專利名稱：采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)，尤其涉及一種帶有聲功放大器的深低溫脈管制冷機(jī)
背景技術(shù)：
伴隨著空間探測技術(shù)在過去半個世紀(jì)中的快速發(fā)展，低溫制冷技術(shù)取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步，并在航空航天、國防軍事、能源醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。低溫探測器近30年來在航空航天領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用，但是更高的成像像素敏感度和像素密度也給低溫探測器的冷卻系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)，相比攜帶液氦(超流氦)杜瓦的被動式低溫系統(tǒng)，機(jī)械式主動制冷系統(tǒng)具有壽命長(不受液氦冷媒攜帶量的限制)、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，目前世界各國均投入了大量的人力物力進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)研究。 在低溫探測領(lǐng)域中大部分的低溫探測器工作在液氦溫區(qū)和更低的溫度，而且更低溫區(qū)UK級溫區(qū))的獲得需要液氦溫區(qū)提供預(yù)冷，所以液氦溫區(qū)高效機(jī)械式制冷技術(shù)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。與G-M制冷機(jī)、逆布雷頓制冷機(jī)以及斯特林制冷機(jī)等相比，脈管制冷機(jī)在冷端沒有運(yùn)動部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、機(jī)械振動小、可靠性高和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是非常適合空間應(yīng)用的理想機(jī)型。但是由于液氦溫區(qū)的制冷機(jī)理和損失機(jī)理尚未完全掌握，目前高頻脈管制冷機(jī)仍很難到達(dá)液氦溫度，只有美國Lockheed Martin公司使用四級結(jié)構(gòu)到達(dá)液氦溫區(qū)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低。經(jīng)過預(yù)冷型單級高頻脈管制冷機(jī)的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，限制高頻脈管制冷機(jī)高效獲得液氦溫區(qū)的主要原因是由于液氦溫區(qū)級回?zé)崞鞯臏囟瓤缍却?從300K至4K)，從而導(dǎo)致回?zé)崞鞯膲毫p失遠(yuǎn)較高溫級回?zé)崞鞔?，進(jìn)而使液氦溫區(qū)級回?zé)崞鞯睦涠藟罕绕?，而冷端壓比是脈管制冷機(jī)中一個非常重要的參數(shù)，大的壓比意味著更大的做功能力，所以對高頻脈管制冷機(jī)而言，高效地獲得液氦溫區(qū)的關(guān)鍵是如何獲得較大的冷端壓比。采用回?zé)崞髂M軟件REGEN對液氦溫區(qū)回?zé)崞髯詈笠患壍哪M結(jié)果表明，當(dāng)冷端溫度定為4K，在特定尺寸、回?zé)岵牧虾洼^低的充氣壓力條件下(一般為O. 5-1. OMPa)，其熱端溫度隨著回?zé)崞骼涠藟罕鹊脑龃蠖@著提高，熱端溫度的提高意味著可以在更高的溫區(qū)為其提供預(yù)冷，減輕了對預(yù)冷級的性能要求，計(jì)算結(jié)果還表明當(dāng)采用氦-4為工質(zhì)，冷端壓比為I. 4時，其熱端溫度接近40K，這是當(dāng)前單級和兩級高頻脈管制冷機(jī)可以較為輕松獲得的溫區(qū)，所以若采用合適的結(jié)構(gòu)能夠使液氦溫區(qū)回?zé)崞鞯睦涠双@得I. 4甚至更高的壓比，則采用三級甚至是兩級的結(jié)構(gòu)便可以高效地獲得液氦溫區(qū)。同時對氦氣的熱物理性質(zhì)分析得出氦氣的粘度隨著溫度的降低而顯著降低，即回?zé)崞鞯膲毫p失主要發(fā)生在300-80K的高溫段，而在低溫下幾乎可以無損的傳過回?zé)崞鳌榻档突責(zé)崞髦械膲毫p失和熱量損失，申請?zhí)枮镃N200710098933. 