[发明专利]一种回收声功的级联型脉管制冷机

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉管制冷机，尤其涉及一种回收声功的级联型脉管制冷机。

背景技术

脉管制冷机最早由美国的Gifford教授和Longswoth提出，由于其在低温下没有运动部件，避免了滑动密封、机械磨损等问题，可望成为低成本、低振动、可靠性高、长寿命的低温制冷机被广泛运用。随着小孔气库、双向进气、惯性管等调相结构的提出和成功运用，使得脉管制冷机制冷温度不断降低，制冷量和制冷效率也大幅提高，接近甚至在某些工况下超过传统的回热式低温制冷机（如：G-M制冷机、Stirling制冷机等），已在超导器件和红外设备的冷却，以及气体液化等方面得到广泛应用。

然而，上述的各种结构都需要调相元件，使得系统结构相比于Stirling制冷机更加复杂，此外，其脉管冷端声功无一例外需在调相装置内以热量的形式耗散掉，这也直接导致了其制冷系统的理想效率低于卡诺效率（由于Stirling制冷机通过排除器可将冷端声功得以回收，理想效率与卡诺效率相等）。

根据热力学原理，气体工质的声功和诸如电功，轴功和水利机械功等同样重要。在小孔型脉管制冷机中，声功可以制冷；声功可以通过线性发电机用来发电；声功还可以通过水轮机转化为机械功，并且，声功的来源很广泛，可以从斯特林制冷机和热声发动机等各种形式的热机中获得。特别是对于大功率的脉管制冷机系统，在调相元件中耗散的声功占的比例是很大的，如果能有效的将这中能量利用起来，将产生很大的实用价值。

1988年Matsubara提出了一种带热端膨胀机的双活塞型脉管制冷机，可以回收膨胀功。该制冷机可看做是斯特林制冷机的变种，但结构复杂，未能得到广泛应用。

Swift的申请号为US8,468,838B2的专利文献中提出一种用四分之一波长传输管连接的回收声功的级联型脉管制冷机，虽然能够有效的回收声功，但是并没有提出如何有效的利用回收声功后得到的冷量，而如何将回收声功得到的附加冷量有效的利用起来以提高整机效率，是很有意义的。

提高单级脉管制冷机性能的方式有很多，为了提高脉管制冷机的制冷量，降低其所能获得的最低温度，有效的预冷级后冷却器或者回热器中间某部位是其中的一种方式。现有发明中的热耦合型两级脉管制冷机，为了使第一级脉管制冷机获得更好的性能，使用第二级脉管制冷机来预冷第一级脉管制冷机的回热器中间某部位，这种结构虽然能够降低第一级脉管制冷机所能达到的最低温度，提高第一级脉管制冷机的性能，但是两级脉管制冷机需要两个压缩机单元，并且各自的声功都在其对应的调相元件（惯性管、气库）中耗散掉，因而整机的效率是比较低的，不能有效的节约能耗，提高效率。

由上述总结可知，一种可以回收并有效利用脉管制冷机惯性单元以热量耗散掉的声功的新型脉管制冷机结构对于提高脉管制冷机整机效率，满足当前节能减排的要求是非常有意义的。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明改进了传统脉管制冷机结构，提出了一种可以回收声功的级联型脉管制冷机结构，并且合理利用回收声功后得到的冷量，同时满足低温下没有运动部件，可靠性高等优点，可以显著的提高脉管制冷机的效率。

一种回收声功的级联型脉管制冷机，包括主级脉管制冷机单元和辅级脉管制冷机单元，所述的主级脉管制冷机单元包括主级压缩机、与主级压缩机出气口依次连通的主级级后冷却器、主级回热器、主级冷端换热器、主级脉管和主级热端换热器；所述的辅级脉管制冷机单元包括与主级热端换热器远离主级脉管的一端依次连通的辅级回热器、辅级冷端换热器、辅级脉管、辅级热端换热器和调相元件；所述的辅级冷端换热器通过一热桥对主级回热器或者主级级后冷却器进行冷却。

所述的辅级脉管制冷机单元是为了回收主级热端换热器出口的声功，将低品位的热能转换为制冷量，预冷主级回热器或者主级级后冷却器，提高整机制冷效率。所述的压缩机为整机提供总输入功，保证制冷机运行。

为进一步提高系统性能，作为优选，所述的辅级回热器与所述的主级热端换热器之间通过一传输管连通，该传输管的长度为室温下氦工质波长的四分之一或三分之一。

传输管为确定内外径、长度的铜管或者不锈钢管，具体尺寸大小需要靠软件如Sage确定，长度一般为室温下氦工质波长的四分之一或三分之一。传输管的作用跟惯性管相似，为调相元件，因为主级热端换热器出口的相位为体积流领先于压力波，不适合驱动辅级脉管制冷机单元，传输管通过其调相作用，使得辅级脉管制冷机单元进口的相位与压缩机出口相位一致，即辅级回热器冷端体积流落后于压力波的相位，使之能够更好的满足辅级脉管制冷机单元工作要求。