本發(fā)明涉及低溫制冷技術領域，尤其涉及一種采用液體調相裝置的脈管制冷機。
背景技術：
脈管制冷機于20世紀60年代問世以來，由于其結構簡單、低溫下無運動部件、機械振動小、運行可靠、壽命長，從而受到廣泛關注，成為制冷機領域的研究熱點。但其相對于斯特林制冷機以及G-M制冷機而言，由于其冷端質量流和壓力波的相位匹配不理想，使得制冷效率低下。
航空航天、太空探測、紅外、原子能、超導等技術的迅速發(fā)展，推動低溫制冷技術的不斷發(fā)展與進步。脈管制冷機作為低溫技術的重要分支，因其冷端無運動部件，結構簡單、冷頭振動小、可靠性高，在低溫制冷領域具有顯著的優(yōu)越性。脈沖管制冷機冷端沒有運動部件，通過調相機構來獲得所需的質量流和壓力波之間的相位關系。慣性管利用細長管內震蕩流體的慣性作用來調節(jié)相位差，具有相位調節(jié)范圍寬和不大增加壓縮機耗功的優(yōu)點，不會產(chǎn)生類似雙向進氣中的直流現(xiàn)象，是高頻脈管制冷機目前廣泛采用的一種調相方式，其結構亦可被狹縫等阻抗型相位調節(jié)裝置代替。
用來調節(jié)質量流和壓力波相位的調相裝置，對脈管制冷機性能起著關鍵的作用。為改善脈管制冷機性能，Mikulin提出小孔-氣庫調相裝置，并經(jīng)由Radebaugh改進；朱紹偉提出雙向進氣調相機構；Kanao采用慣性管-氣庫的調相結構；另有一些并未廣泛采用的調相結構如雙活塞型、四閥型和主動氣庫型。幾種不同的調相結構均不同程度的提升了脈管制冷機的性能。
但上述的各種調相機構或是存在調相能力不足的缺點，或是體積太過龐大，或是增加了運動部件，或是結構過于復雜，或者同時存在這幾個缺點中的多個。因此，為更好的提高脈管制冷機的性能，需要更加有效且結構簡單的調相機構。
傳統(tǒng)的慣性管調相機構，由于其內部是氦氣工質，由于其具有很高的可壓縮性、摩擦系數(shù)小、慣性效應小，在低質量流下很難獲得較高調相能力，給定如下工況：壓力2MPa，頻率50Hz，壓比1.1，質量流800cm3/s的情況下，對管徑3mm的慣性管，需要1.2m才能將壓力波和質量流之間角度調節(jié)為60°左右，而如果質量流減小到400cm3/s，則慣性管長度需增加到8m左右?？梢?，傳統(tǒng)慣性管不僅調相能力差，未能達到90°，而且所需長度過長。
公告號為CN105135736A的中國專利文獻公開了了一種整體式脈沖管制冷機調相結構，該結構采用螺旋通道與內氣庫聯(lián)合調相，由不同尺寸的螺旋通道附加一個內氣庫組成，螺旋通道與內氣庫內嵌于調相機構整體內部。螺旋通道連接脈沖管熱端出氣口及內氣庫，且均勻內嵌于整體周邊，內氣庫位于調相機構整體中部。本發(fā)明的有益效果在于：將調相裝置作為一個整體，提高空間利用率；減少焊接及法蘭接口，增加整體氣密性；螺旋通道及內氣庫內嵌于調相機構整體內部，減少慣性管振動所引起的氣體擾動，增加制冷機可靠性。
該發(fā)明的不足之處在于：雖然其提高了空間利用率，節(jié)省了體積，但調相機構過于復雜，對于實際采用時的設計與加工過程都要求較高，不利于推廣。且其本質上仍為慣性管氣庫調相機構，仍會存在調相能力不足的問題。
技術實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明提供了一種采用液體調相裝置的脈管制冷機，采用液體調相裝置，調相能力增強。