9的專利文獻(xiàn)公開了熱耦合多級脈沖管制冷機(jī)，包括預(yù)冷脈沖管制冷機(jī)和低溫脈沖管制冷機(jī)；還包括連接于所述低溫脈沖管制冷機(jī)的低溫脈沖管制冷機(jī)回?zé)崞骱偷蜏孛}沖管制冷機(jī)室溫?fù)Q熱器之間的低溫脈沖管制冷機(jī)熱緩沖管；所述預(yù)冷脈沖管制冷機(jī)的預(yù)冷脈沖管制冷機(jī)冷頭通過一熱橋與所述低溫脈沖管制冷機(jī)回?zé)崞鞯目拷龅蜏孛}沖管制冷機(jī)熱緩沖管的一端相連。該熱耦合多級脈沖管制冷機(jī)采用熱緩沖管連接低溫脈沖管制冷機(jī)的室溫?fù)Q熱器和回?zé)崞鳎瑴p少了其回?zé)崞鞯目傞L度，因此可以減少回?zé)崞鲀?nèi)的壓力損失和導(dǎo)熱損失，提高制冷機(jī)效率，獲得更低的制冷溫度。但是上述熱耦合多級脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間較大，且冷端壓比仍然相對較低，無法得到更低的制冷溫區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，通過對脈管制冷機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整，能夠獲得較大的冷端壓比，在提高工作效率的同時，使得脈管制冷機(jī)能夠向更低溫區(qū)延伸。脈管制冷機(jī)按照耦合方式不同分為氣耦合和熱耦合，為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)·明通過對現(xiàn)有技術(shù)的分析，分別在氣耦合和熱耦合的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出兩種技術(shù)方案，其中第一種技術(shù)方案采用熱耦合，第二種方案采用氣耦合。雖然兩種耦合方式不同，但是本發(fā)明的總體思路均是為增加脈管制冷機(jī)單元冷端壓比，在提高工作效率的同時，使得脈管制冷機(jī)能得向更低溫區(qū)延伸，屬于同一發(fā)明構(gòu)思。第一種技術(shù)方案為一種采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，包括預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元和低溫脈管制冷機(jī)單元，所述低溫脈管制冷機(jī)單元的回?zé)崞靼A(yù)冷段回?zé)崞骱偷蜏囟位責(zé)崞鳎鲱A(yù)冷段的出口端與低溫段進(jìn)口端之間通過聲壓放大器連通；所述預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元和低溫脈管制冷機(jī)單元之間通過連接在預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元的冷端和所述聲壓放大器之間的熱橋進(jìn)行熱耦合，該熱橋同時與所述預(yù)冷段回?zé)崞骱偷蜏囟位責(zé)崞飨噙B。下面為對第一種技術(shù)方案的優(yōu)選方案理論與實(shí)驗(yàn)研究表明聲壓放大器可以實(shí)現(xiàn)聲壓的放大，從而使脈管制冷機(jī)具有更大的驅(qū)動壓比，進(jìn)而獲得更高的效率，采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)采用三級甚至是兩級的結(jié)構(gòu)便可以高效地到達(dá)液氦溫區(qū)，作為優(yōu)選，所述聲壓放大器是長度為1/4λ的長頸管，λ為氦氣在預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元的冷端溫區(qū)下的聲波波長。所述預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元的結(jié)構(gòu)可選用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，為便于布置，同時保證得到較低的低溫區(qū)，作為優(yōu)選，所述預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元包括第一級壓縮機(jī)、第一級熱端換熱器、第一級回?zé)崞?、位于第一級回?zé)崞骼涠说牡谝患壔責(zé)崞骼涠藫Q熱器、第一級冷端流道、第一級脈管冷端換熱器、第一級脈管、第一級脈管熱端換熱器以及與第一級脈管熱端連通的第一級調(diào)相部件；所述第一級熱端換熱器設(shè)置在所述第一級壓縮機(jī)和第一級回?zé)崞髦g，用于將第一級壓縮機(jī)排出的氣體冷卻至室溫氣體，并將高壓室溫氣體傳輸給第一級回?zé)崞?