冷器、三級脈沖管和冷端換熱器，其中二級蓄冷器和二級脈沖管以及三級蓄冷器和三級脈沖管均同軸布置。
[0009]其中，所述的多路旁通元件布置在二級脈沖管和三級蓄冷器之間，氣體經過該多路旁通元件之后進行分流，一部分工質進入三級脈沖管，產生制冷效應；而另一部分工質進入三級蓄冷器，吸收三級蓄冷器中的冷量后再進入三級脈沖管。
[0010]其中，所述預冷級調相機構包括:與所述預冷級熱端換熱器依次連接的雙向進氣閥、預冷級慣性管和預冷級氣庫。
[0011]其中，所述低溫級調相機構包括:與所述低溫級熱端換熱器依次連接的低溫級慣性管和低溫級氣庫。
[0012]其中，所述多路旁通元件為小孔結構或閥門結構。
[0013]其中，所述一級蓄冷器、二級蓄冷器和三級蓄冷器，呈管狀；其管壁為薄壁，由金屬或非金屬制成。
[0014]其中，所述一級脈沖管、二級脈沖管和三級脈沖管為薄壁管，由金屬或非金屬制成。
[0015](三)有益效果
[0016]本發明提供的氣耦合型多級脈沖管制冷機，可使減小制冷機體積，以及減小調節難度，使其最低溫度達到IOK以下溫區。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發明實施例一氣耦合型多級脈沖管制冷機結構示意圖；
[0018]圖2為本發明實施例二氣耦合型多級脈沖管制冷機結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
[0020]一種氣耦合型多級脈沖管制冷機包括:預冷級脈沖管制冷機、預冷級調相機構、低溫級脈沖管制冷機和低溫級調相機構；所述預冷級脈沖管制冷機與低溫級脈沖管制冷機耦合連接，所述預冷級脈沖管制冷機包括:預冷級熱端換熱器，該預冷級熱端換熱器與所述預冷級調相機構連接，所述低溫級脈沖管制冷機包括:低溫級熱端換熱器，該低溫級熱端換熱器與所述低溫級調相機構連接。所述預冷級脈沖管制冷機還包括與熱端換熱器連接的一級蓄冷器和一級脈沖管，所述一級蓄冷器和一級脈沖管同軸布置或U型布置。所述低溫級脈沖管制冷機包括還與低溫級熱端換熱器依次連接的二級蓄冷器、二級脈沖管、多路旁通元件、三級蓄冷器、三級脈沖管和冷端換熱器，其中二級蓄冷器和二級脈沖管以及三級蓄冷器和三級脈沖管均同軸布置。所述的多路旁通元件布置在二級脈沖管和三級蓄冷器之間，氣體經過該多路旁通元件之后進行分流，一部分工質進入三級脈沖管，產生制冷效應；而另一部分工質進入三級蓄冷器，吸收三級蓄冷器中的冷量后再進入三級脈沖管，產生制冷效應。所述預冷級調相機構包括:與所述預冷級熱端換熱器依次連接的與所述預冷級熱端換熱器依次連接的雙向進氣閥、預冷級慣性管和預冷級氣庫。所述低溫級調相機構包括:與所述低溫級熱端換熱器依次連接的低溫級慣性管和低溫級氣庫。所述多路旁通元件為小孔結構或閥門結構。所述一級蓄冷器、二級蓄冷器和三級蓄冷器，呈管狀；其管壁為薄壁，由金屬或非金屬制成。所述一級脈沖管、二級脈沖管和三級脈沖管為薄壁管，由金屬或非金屬制成。
[0021]實施例1
[0022]如圖1所示，本實施例的氣耦合型多級脈沖管制冷機由預冷級脈沖管制冷機和低溫級脈沖管制冷機耦合而成，其包括依次流體連通的壓縮機110，預冷級熱端換熱器111，一級蓄冷器18，一級脈沖管19，低溫級熱端換熱器17，二級蓄冷器15，二級脈沖管16，多路旁通元件14，三級蓄冷器12，三級脈沖管13和低溫級冷端換熱器11，另外，該氣耦合多級多路旁通型脈沖管制冷機還設有與預冷級熱端換熱器111流體連通的雙向進氣閥112、預冷級慣性管113和預冷級氣庫114以及與低溫級熱端換熱器17相連的低溫級慣性管115和低溫級氣庫116。在此實施例中，一級蓄冷器18和一級脈沖管19同軸布置，二級蓄冷器15和二級脈沖管16以及三級蓄冷器12和三級脈沖管13也同軸布置。在此實施例中，多路旁通元件14為小孔機構，其上設有不同直徑或相同直徑的小孔，小孔的直徑和數量可根據制冷機內部的壓力和流量分配。多路旁通元件采用閥門機構也是可行的，并且其可以由銅、不銹鋼、聚四氟乙烯等材料制成。
[0023]在這里，預冷級熱端換熱器111是層流化元件，其作用是，使高溫工質均勻進入一級蓄冷器，減少冷量損失。
[0024]在脈沖管制冷機中，工質流動為交變流動，在壓力波和工質流之間存在一個相位角。為了調節壓力波和質量流之間的相位，與熱端換熱器流體連通的慣性管和氣庫構成調相機構，使得脈沖管制冷機可以獲得更好的制冷性能。另外，本領域技術人員應當理解，在本發明中，調相機構也可以為純慣性管，或是慣性管、小孔和氣庫的組合。
