[实用新型]直线型脉管制冷机集成式锥形狭缝冷端换热器

说明书

技术领域

本专利涉及脉管制冷机，特别涉及一种直线型脉管制冷机的集成式锥形狭缝冷端换热器。

背景技术

脉管制冷机是对回热式低温制冷机的一次重大革新。它取消了广泛应用于常规回热式低温制冷机（如斯特林或G-M制冷机）中的冷端排出器，而以热端调相机构的运作来实现制冷所需的相位差。冷端运动部件的完全取消，实现了冷端的低振动、低干扰和无磨损；而经过结构和调相方式上的一系列重要改进，在一些典型温区，其实际效率也已经达到回热式低温制冷机中的最高值。这些显著优点使得脉管制冷机成为20余年来低温机械制冷机研究的一大热门，在航空航天、低温电子学、超导工业和低温医疗业等方面都获得了广泛的应用。

根据脉管与蓄冷器的相互关系不同，脉管制冷机可分为如下三种典型布置方式，如图1所示：其中（1）为直线型，（2）为U型，（3）为同轴型。直线型布置中脉管和蓄冷器处于一条直线上；U型布置是指脉管和蓄冷器平行布置，脉管和蓄冷器的冷端通过管道连接；同轴型布置是指脉管和蓄冷器同心地布置在一起。在三种布置方式中，同轴型的结构最为紧凑，冷头与器件耦合方便，但该布置方式使得气体在冷头折转180°，流动阻力增大，同时引起了较大的气流扰动；尤其是由于脉管和蓄冷器沿轴向的温度可能不匹配，将会存在较明显的径向导热从而降低了制冷效率。U型布置的紧凑性不如同轴型，但蓄冷器和脉管不直接接触，较之同轴型，避免了因二者轴向温度不匹配而引起的径向导热损失，有利于提高制冷效率；但其气流在冷端同样需要180°的折返，和同轴型一样会引起气流扰动和不可逆损失。直线型布置方式最大限度地降低了冷头的流动阻力，并且由于气流在冷端不需要折返，给冷端气流以最小的扰动，因而制冷效率在三种布置方式中最高。直线型布置最大的缺点是冷头位于制冷机中部，与器件的耦合较为不便，整体结构也相对松散，但近年来，随着杜瓦技术的改进及制冷机耦合工艺的提高，上述缺点被逐渐弥补，而其高制冷效率和大冷量潜力的优势正日益受到高度重视。高制冷效率使得制冷机可以在有限能源的限制下实现冷量最大化，这对于能源有限的工作环境如航空航天、水下等特殊应用场合意义重大；而大冷量潜力可以为设计留出较大的冷量余量，从而可以以消耗余量的方式维持较长时间的稳定工作，这对于制冷机的长寿命工作同样至关重要。因而直线型脉管制冷机在星载长寿命、大制冷量应用中占据特殊重要的地位。以美国为例，其自1998年脉管制冷机首次成功升空以来即沿袭直线型的布置方式，十余年来该模式已经发展成熟。世界最著名的星载脉管制冷机研发公司美国NGAS公司目前共有12台脉管制冷机在轨运转，全部采用直线型布置方式，其中有两台已经连续运转超过12年。上述优秀的范例使得直线型脉管制冷机在航天及星载应用领域显示出越来越广阔的应用前景。

冷端换热器是直线型脉管制冷机中极为关键的部件。在理想情况下，它要实现三方面主要功能：

1)高效换热。特别是在大冷量传输的情况下，实现热量的高效交换显得尤为重要。这就需要能在有限体积下实现较大换热面积的几何结构。

2)减小蓄冷器和脉管变截面处的流动损失。脉管制冷机的蓄冷器和脉管往往具有不同的截面直径，变截面处不能产生较大的流动损失，这就需要实现变截面的有效过渡；

3)实现蓄冷器和脉管变截面连接处的气体均布。脉管中的气体流动尽可能地层流化，以维持气体活塞。这就需要特殊的变截面气流均布方式。

而目前常规的直线型脉管制冷机的冷端换热器远远没有达到这个要求。直线型脉管制冷机目前普遍采用的常规冷端换热器主要分为三种。

第一种是使用一个外径大于蓄冷器和脉管外径的冷端换热器将蓄冷器和脉管的冷端集成为一体，在冷端换热器的内部开通一个连接管路以连通蓄冷器和脉管冷端。图2给出了使用该种冷端换热器的直线型脉管制冷机的示意图；

第二种是将冷端换热器置于蓄冷器内，然后再与脉管耦合在一起。图3给出了使用该种冷端换热器的直线型脉管制冷机的示意图；

第三种是将冷端换热器置于脉管内，然后再与蓄冷器耦合在一起。图4给出了使用该种冷端换热器的直线型脉管制冷机的示意图。

在上述三种典型布置形式中，蓄冷器的直径均大于脉管的直径，这也是实际应用的脉管制冷机中最普遍的现象。

图2所示的冷端换热器有如下显著缺点：

1)由连接管路形成的内部气流换热面积有限，不利于实现高效换热，特别是随着制冷机结构和冷头尺寸的增大，其不完全换热趋势加大，降低了制冷效率；

2)气流从蓄冷器到脉管发生了两次变截面流动，从而产生了较大的流动损失；