；所述第一級回?zé)崞骼涠藫Q熱器和第一級脈管冷端換熱器分別通過熱橋與所述聲壓放大器熱耦合連接。所述第二級預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元也可選用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，為便于布置，作為優(yōu)選，所述第二級預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元包括第二級壓縮機(jī)、第二級熱端換熱器、預(yù)冷段回?zé)崞鳌⒌蜏囟位責(zé)崞?、位于低溫段回?zé)崞骼涠说牡诙壚涠藫Q熱器、第二級冷端流道、第二級脈管冷端換熱器、第二級脈管、第二級脈管熱端換熱器、以及與第二級脈管熱端連通的第二級調(diào)相部件；所述第二級熱端換熱器設(shè)置在所述第二級壓縮機(jī)和預(yù)冷段回?zé)崞髦g，用于將第二級壓縮機(jī)排出的氣體冷卻至室溫氣體，并將高壓室溫氣體傳輸給預(yù)冷段回?zé)崞?。所述第一級調(diào)相部件用于第一級回?zé)崞鲀?nèi)的質(zhì)量流和壓力波相位的調(diào)整，所述第二級調(diào)相部件用于第二級回?zé)崞鲀?nèi)的質(zhì)量流和壓力波相位的調(diào)整，以提高脈管制冷機(jī)的工作效率，作為優(yōu)選，所述第一級調(diào)相部件由第一級氣庫以及將第一級氣庫與第一級脈管熱端換熱器連通的第一級慣性管組成。所述第二級調(diào)相部件由第二級氣庫以及將第二級氣庫與第二級脈管熱端換熱器連通的第二級慣性管組成。根據(jù)需要，第一級調(diào)相部件和第二級調(diào)相部件也可選用其他結(jié)構(gòu)的調(diào)相部件。為進(jìn)一步提高工作效率，得到更低的工作溫區(qū)，作為優(yōu)選，所述第二級調(diào)相部件和所述第二級脈管熱端換熱器同時與熱橋連接，實(shí)現(xiàn)對第二級調(diào)相部件和第二級脈管熱端換熱器的冷卻，從而在有限的聲功下獲得更優(yōu)的相角，最終實(shí)現(xiàn)脈管制冷機(jī)效率的提高。 采用上述第一種技術(shù)方案及其優(yōu)選方案時，采用預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元和低溫脈管制冷機(jī)單元單獨(dú)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)兩者兼顧，即可同時實(shí)現(xiàn)預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元和低溫脈管制冷機(jī)單元均在最佳工作狀態(tài)運(yùn)行，可控性較好，實(shí)用性較強(qiáng)。本發(fā)明提供了第二種技術(shù)方案為一種采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，包括預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元和低溫脈管制冷機(jī)單元，預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元和低溫脈管制冷機(jī)單元通過共用的壓縮機(jī)和預(yù)冷段回?zé)崞鬟M(jìn)行氣耦合，所述的低溫脈管制冷機(jī)單元中還包括低溫段回?zé)崞?，該低溫段回?zé)崞鞯臒岫送ㄟ^聲壓放大器與預(yù)冷段回?zé)崞鞯睦涠诉B通，該低溫段回?zé)崞鞯睦涠伺c低溫脈管制冷機(jī)單元內(nèi)的第二級脈管的冷端連通。下面為對第二種技術(shù)方案的優(yōu)選的技術(shù)方案為保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高制冷機(jī)的工作效率，作為優(yōu)選，所述預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元內(nèi)設(shè)有第一級調(diào)相部件；所述的低溫脈管制冷機(jī)單元內(nèi)設(shè)有第二級調(diào)相部件；所述第一級調(diào)相部件由第一級氣庫以及將第一級氣庫與第一級脈管熱端換熱器連通的第一級慣性管組成；所述第二級調(diào)相部件由第二級氣庫以及將第二級氣庫與第二級脈管熱端換熱器連通的第二級慣性管組成。