[0025]在根據本發明的實施例中，為了獲得想要的極低溫度，預冷級脈沖管制冷機將進入低溫級脈沖管制冷機的工質冷卻到60K左右。當工質流動到多路旁通元件時，該工質分成兩部分，其中一部分工質通過氣耦合元件上的小孔直接進入三級級脈沖管113中，產生制冷效應，使多路旁通元件14處的溫度降低到例如大約40K，而另一部分工質進入三級蓄冷器12并且吸收三級蓄冷器12中的冷量，溫度進一步降低后，流過低溫級冷端換熱器11并進入三級脈沖管13，在三級脈沖管13中壓縮膨脹產生制冷效應，從而低溫級冷端換熱器11的溫度降低至大約10K。
[0026]實施例2
[0027]如圖2所示，在本實施例與實施例1區別在于:一級蓄冷器28和一級脈沖管29布置成U形，二級蓄冷器25和二級脈沖管26以及三級蓄冷器22和三級脈沖管23布置成同軸型。在本實施例中，氣耦合多級多路旁通型脈沖管制冷機包括依次流體連通的壓縮機211，預冷級熱端換熱器210，一級蓄冷器28，一級脈沖管29，低溫級熱端換熱器27，二級蓄冷器25，二級脈沖管26，多路旁通元件24，三級蓄冷器23，三級脈沖管22和低溫級冷端換熱器21。
[0028]在根據本發明的實施例中，為了獲得想要的極低溫度，預冷級脈沖管制冷機將進入低溫級脈沖管制冷機的工質冷卻到60K左右。當工質流動到氣耦合元件時，該工質分成兩部分，其中一部分工質通過多路旁通元件24上的小孔直接進入三級脈沖管23中，產生制冷效應，使多路旁通元件24處的溫度降低到例如大約40K，而另一部分工質進入三級蓄冷器22并且吸收三級蓄冷器22中的冷量，溫度進一步降低后，流過冷端換熱器并進入三級脈沖管23，在三級脈沖管23中壓縮膨脹產生制冷效應，從而使低溫級冷端換熱器21的溫度降低至大約10K。
[0029]在本發明中，脈沖管和蓄冷器的直徑和長度、以及蓄冷材料的選擇可根據氣耦合多級多路旁通型脈沖管制冷機的壓力波幅值的大小發生變化。另外，所采用的制冷工質可以為無毒、無污染且不可燃的氣體，包括但不限于氦氣、氦氣及其混合氣體。
[0030]在上述實施例中，制冷系統為預冷級和低溫級，而低溫級包括兩級脈沖管制冷機，因此，本制冷系統為三級脈沖管制冷機。本領域技術人員應該理解，根據實際需要，也可以采用三級以上的制冷。[0031]以上實施方式僅用于說明本發明，而并非對本發明的限制，有關【技術領域】的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發明的范疇，本發明的專利保護范圍應由權利要求限定。
【權利要求】
1.一種氣耦合型多級脈沖管制冷機，其特征在于，包括:預冷級脈沖管制冷機、預冷級調相機構、低溫級脈沖管制冷機和低溫級調相機構；所述預冷級脈沖管制冷機與低溫級脈沖管制冷機耦合連接，所述預冷級脈沖管制冷機包括:預冷級熱端換熱器，該預冷級熱端換熱器與所述預冷級調相機構連接，所述低溫級脈沖管制冷機包括:低溫級熱端換熱器，該低溫級熱端換熱器與所述低溫級調相機構連接。
2.如權利要求1所述的氣耦合型多級脈沖管制冷機，其特征在于，所述預冷級脈沖管制冷機還包括與熱端換熱器連接的一級蓄冷器和一級脈沖管，所述一級蓄冷器和一級脈沖管同軸布置或U型布置。
3.如權利要求1所述的氣耦合型多級脈沖管制冷機，其特征在于，所述低溫級脈沖管制冷機還包括與低溫級熱端換熱器依次連接的二級蓄冷器、二級脈沖管、多路旁通元件、三級蓄冷器、三級脈沖管和冷端換熱器，其中二級蓄冷器和二級脈沖管以及三級蓄冷器和三級脈沖管均同軸布置。
4.如權利要求3所述的氣耦合型多級脈沖管制冷機，其特征在于，所述的多路旁通元件布置在二級脈沖管和三級蓄冷器之間，氣體經過該多路旁通元件之后進行分流，一部分工質進入三級脈沖管，產生制冷效應；而另一部分工質進入三級蓄冷器，吸收三級蓄冷器中的冷量后再進入三級脈沖管。
5.如權利要求1所述的氣耦合型多級脈沖管制冷機，其特征在于，所述預冷級調相機構包括:與所述預冷級熱端換熱器依次連接的與所述預冷級熱端換熱器依次連接的雙向進氣閥、預冷級慣性管和預冷級氣庫。
6.如權利要求1所述氣耦合型多級脈沖管制冷機，其特征在于，所述低溫級調相機構包括:與所述低溫級熱端換熱器依次連接的低溫級慣性管和低溫級氣庫。
7.如權利要求3或4所述氣耦合型多級脈沖管制冷機，其特征在于，所述多路旁通元件為小孔結構或閥門結構。
8.如權利要求2、3或4所述氣耦合型多級脈沖管制冷機，其特征在于，所述一級蓄冷器、二級蓄冷器和三級蓄冷器，呈管狀；其管壁為薄壁，由金屬或非金屬制成。
9.如權利要求2、3或4所述氣耦合型多級脈沖管制冷機，其特征在于，所述一級脈沖管、二級脈沖管和三級脈沖管為薄壁管，由金屬或非金屬制成。
【文檔編號】F25B9/14GK103673370SQ201210362467
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月25日 優先權日:2012年9月25日
【發明者】楊魯偉, 楊俊玲, 周遠 申請人:中國科學院理化技術研究所