本發(fā)明涉及制冷機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高脈管膨脹效率的脈管制冷機(jī)。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)60年代提出的脈管制冷機(jī)，直到經(jīng)過(guò)1984年引入小孔和90年代增加雙向進(jìn)氣及引入慣性管等重大改進(jìn)，使實(shí)用成為可能后，才成為低溫界研究的熱點(diǎn)，并逐漸走上實(shí)用化。與斯特林制冷機(jī)相比，脈管制冷機(jī)由于不存在低溫下的運(yùn)動(dòng)部件，具有如下優(yōu)點(diǎn)：低溫下無(wú)運(yùn)動(dòng)磨損，無(wú)間隙密封，無(wú)電磁干擾，低機(jī)械振動(dòng)，成本低，可靠性高，免維修，壽命長(zhǎng)。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)低溫制冷機(jī)而言是十分可貴的，可以更好地滿足高新技術(shù)領(lǐng)域的需要。

隨著軍事、航空航天、醫(yī)藥、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)、交通等諸多領(lǐng)域?qū)Φ蜏丨h(huán)境的需求，脈管制冷機(jī)的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。對(duì)于回?zé)崾街评錂C(jī)來(lái)說(shuō)，獲得很大的制冷功率一般不是追求的目標(biāo)。在我國(guó)，2002年前所謂的大冷量、大尺寸脈沖管的要求是在80k獲得約10w左右的冷量。國(guó)際上2002年前也是這樣的一個(gè)趨勢(shì)。但此后，事情發(fā)生了突破性的變化。2003年突然有了制冷量為500w/80k、200w/60k、100w/30k這樣要求的高頻脈管制冷機(jī)。這意味著制冷功率的要求要比此前的所謂大冷量大二個(gè)數(shù)量級(jí)。深究起來(lái)發(fā)現(xiàn)，這是高溫、低溫超導(dǎo)技術(shù)在電力工程方面的進(jìn)展以及氣體液化、分離工業(yè)等提出的要求。譬如30w-100w/25-30k是船用超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)提出的要求；500w/80k的脈沖管是高溫超導(dǎo)電纜的要求。因此對(duì)長(zhǎng)壽命、大冷量制冷機(jī)的需求日益增長(zhǎng)。而常規(guī)制冷機(jī)在熱效率、振動(dòng)、噪音和無(wú)維護(hù)運(yùn)行壽命等方面存在問題，不能滿足日益增長(zhǎng)的大冷量需求。而高頻大冷量脈管制冷機(jī)可以在80k溫區(qū)提供百瓦乃至千瓦以上的制冷量，有望滿足這一需求。因此大功率脈管制冷機(jī)逐漸提到了日程，并逐漸成為低溫制冷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛加入了競(jìng)爭(zhēng)行列，在制冷溫度和制冷功率上都取得了一定進(jìn)展，但是離既定目標(biāo)還存在相當(dāng)距離。研究表明大功率脈管制冷機(jī)絕非是現(xiàn)有小功率制冷機(jī)尺寸的簡(jiǎn)單放大，很多復(fù)雜的傳熱與流動(dòng)問題僅僅產(chǎn)生于大功率的脈管制冷機(jī)中。

大功率脈管制冷機(jī)的主要特征是回?zé)崞骱兔}管呈現(xiàn)短而粗的特點(diǎn)。對(duì)于小冷量的脈管制冷機(jī)來(lái)說(shuō)，回?zé)崞骱兔}管的長(zhǎng)度都在0.05-0.1m的范圍，此時(shí)的脈管的長(zhǎng)徑比(長(zhǎng)度/直徑)一般要在2-20的量級(jí)。脈管的體積隨功率的增大而增大，往往由于布置空間的限制，長(zhǎng)度難以同步增大，尤其是對(duì)于同軸型要求脈管長(zhǎng)度與回?zé)崞鏖L(zhǎng)度近似相等，因此造成脈管的截面積隨之增大。脈管的長(zhǎng)徑比在2左右(不同的體積對(duì)應(yīng)有不同的最優(yōu)長(zhǎng)徑比)。短粗結(jié)構(gòu)的主要問題是容易造成脈管內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定和不均勻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種高脈管膨脹效率的脈管制冷機(jī)。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種高脈管膨脹效率的脈管制冷機(jī)，該脈管制冷機(jī)中的脈管中設(shè)有沿脈管長(zhǎng)度方向設(shè)置的隔膜，所述隔膜將脈管分隔成若干沿脈管長(zhǎng)度方向分布的管道。