該技術(shù)方案中，第一級調(diào)相部件和第二級調(diào)相部件的作用分別是為了預(yù)冷段回?zé)崞骱偷蜏囟位責(zé)崞髦匈|(zhì)量流和壓力波之間相位的調(diào)整。第一級調(diào)相部件和第二級調(diào)相部件可根據(jù)需要選用其他具有相同功能的調(diào)相結(jié)構(gòu)。作為同樣的考慮，為進(jìn)一步提高工作效率，得到更低的工作溫區(qū)，第一級脈管冷端、預(yù)冷段回?zé)崞鞯睦涠朔謩e通過熱橋與第二級調(diào)相部件以及第二級脈管熱端相連。采用第二種技術(shù)方案及其優(yōu)選方案時時，由于僅采用一臺壓縮機(jī)，整體結(jié)構(gòu)較為緊湊。本發(fā)明采用聲壓放大器是一根長度為1/4波長的長頸管，它可以實(shí)現(xiàn)聲壓的放大，從而使脈管制冷機(jī)具有更大的驅(qū)動壓比，進(jìn)而獲得更高的效率。帶有聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)通過在低溫級回?zé)崞髦械念A(yù)冷段(預(yù)冷段回?zé)崞?和低溫段(低溫段回?zé)崞?之間連接一個聲壓放大器，從而在低溫段的入口處獲得有利于提高脈管制冷效率的大壓比，解決了當(dāng)前液氦溫區(qū)回?zé)崞骼涠藟罕冗^小而導(dǎo)致液氦溫區(qū)難以獲得的難題。聲壓放大器可以在兩級及更多級的熱耦合和氣耦合脈管制冷機(jī)中的每一個預(yù)冷處根據(jù)需要選擇使用；脈管制冷機(jī)第第二級及更低溫度級的調(diào)相機(jī)構(gòu)可以分別采用常溫慣性管與氣庫、低溫慣性管與氣庫的組合及活塞中的任意一種。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為(I)本發(fā)明采用在低溫脈管制冷機(jī)單元中設(shè)置聲壓放大器，大大提高了脈管制冷機(jī)的驅(qū)動壓比，提高了脈管制冷機(jī)的工作效率，僅采用第二級制冷就可以到達(dá)液氦溫區(qū)，同時具有結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。(2)理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，聲壓放大器采用長度約為1/4波長的長頸管，可以實(shí)現(xiàn)聲壓的最大放大效率，進(jìn)一步提高了本發(fā)明脈管制冷機(jī)的制冷效率。(3)本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思可應(yīng)用在單級或多級的脈管制冷機(jī)中，設(shè)備投資低，通過簡單的優(yōu)化改進(jìn)，就可實(shí)現(xiàn)對原有低效率脈管制冷機(jī)的改造，實(shí)用性強(qiáng)。


圖I是本發(fā)明的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)的一種實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)的另一種實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)的第三種實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)的第四種實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I如圖I所示，一種使用常溫慣性管和氣庫調(diào)相的采用聲壓放大器的熱耦合二級脈管制冷機(jī)，包括第一級預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元PTC-I和第二級低溫脈管制冷機(jī)單元PTC-2，第一級預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元PTC-I和第二級低溫脈管制冷機(jī)單元PTC-2通過熱橋8連接。第一級預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元PTC-I包括第一級壓縮機(jī)I、第一級傳輸管2、第一級熱端換熱器3、第一級回?zé)崞?、第一級回?zé)崞骼涠藫Q熱器5、第一級冷端流道6、第一級脈管冷端換熱器7、第一級脈管9、第一級脈管熱端換熱器10、第一級慣性管11及第一級氣庫12。