本發(fā)明的技術方案如下：
一種采用液體調相裝置的脈管制冷機，包括壓縮機、級后冷卻器、回熱器、冷端換熱器、脈管、熱端換熱器、調相機構和氣庫，所述的壓縮機通過一空管與所述的級后冷卻器相連；所述回熱器兩端分別連接級后冷卻器和冷端換熱器；所述的脈管兩端分別連接冷端換熱器和熱端換熱器；所述的調相機構包括一U型管以及設于U型管內部的液體；所述的U型管子一端連接冷端換熱器，另一端連通氣庫。
在上述技術方案中，通過U型管子底部的液體對脈管制冷機進行調相，調相能力增強。具有相同調相能力的液體調相裝置的管長要比傳統(tǒng)的慣性管管長大幅縮短，且調相幅度比傳統(tǒng)的慣性管增加，對于脈管制冷機，采用液體調相裝置能使得壓力波和質量流之間的相角更接近90°，調節(jié)能力增加，可以更有效的提高脈管制冷機的效率。
作為針對上述技術方案的進一步改進，本發(fā)明進一步要解決的技術問題是提供一種液體，這種液體可以實現(xiàn)脈管制冷機的調相功能，同時調相效果更好。
為此，在本發(fā)明進一步的改進方案中，首先對液體調相原理進行理論分析，假設U型管子內部壓力波和質量流都為正弦分布，頻率為f，管徑為D，長度為L，管內工質粘度為μ，密度為ρ，壓力為P，速度為u，摩擦系數(shù)為λf，質量流為，則根據(jù)動量守恒和質量守恒定律可得如下公式：
代入質量流可得:
由于其值相對于其他值過小，將傳輸項以及壓力梯度項忽略，則方程可以簡化為:
其中只與壁面摩擦系數(shù)和質量流有關。
如果流動是層流，則可求得若是湍流，則摩擦系數(shù)和質量流有關，若根據(jù)布拉休斯則
聲速同時由質量守恒，得到求解可得:
其中：
最終，在進口x＝0處將壓力的相位選為0，則壓力幅值為P(0,t)＝Peejωt，則進口處質量流為：
取密度為平均值，則進口處體積流為：
依據(jù)如上公式，則可以得出質量流和壓力波之間相角隨不同參數(shù)變化的趨勢圖。為使得其相角能達到90°，則需要使得ε更接近實數(shù)，而Y更接近虛數(shù)，相應的，則需要選取的盡可能小。
作為優(yōu)選，所述的液體為水銀。對于傳統(tǒng)氦氣來說，其值約為6.25e-6m2/s，而常溫下水銀的值約為7.5e-8m2/s，約為氦氣的1/80。因此，為達到同樣的調相能力，采用水銀之后，U型管子長度將大大減小，變?yōu)樵瓉淼膸资种弧?/p>
作為優(yōu)選，所述的液體覆蓋U型管底部使U型管左右不連通，且液體量不超過U型管容積的一半。
作為優(yōu)選，所述的壓縮機為直線型壓縮機，并通過一空管與所述的級后冷卻器相連。
作為優(yōu)選，所述的級后冷卻器通常為狹縫式換熱器或管殼式換熱器，通過冷卻水或其他冷卻介質將從壓縮機出來的高溫振蕩氣體冷卻下來；被冷卻的振蕩氣體進入回熱器，與回熱器內部的多孔介質進行換熱。
作為優(yōu)選，所述的多孔介質常采用不銹鋼絲網(wǎng)、金屬小球(如鉛丸)等相對于氦氣具有高比熱容的物質堆積構成，以和氦氣進行充分換熱，同時需具有一定的孔隙率，以降低氣體經(jīng)過時的壓降；在振蕩氣體的一個周期內的前半段，氣體將熱量傳遞給多孔介質，氣體本身的溫度降低，在一個周期的后半段，氣體從多孔介質中吸收熱量，氣體本身的溫度升高，但由于氣體在一個周期內吸收和放出的熱量不相等，最終會在回熱器軸向方向產(chǎn)生溫度梯度，從而使得與回熱器相連的冷端換熱器達到較低溫度。
