[发明专利]采用环形脉管结构的单级同轴脉管制冷装置及其设计方法

说明书

本发明公开了一种采用环形脉管结构的单级同轴脉管制冷装置及其设计方法，装置包括热端换热器，冷端换热器，外部的环形脉管及与其内同轴的圆筒形回热器等。本发明采用环形脉管结构，通过其狭缝结构，减少了脉管内交变流工作气体的环流等恶化脉管性能的现象，可提高了脉管性能乃至整机性能；可将冷指设计为环形凹槽或凸台结构，更有利于与需冷设备的耦合，缩短制冷时间，提高制冷效率；降低整机设备的制作工艺难度，提高生产效率，降低设计及加工成本。

技术领域

本发明涉及单级脉管低温制冷领域，特别涉及一种脉管采用环形结构的脉管制冷装置。

背景技术

因冷端无运动部件，经多年的发展，脉管制冷机以其机械振动小，结构紧凑简单，运行寿命长，可靠性高等诸多优点，在军事、航空航天、医药、生物技术、超导技术、移动通讯、农业、交通等诸多领域得以广泛应用。

根据回热器和脉管的布置位置的不同，可以将单级脉管制冷机结构分为三种类型，即直线型单级脉管制冷机，如图1所示，U型单级脉管制冷机，如图2所示，同轴型脉管制冷机，脉管位于同轴的回热器内，如图3所示。直线型布置的脉管制冷机，因工作气体直线流动而不折返现象，效率最高，但冷指置于制冷机的中部，不利于与其他器械的耦合；U型布置的单级脉管制冷机，回热器与脉管之间无直接接触，减少了径向导热损失，较之直线型脉管制冷机在一定程度上改善空间布局的限制，但结构不够紧凑，与其他设备耦合时存在一定局限；同轴型脉管制冷机虽存在气流有较大折弯等问题，但其结构紧凑，冷指易于其他器械相耦合，即便冷指面积不大，但适用于对空间有着特殊需求的场所。

图3给出了常规同轴型单级脉管制冷机结构示意图。压缩机1压缩后的工作气体经连接管2进入热端换热器3.3冷却，然后进入环形回热器4.3。回热器4.3内填充环形丝网4.3.2。环形丝网4.3.2需根据设计的回热器尺寸、横截面积等进行设计加工，并经特殊工艺填充入回热器内。事实上，回热器环形丝网的填充工艺对回热器的性能影响很大，工作气体在回热器内经过了一系列的状态参数改变，然后进入冷端换热器5.3，经换热器5.3换热和导流后，进入脉管6.3。冷指在换热器5.3处往往设计成一个触点，通过与其他设备的耦合，冷量被传导出，冷指制冷面积偏小，且在中心位置，在与其他设备耦合时需要特殊设计。图4给出了常规单级同轴脉管制冷机回热器和脉管相对位置的结构剖面图。流经回热器的工作气体，经过180°的折流后进入脉管，虽经导流器导流，易在脉管内形成环流，恶化制冷机性能。目前有报道在脉管内增设导流装置，或将脉管做成同轴管套结构以改善脉管内工作气体的环流现象。

发明内容

鉴于上述已有技术及单级脉管制冷机存在的缺点和不足，本发明设计了一种采用环形脉管的单级同轴型脉管制冷机结构及其制造方法。

本发明的目的在于，对同轴型单级脉管制冷机结构进行优化布局，即将脉管做成环形，放在回热器之外，即优化了回热器的填充工艺，又可使气流经过脉管时减少环流和紊流扰动，从而一定程度上可以提高脉管制冷机的整机效率，降低制作工艺难度，简化制作流程，提高设计加工效率。

图5给出了本发明的采用环形结构的同轴型脉管制冷机系统结构示意图。采用环形结构脉管的单级同轴型脉管制冷装置，其特征在于，所述装置主要包括线性压缩机1，连接管2，热端换热器3.4，回热器4.4，冷端换热器5.4，脉管6.4，相位调节装置即惯性管8，气库9。工作气体经连接管2后进入热端换热器3.4内的气道与冷却介质进行换热，冷却后的工作气体进入位置在中心的圆筒形回热器4.4内；热端换热器3.4的内部构造与进气通道的设计与图3所示的常规单级同轴型脉管制冷机系统的热端换热器3.3有所区别，图3中的热端换热器3.3，工作气体冷却后，经其边缘气道流入环形结构的回热器4.3内，而本发明如图4所示的装置结构中，热端换热器3.4冷却后的工作介质，经其中心的气道流入中心圆筒形回热器4.4中。