第二級低溫脈管制冷機(jī)單元PTC-2包括第二級壓縮機(jī)13、第二級傳輸管14、第二級熱端換熱器15、第二級回?zé)崞鞯念A(yù)冷段16、聲壓放大器17、第二級回?zé)崞鞯牡蜏囟?8、第二級冷端換熱器19、第二級冷端流道20、第二級脈管冷端換熱器21、第二級脈管22、第二級脈管熱端換熱器23、第二級常溫慣性管24及第二級氣庫25以及熱橋8。本實(shí)施方式中的各部件的連接關(guān)系為第一級壓縮機(jī)I的出口依次通過第一級傳輸管2、第一級熱端換熱器3、第一級熱端換熱器3、第一級回?zé)崞?、第一級回?zé)崞骼涠藫Q熱器5、第一級冷端流道6、第一級脈管冷端換熱器7、第一級脈管9、第一級脈管熱端換熱器10、第一級慣性管11與第一級氣庫12的入口連通。第二級壓縮機(jī)13的出口依次通過第二級傳輸管14、第二級熱端換熱器15、第二級回?zé)崞鞯念A(yù)冷段16、聲壓放大器17、第二級回?zé)崞鞯牡蜏囟?8、第二級冷端換熱器19、第二級冷端流道20、第二級脈管冷端換熱器21、第二級脈管22、第二級脈管熱端換熱器23、第二級慣性管24與第二級氣庫25的進(jìn)口連通。通過熱橋8將第一級回?zé)崞骼涠藫Q熱器5、第一級脈管冷端換熱器7、第二級回?zé)崞鞯念A(yù)冷段16、第二級回?zé)崞鞯牡蜏囟?8和聲壓放大器17相連。本實(shí)施方式中，第一級預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元PTC-I中氣體的運(yùn)行過程為經(jīng)第一級壓縮機(jī)I壓縮的高溫高壓氣體經(jīng)過第一級熱端換熱器3冷卻至室溫，然后室溫氣體流經(jīng)第一級回?zé)崞?與其中的回?zé)崽盍线M(jìn)行換熱，到達(dá)第一級回?zé)崞骼涠藫Q熱器5的氣流被冷卻至較低的溫度，低溫氣體在第一級脈管9中膨脹制冷，溫度進(jìn)一步降低，氣體在進(jìn)出第一級回?zé)崞骼涠藫Q熱器5和第一級脈管冷端換熱器7存在溫差，從而實(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng)，該部分冷量同時可通過熱橋8用于對第二級回?zé)崞鞯念A(yù)冷段16、第二級回?zé)崞鞯牡蜏囟?8和聲壓放大器17進(jìn)行預(yù)冷，實(shí)現(xiàn)第二級低溫脈管制冷機(jī)單元PTC-2獲得更低的溫區(qū)。第二級低溫脈管制冷機(jī)單元PTC-2內(nèi)氣流運(yùn)行過程與第一級預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元PTC-I內(nèi)氣體運(yùn)行過程 相似，不同之處在于，從第二級回?zé)崞鞯念A(yù)冷段16冷端排出的氣體經(jīng)聲壓放大器17增壓后再進(jìn)入第二級回?zé)崞鞯牡蜏囟?8，在第二級冷端換熱器19和第二級脈管冷端換熱器21處得到更低的溫區(qū)，獲得更多的冷量。慣性管和氣庫是調(diào)相結(jié)構(gòu)，其目的是為了在回?zé)崞髦蝎@得壓力波和質(zhì)量流之間合適的相角。本實(shí)施方式中，所用到的換熱器均為狹縫式換熱器，在換熱的同時滿足層流的需要。也可根據(jù)實(shí)際需要選用其他類型的換熱器。所用的脈管均為現(xiàn)有的脈管，其結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)有技術(shù)。所用的回?zé)崞鲀?nèi)的回?zé)岵牧峡蛇x用不銹鋼纖維材料，也可采用其他材料。所用到的慣性管和氣庫的結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)有技術(shù)。實(shí)施例2如圖2所示，一種使用低溫慣性管和氣庫調(diào)相的采用聲壓放大器的熱耦合二級脈管制冷機(jī)，包括第一級預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元PTC-I和第二級低溫脈管制冷機(jī)單元PTC-2，第一級預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元PTC-I和第二級低溫脈管制冷機(jī)單元PTC-2通過熱橋8連接。第一級預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元PTC-I包括第一級壓縮機(jī)I、第一級傳輸管2、第一級熱端換熱器3、第一級回?zé)崞?