作為優(yōu)選，所述的冷端換熱器通常為狹縫式換熱器，材料采用具有較高導熱系數(shù)的銅，阻力小，換熱系數(shù)高，將氣體產(chǎn)生的冷量傳導出去，以供其他需要低溫的設備使用。
作為優(yōu)選，所述的脈管是一空管，與冷端換熱器相連，沿脈管軸向同樣存在很大的溫度梯度，從脈管冷端(和冷端換熱器相連的一端)吸收的熱量可以通過脈管熱端(與熱端換熱器相連的一端)的熱端換熱器排出。
作為優(yōu)選，熱端換熱器通常為狹縫式換熱器或管殼式換熱器，和調相機構以及氣庫相連；調相機構和氣庫的作用是為了使得脈管制冷機獲得更高效率，冷端獲得更多冷量；氣庫為一體積相對較大的空瓶，其內部工質同樣為氦氣。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：結構簡單，便于實現(xiàn)，對脈管制冷機其他部件沒有特殊要求。采用液體調相裝置，調相能力增強。具有相同調相能力的液體調相裝置的管長要比傳統(tǒng)的慣性管管長大幅縮短，且調相幅度比傳統(tǒng)的慣性管增加，能夠提高脈管制冷機性能。
附圖說明
圖1為本發(fā)一種采用液體調相裝置的脈管制冷機的系統(tǒng)示意圖。
其中：1、壓縮機；2、級后冷卻器；3、回熱器；4、冷端換熱器；5、脈管；6、熱端換熱器；7、水銀；8、U型管；9、氣庫。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明一種采用液體調相裝置的脈管制冷機作進一步詳細說明。
如圖1所示，一種采用液體調相裝置的脈管制冷機，包括壓縮機1、級后冷卻器2、回熱器3、冷端換熱器4、脈管5、熱端換熱器6、調相機構和氣庫9。
壓縮機1為直線型壓縮機，可以產(chǎn)生交變振蕩的氣體，所用氣體為氦氣；壓縮機1通過一空管與級后冷卻器2相連，級后冷卻器2為狹縫式換熱器，通過冷卻水將從壓縮機1出來的高溫振蕩氣體冷卻下來；被冷卻的振蕩氣體進入回熱器3，與回熱器3內部的多孔介質進行換熱，該多孔介質采用不銹鋼絲網(wǎng)質堆積構成，以和氦氣進行充分換熱。
在振蕩氣體的一個周期內的前半段，氣體將熱量傳遞給多孔介質，氣體本身的溫度降低，在一個周期的后半段，氣體從多孔介質中吸收熱量，氣體本身的溫度升高，但由于氣體在一個周期內吸收和放出的熱量不相等，最終會在回熱器軸向方向產(chǎn)生溫度梯度，從而使得與回熱器3相連的冷端換熱器4達到較低溫度。
冷端換熱器4為狹縫式，材料采用具有較高導熱系數(shù)的銅，阻力小，換熱系數(shù)高，將氣體產(chǎn)生的冷量傳導出去，以供其他需要低溫的設備使用。脈管5是一段空管子，與冷端換熱器4相連，沿脈管5軸向同樣存在很大的溫度梯度，從脈管冷端(和冷端換熱器4相連的一端)吸收的熱量可以通過脈管熱端(與熱端換熱器6相連的一端)的熱端換熱器6排出；熱端換熱器6為狹縫式換熱器，和調相機構以及氣庫9相連；調相機構和氣庫9的作用是為了使得脈管制冷機獲得更高效率，冷端獲得更多冷量；氣庫為一體積相對較大的空瓶，其內部工質同樣為氦氣。
其中，調相機構包括一根U型管8以及存在于U型管8底部的水銀7。U型管8的長度為10cm，水銀7的量為U型管8容積的三分之一。由U型管8和水銀7組成的調相機構使得U型管8內的質量流和壓力波之間的相角接近了90°。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。