理想的脈管制冷機(jī)中熱力學(xué)過(guò)程為可逆過(guò)程，即脈管中的氣體與管壁絕緣，脈管中的流動(dòng)是一維交變流動(dòng)。這是可以形象地把脈管冷端和熱端之間的氣體稱為氣體活塞。而實(shí)際運(yùn)行中，由于脈管本身的粗糙度、氣體與管壁的導(dǎo)熱、脈管進(jìn)出口的非均勻性等因素的存在，脈管中的流動(dòng)是不理想的。大冷量脈管制冷機(jī)中體積流率大，脈管長(zhǎng)徑比小，脈管中容易發(fā)生不均勻流動(dòng)現(xiàn)象。脈管內(nèi)流動(dòng)損失可分為表面泵熱損失(穿梭損失)和二次流損失。這其中，由于大尺寸脈管制冷機(jī)的長(zhǎng)徑比小，邊界層占整個(gè)截面的比例較小，因此表面泵熱現(xiàn)象對(duì)大尺寸脈管制冷機(jī)的性能影響較小，因此脈管中的損失以流動(dòng)損失為主。在流動(dòng)損失中，以瑞利流和射流為主，其中，由于大尺寸脈管制冷機(jī)的長(zhǎng)徑比小，脈管壁對(duì)脈管中氣體的熱力學(xué)作用很弱，加之制冷機(jī)體積流率大，脈管中的射流容易產(chǎn)生并發(fā)展，成為影響大尺寸脈管制冷機(jī)性能的一個(gè)重要因素。本發(fā)明著眼于解決大尺寸脈管制冷機(jī)中脈管內(nèi)氣體流動(dòng)不均勻性，通過(guò)在大尺寸脈管中嵌入導(dǎo)流隔膜后，將原大尺寸脈管分割成眾多區(qū)間，實(shí)際上增大了脈管的長(zhǎng)徑比，減少了脈管內(nèi)瑞利流、射流帶來(lái)的流動(dòng)損失，進(jìn)而提高大功率脈管制冷機(jī)的效率。

優(yōu)選的，所述的隔膜包括位于脈管中心并與脈管同軸設(shè)置的圓筒狀隔膜以及均勻連接在圓筒狀隔膜外壁及脈管內(nèi)壁之間的若干片狀隔膜，所述片狀隔膜的延伸面經(jīng)過(guò)脈管的軸心。

所述圓筒狀隔膜的內(nèi)徑與脈管的內(nèi)徑之比n為0.1≤n≤0.5。

所述片狀隔膜的數(shù)量為2～100。

另一種優(yōu)選的隔膜形式為，所述的隔膜包括均勻連接在脈管軸心及脈管內(nèi)壁之間的若干板狀隔膜。

所述板狀隔膜的數(shù)量為2～100。

第三種優(yōu)選的隔膜形式為：所述的隔膜包括多條相互平行的橫向隔膜和多條相互平行的豎向隔膜，且相鄰橫向隔膜或相鄰豎向隔膜之間的距離相同，所述橫向隔膜和豎向隔膜相互垂直。