、第一級回?zé)崞骼涠藫Q熱器5、第一級冷端流道6、第一級脈管冷端換熱器7、第一級脈管9、第一級脈管熱端換熱器10、第一級慣性管11及第一級氣庫12，連接關(guān)系同實(shí)施例I ;第二級低溫脈管制冷機(jī)單元PTC-2包括第二級壓縮機(jī)13、第二級傳輸管14、第二級熱端換熱器15、第二級回?zé)崞黝A(yù)冷段16、聲壓放大器17、第二級回?zé)崞鞯牡蜏囟?8、第二級冷端換熱器19、第二級冷端流道20、第二級脈管冷端換熱器21、第二級脈管22、第二級脈管熱端換熱器23、第二級慣性管24及第二級氣庫25，且連接關(guān)系同實(shí)施例I ;熱橋8與第一級回?zé)崞骼涠藫Q熱器5、第一級脈管冷端換熱器7、第二級回?zé)崞黝A(yù)冷段16、第二級回?zé)崞鞯牡蜏囟?8、聲壓放大器17、第二級脈管熱端換熱器23、第二級慣性管24及第二級氣庫25相連，用于對聲壓放大器17、第二級脈管熱端換熱器23、第二級慣性管24及第二級氣庫25預(yù)冷，以進(jìn)一步提高脈管制冷機(jī)的制冷效率。實(shí)施例3如圖3所示，一種使用常溫慣性管和氣庫調(diào)相的采用聲壓放大器的氣耦合二級脈管制冷機(jī)，包括壓縮機(jī)101、傳輸管102、熱端換熱器103、預(yù)冷段回?zé)崞?04，第一級冷端換熱器105、第一級冷端流道106、第一級脈管冷端換熱器107、第一級脈管109、第一級脈管熱端換熱器110、第一級慣性管111、第一級氣庫112、聲壓放大器117、低溫段回?zé)崞?18、第二級冷端換熱器119、第二級冷端流道120、第二級脈管冷端換熱器121、第二級脈管122、第二級脈管熱端換熱器123、第二級常溫慣性管124、第二級氣庫125，其中壓縮機(jī)101與傳輸管102、第一級熱端換熱器103、預(yù)冷段回?zé)崞?04，第一級冷端換熱器105、第一級冷端流道106、第一級脈管冷端換熱器107、第一級脈管109、第一級脈管熱端換熱器110、第一級慣性管111、第一級氣庫112依次連接；聲壓放大器117的出口端與低溫段回?zé)崞?18、第二級冷端換熱器119、第二級冷端流道120、第二級脈管冷端換熱器121、第二級脈管122、第二級脈管熱端換熱器123、第二級慣性管124、第二級氣庫125依次相連，聲壓放大器117的入口端與第一級冷端流道106和第一級回?zé)崞骼涠藫Q熱器105相連。本實(shí)施方式的氣體的運(yùn)行過程為經(jīng)壓縮機(jī)101壓縮的高溫高壓氣體經(jīng)過第一級熱端換熱器103冷卻至室溫，之后流經(jīng)預(yù)冷段回?zé)崞?04與其中的回?zé)崽盍线M(jìn)行換熱，到達(dá)回?zé)崞骼涠说臍怏w被冷卻至較低的溫度，低溫氣體一部分進(jìn)入第一級脈管109中，在第一級脈管109中膨脹制冷，溫度降低，氣體在進(jìn)出第一級冷端換熱器105和第一級脈管冷端換 熱器107存在溫差，從而實(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng)，并在第一級冷端換熱器105和第一級脈管冷端換熱器107處將冷量取出。從預(yù)冷段回?zé)崞?04出來的另外一部分氣體經(jīng)過聲壓放大器117后經(jīng)過低溫段回?zé)崞?18換熱后，進(jìn)入第二級脈管122膨脹制冷，溫度降低，氣體在進(jìn)出第二級冷端換熱器119和第二級脈管冷端換熱器121存在溫差，從而實(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng)，并在第二級器冷端換熱器119和第二級脈管冷端換熱器121處將冷量取出。其中慣性管和氣庫是調(diào)相結(jié)構(gòu)，其目的是為了在回?zé)崞髦蝎@得壓力波和質(zhì)量流之間合適的相角。實(shí)施例4如圖4所示，一種使用常溫慣性管和氣庫調(diào)相的采用聲壓放大器的氣耦合二級脈管制冷機(jī)包括壓縮機(jī)101、傳輸管102、熱端換熱器103、預(yù)冷段回?zé)崞?04，第一級冷端換熱器105、第一級冷端流道106、第一級脈管冷端換熱器107、第一級脈管109、第一級脈管熱端換熱器110、第一級慣性管111、第一級氣庫112、聲壓放大器117、低溫段回?zé)崞?18、第二級冷端換熱器119、第二級冷端流道120、第二級脈管冷端換熱器121、第二級脈管122、第二級脈管熱端換熱器123、第二級慣性管124、第二級氣庫125，其中壓縮機(jī)101與傳輸管102、熱端換熱器103、預(yù)冷段回?zé)崞?04、第一級冷端換熱器105、第一級冷端流道106、第一級脈管冷端換熱器107、第一級脈管109、第一級脈管熱端換熱器110、第一級慣性管111、第一級氣庫112依次連接；聲壓放大器117與低溫段回?zé)崞?18、第二級冷端換熱器119、第二級冷端流道120、第二級脈管冷端換熱器121、第二級脈管122、第二級脈管熱端換熱器123、第二級低溫慣性管124、第二級氣庫125依次相連，聲壓放大器117與第一級冷端流道106和第一級冷端換熱器105相連，熱橋108與第一級脈管冷端換熱器107、第一級冷端換熱器105及第二級脈管熱端換熱器123和第二級慣性管124、第二級氣庫125相連，用于對第二級慣性管124、第二級氣庫125預(yù)冷，進(jìn)步提高脈管制冷機(jī)的制冷效率。