[发明专利]热管式绝热放气制冷机

说明书

技术领域

本发明属于制冷和低温技术领域，尤其涉及一种热管式绝热放气制冷机。 

背景技术

在目前的市场上，大多数回热式气体制冷机都采用气缸-活塞这种结构形式，例如ST、VM、G-M和SV制冷机。这是因为，在制冷机的一个周期中存在气体压缩和气体膨胀两个过程，为了获得制冷效果，就必须使气体压缩过程的放热与气体膨胀过程的吸热在不同的空间或位置完成。当活塞在气缸中运动与进排气有规律进行时，即可实现在气缸的不同位置完成压缩放热与膨胀吸热。从而实现在气缸某一固定位置如冷腔或冷头连续吸热而制冷。 

1933年物理学家Franz Simon首次利用绝热放气膨胀制冷方法，为小型低温物理试验生产少量液氦，因此人们把绝热放气膨胀叫作西蒙膨胀。在刚性容器中的高压气体被冷却后，向低压空间绝热放气，留在容器中的气体向放出的气体作推动功，消耗自身一部分内能而降温，从而使容器中的气体产生了制冷效应，这就是西蒙膨胀制冷原理。这种膨胀过程是介于节流膨胀与等熵膨胀之间的一种不可逆膨胀过程。在1959年W.E.Gifford和H.O.McMahon两位科学家利用西蒙膨胀制冷原理发明了吉福特-麦克马洪(Gifford-McMahon，简称G-M)制冷机。G-M制冷机是由阀门控制流体流动的回热式小型低温制冷机，可获得77K、20K乃至4.2K低温的制冷温度，由于其结构简单、运转可靠、使用方便，这种回热式小型气体制冷机迅速成为商用产品，并广泛应用于低温电子学、低温真空泵、超导磁体冷却系统和科学研究等领域。 

但由于G-M制冷机采用了汽缸-活塞结构，这种气缸-活塞式气体制冷机包括气缸、活塞、活塞环、驱动活塞运动的驱动机构以及与驱动机构配合开闭的进排气配气机构。众所周知，低温制冷机气缸是非常难于加工制造的部件，要求其具备很高的形位和尺寸精度；活塞也要求具有较高的行为和尺寸精度以保证与气缸的配合；活塞环是保证冷热腔之间隔离不泄露 的唯一关键零件，其材料的选择、结构和加工精度都密切影响其磨损程度和制冷机的性能；活塞驱动机构和配气机构及其配合规律导致结构复杂和制造成本的提高。这些使得G-M制冷机很难微型化，并且加工难度和制造成本较大，同时也导致制冷机工作时较大的噪声和振动，难于应用于电子器件芯片的冷却。 

发明内容

因此，本发明的主要目的是想克服已有技术的不足，利用西蒙膨胀制冷原理并结合热管单向热传特性，并通过配气阀实现周期性配气，提出一种成本低、振动及噪音小、结构紧凑的热管式绝热放气制冷机。 

为此，本发明提供一种热管式绝热放气制冷机，包括配气阀和蓄冷器，其特征在于，还包括与所述配气阀和蓄冷器流体连通的西蒙腔和在其中相互连接的热端热管和冷端热管，并且该热端热管和冷端热管均延伸到西蒙腔外，热端热管与冷端热管相连接的连接端为蒸发端，另一端为冷凝端，冷端热管与热端热管相连接的连接端为冷凝端，另一端为蒸发端。 

在本发明中，所述西蒙腔为绝热刚性壳体，在西蒙腔内，所述热端热管和冷端热管以耦合方式连接在一起，也可用其它合适的方式连接在一起。所述蓄冷器布置在配气阀与西蒙腔之间。 

根据本发明的进一步特征，该热管式绝热放气制冷机还包括绝热罩体，所述西蒙腔和冷端热管的蒸发端以与环境气体隔绝的方式布置在该罩体内。该罩体用于对制冷机的低温段进行绝热保温，可以采用高真空绝热保温，也可以采用其它任何合适的绝热保温形式。 

可以将冷端热管的蒸发端置于需要冷却的物体如芯片内，也可以在该蒸发端装设冷头，使该冷头接触要冷却的物体，来实现物体的冷却。 

本发明主要是利用热管传热的单向导通特性。热管通常由金属材料制成如钢等，利用热管内相变工质的受热端蒸发与放热端冷凝而传递热量，因此，热管两端的传热温度差很小、热量传递快。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的工质，这种工质在合适的温度下变为液相。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不 止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。 

根据本发明，热管可以是重力热管，可以是毛细热管和虹吸热管，也可以采用其它任何合适类型的热管。对于冷端热管内的工质，可根据冷却温度的不同来选择。