所述橫向隔膜的數(shù)量為2～100，所述豎向隔膜的數(shù)量為2～100。

本發(fā)明所用的圓筒狀隔膜、片狀隔膜或板狀隔膜具有一定的剛性且具有良好的導(dǎo)流特性，但導(dǎo)流隔膜的材質(zhì)、數(shù)量和形狀可按需求設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的脈管可適用于所有的脈管制冷機(jī)，包括gm型脈管制冷機(jī)或斯特林型脈管制冷機(jī)；包括單級(jí)脈管制冷機(jī)或多級(jí)脈管制冷機(jī)；包括同軸型、u型、直線型等結(jié)構(gòu)形式的脈管制冷機(jī)；包括小孔型脈管制冷機(jī)、雙向進(jìn)氣型脈管制冷機(jī)、慣性管型脈管制冷機(jī)、活塞調(diào)相型脈管制冷機(jī)、雙向進(jìn)氣與慣性管聯(lián)合調(diào)相型脈管制冷機(jī)或活塞與慣性管聯(lián)合調(diào)相型脈管制冷機(jī)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：在脈管中嵌入隔膜后，增加了脈管的長(zhǎng)徑比，減小脈管內(nèi)的流動(dòng)損失，從而進(jìn)一步提高脈管的制冷效率。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1所用的脈管制冷機(jī)的連接示意圖；

圖2為實(shí)施例1所用脈管的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例2所用脈管的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實(shí)施例3所用脈管的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1為壓縮機(jī)，2為水冷器，3為回?zé)崞鳎?為冷端換熱器，5為脈管，6為熱端換熱器，7為慣性管，8為氣庫(kù)，9為圓筒狀隔膜，10為片狀隔膜，11為板狀隔膜，12為橫向隔膜，13為豎向隔膜。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

一種高脈管膨脹效率的脈管制冷機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，本實(shí)施例采用斯特林型脈管制冷機(jī)，包括依次連接的壓縮機(jī)1、水冷器2、回?zé)崞?、冷端換熱器4、脈管5、熱端換熱器6、慣性管7和氣庫(kù)8。其中，脈管5中設(shè)有沿脈管長(zhǎng)度方向設(shè)置的隔膜，隔膜包括位于脈管5中心并與脈管5同軸設(shè)置的圓筒狀隔膜9以及均勻連接在圓筒狀隔膜9外壁及脈管5內(nèi)壁之間的8塊片狀隔膜10，片狀隔膜10的延伸面經(jīng)過(guò)脈管5的軸心，具體形式見圖2。本實(shí)施例在原有整體式大尺寸脈管上改進(jìn)，在原有大尺寸脈管內(nèi)增設(shè)隔膜實(shí)質(zhì)上是增大了大尺寸脈管的長(zhǎng)徑比，減少了脈管內(nèi)瑞利流、射流帶來(lái)的流動(dòng)損失，進(jìn)而提高大功率脈管制冷機(jī)的效率。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再脈管中嵌入隔板后，該高脈管膨脹效率的脈管制冷機(jī)的制冷效率比沒有隔板的脈管制冷機(jī)高5％，達(dá)到98％以上。

實(shí)施例2

采用與實(shí)施例1相同的脈管制冷機(jī)，不同之處在于，脈管內(nèi)采用的隔板形式不同，本實(shí)施例采用的隔膜如圖3所示，包括均勻連接在脈管5軸心及脈管5內(nèi)壁之間的8塊板狀隔膜11。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再脈管中嵌入隔板后，該高脈管膨脹效率的脈管制冷機(jī)的制冷效率比沒有隔板的脈管制冷機(jī)高4.8％，達(dá)到97.8％以上。

實(shí)施例3

采用與實(shí)施例1相同的脈管制冷機(jī)，不同之處在于，脈管內(nèi)采用的隔板形式不同，本實(shí)施例采用的隔膜如圖4所示，包括2塊橫向隔膜12和2塊豎向隔膜13，橫向隔膜12和豎向隔膜13將脈管5分成9個(gè)區(qū)域。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再脈管中嵌入隔板后，該高脈管膨脹效率的脈管制冷機(jī)的制冷效率比沒有隔板的脈管制冷機(jī)高4.5％，達(dá)到97.5％以上。