綜上所述本發(fā)明包括兩部分，第一部分是采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，它同時適合于熱耦合多級脈管制冷機(jī)和氣耦合脈管制冷機(jī)，它可以在多級脈管制冷機(jī)的每一個預(yù)冷處選擇性使用；第二部分是采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)的調(diào)相方式可以是常溫慣性與氣庫的組合、低溫慣性管與氣庫的組合以及活塞中的任何一種 。
權(quán)利要求
1.一種采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，包括預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元(PTC-I)和低溫脈管制冷機(jī)單元(PTC-2)，所述低溫脈管制冷機(jī)單元(PTC-2)的回?zé)崞靼A(yù)冷段回?zé)崞?16)和低溫段回?zé)崞?18)，其特征在于，所述預(yù)冷段回?zé)崞?16)的出口端與低溫段回?zé)崞?18)進(jìn)口端之間通過聲壓放大器(17)連通；所述預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元(PTC-I)和低溫脈管制冷機(jī)單元(PTC-2)之間通過連接在預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元(PTC-I)的冷端(5，7)和所述聲壓放大器(17)之間的熱橋(8)進(jìn)行熱耦合，該熱橋(8)同時與所述預(yù)冷段回?zé)崞?16)和低溫段回?zé)崞?18)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，其特征在于，所述聲壓放大器(17)是長度為1/4λ的長頸管，λ為氦氣在預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元(PTC-I)的冷端溫區(qū)下的聲波波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，其特征在于，所述預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元(PTC-I)包括 第一級壓縮機(jī)(I)、第一級熱端換熱器(3)、第一級回?zé)崞?4)、位于第一級回?zé)崞?4)冷端的第一級回?zé)崞骼涠藫Q熱器(5)、第一級冷端流道￠)、第一級脈管冷端換熱器(7)、第一級脈管(9)、第一級脈管熱端換熱器(10)、以及與第一級脈管熱端換熱器(10)連通的第一級調(diào)相部件； 所述第一級熱端換熱器(3)設(shè)置在所述第一級壓縮機(jī)(I)和第一級回?zé)崞?4)之間，用于將第一級壓縮機(jī)(I)排出的氣體冷卻至室溫，并將高壓室溫氣體傳輸給第一級回?zé)崞?4)； 所述第一級回?zé)崞骼涠藫Q熱器(5)和第一級脈管冷端換熱器(7)分別通過熱橋(8)與所述聲壓放大器(17)熱耦合連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，其特征在于，所述第一級調(diào)相部件由第一級氣庫(12)以及將第一級氣庫(12)與第一級脈管熱端換熱器(10)連通的第一級慣性管(11)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，其特征在于，所述低溫脈管制冷機(jī)單元(PTC-2)包括 第二級壓縮機(jī)(13)、第二級熱端熱端換熱器(15)、預(yù)冷段回?zé)崞?16)、低溫段回?zé)崞?18)、位于低溫段回?zé)崞?18)冷端的第二級冷端換熱器(19)、第二級冷端流道(20)、第二級脈管冷端換熱器(21)、第二級脈管(22)、第二級脈管熱端換熱器(23)、以及與第二級脈管熱端換熱器(23)連通的第二級調(diào)相部件； 所述第二級熱端換熱器(15)設(shè)置在所述第二級壓縮機(jī)(13)和預(yù)冷段回?zé)崞?16)之間，用于將第二級壓縮機(jī)(13)排出的氣體冷卻至室溫，并將高壓室溫氣體傳輸給預(yù)冷段回?zé)崞?16)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，其特征在于，所述第二級調(diào)相部件由第二級氣庫(25 )以及將第二級氣庫(25 )與第二級脈管熱端換熱器(23 )連通的第二級慣性管(24)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，其特征在于，所述第二級調(diào)相部件和所述第二級脈管熱端換熱器(23)同時與熱橋(8)連接。
8.一種采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，包括預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元(PTC-I)和低溫脈管制冷機(jī)單元(PTC-2)，預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元(PTC-I)和低溫脈管制冷機(jī)單元(PTC-2)通過共用的壓縮機(jī)(101)和預(yù)冷段回?zé)崞?104)進(jìn)行氣耦合，其特征在于，所述的低溫脈管制冷機(jī)單元(PTC-2)中還包括低溫段回?zé)崞?118)，該低溫段回?zé)崞鞯臒岫送ㄟ^聲壓放大器(117)與預(yù)冷段回?zé)崞?104)的冷端連通，該低溫段回?zé)崞鞯睦涠送ㄟ^第二級冷端流道(120)與低溫脈管制冷機(jī)單元(PTC-2)內(nèi)的第二級脈管(122)的冷端連通。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，其特征在于，所述預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元(PTC-I)內(nèi)設(shè)有第一級調(diào)相部件；所述的低溫脈管制冷機(jī)單元(PTC-2)內(nèi)設(shè)有第二級調(diào)相部件；所述第一級調(diào)相部件由第一級氣庫(112)以及將第一級氣庫(112)與第一級脈管熱端換熱器(110)連通的第一級慣性管(111)組成；所述第二級調(diào)相部件由第二級氣庫(125)以及將第二級氣庫(125)與第二級脈管熱端換熱器(123)熱端連通的第二級慣性管(124)組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，其特征在于，第一級脈管(109)冷端、預(yù)冷段回?zé)崞?104)的冷端分別通過熱橋(108)與第二級調(diào)相部件以及第二級脈管(122)熱端相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用聲壓放大器的多級脈管制冷機(jī)，包括預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元和低溫脈管制冷機(jī)單元，所述低溫脈管制冷機(jī)單元的回?zé)崞靼A(yù)冷段和低溫段，所述預(yù)冷段的出口端與低溫段進(jìn)口端之間通過聲壓放大器連通；所述預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元和低溫脈管制冷機(jī)單元之間通過連接在預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元的冷端和所述聲壓放大器之間的熱橋進(jìn)行熱耦合，該熱橋同時與所述預(yù)冷段和低溫段相連，也可將上述結(jié)構(gòu)的聲壓放大器應(yīng)用到氣耦合的制冷系統(tǒng)中。本發(fā)明采用在低溫脈管制冷機(jī)單元中設(shè)置聲壓放大器，大大提高了脈管制冷機(jī)的驅(qū)動壓比，提高了脈管制冷機(jī)的工作效率，僅采用第二級制冷就可以到達(dá)液氦溫區(qū)，同時具有結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號F25B9/14GK102901263SQ20121045498
公開日2013年1月30日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者王博, 劉東立, 王龍一, 甘智華, 張學(xué)軍, 張小斌, 汪偉偉, 吳鎂, 劉雨夢 申請人:浙江大學(xué)