[发明专利]一种非金属多孔微通道脉管制冷机

说明书

本发明涉及一种非金属多孔微通道脉管制冷机，包括依次连接的压缩机、冷却回热模块、微通道脉管、次冷却器、调相机构和气库；所述的冷却回热模块用于对进出微通道脉管前的制冷气体工质进行冷却与能量回收，并通过与外界换热将冷量向外界输出；所述的微通道脉管为轴向开设有多条两端贯通通道的管材。与现有技术相比，本发明在长期处于极端低温的环境中也可保证结构强度；解决了现有技术中管材难以在极端温度下承压长期工作的问题，并且进一步减小了摩擦阻力，减小了压降；采用了叉排式的通道的排布方式，保证了层流的情况下单位截面积的脉管可取得最大的质量流量。

技术领域

本发明涉及一种低温制冷系统，尤其是涉及一种非金属多孔微通道脉管制冷机。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，军事及空间探测领域对深低温制冷的需求日益扩大，效率高、结构紧凑、性能优良的低温制冷机尤其是脉管制冷机在航空探测领域应用广泛。为了提高脉管制冷机的性能，历史上经历了三次重大改进。第一次， Mikulin等人提出小孔加气库的调相方案，获得了49K的低温；第二次，朱绍伟等人提出了双向进气的调相方案，扩充了脉管制冷机的应用范围；第三次，Kanao等人提出了惯性管调相方案，在高频工况下，要优于小孔加气库调相方案。之后，为了进一步提高性能，在以上重大改进的基础上又提出了主动活塞型脉管制冷机、四阀型脉管制冷机、主动气库脉管制冷机等方案。考虑到脉冲管制冷机工作流体特征是交变流动，在脉管内存在严重的非线性流动和传热现象，极大影响脉管制冷机的工作性能和制冷温度。

最早Gendeon发现在脉冲管制冷系统中存在由于双向进气回路产生的 Gendeon流。Gendeon流的存在引发了脉管热端向冷端的附加热流，增大了冷端的热负荷，降低了制冷机的性能。之后，根据脉管制冷机内的边界层效应发现了 Rayleigh流。脉冲管两端存在温度梯度，由于高温气体微团的黏度比低温气体微团的黏度大，因此运动的气体微团一周期内不能回到原先运动起点，从而产生了位移。这种气体微团的位移会在管壁边界层内产生一个时均质量流量。由质量守恒原理，管壁附近必会出现一个方向相反的时均质量流量，即Rayleigh流。Rayleigh流也会产生脉冲管热端向冷端的附加热流，导致制冷性能恶化。周远等人又提出了在脉管制冷机内的第三种直流效应，会恶化制冷造成制冷温度的不稳定。

申请号为201710854691.5的专利文献公开了一种微通道脉管制冷机，包括依次连接的压缩单元、主冷却器、回热器、冷端换热器、脉管、次冷却器，脉管为微通道脉管，微通道脉管由多根微通道管组成，微通道直径为微纳米级至少在1mm 以下，长径比≥500。长径比提高可以大大减小轴向导热，从而提高脉管制冷机制冷效率。同时，微通道可以使气流变为层流，这样就可以不使用层流化原件，简化了结构。多根脉管堆积的分散非整体结构极其不利于低温环境下的长期运行，很容易出现破损断裂的情况，而以上技术方案采用的微通道脉管由多根分层排布的微通道组成，可保证微通道脉管的结构刚度；普通的脉管材料特别是金属材料，将极大的增加脉管冷端的负荷，使得冷端结构易损伤；采用普通的脉管材料虽然可以取消层流化元件，但其与内部的管壁摩擦会带来交大的压损，使得制冷成本上升，换热效率下降。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种非金属多孔微通道脉管制冷机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种非金属多孔微通道脉管制冷机，包括依次连接的压缩机、冷却回热模块、微通道脉管、次冷却器、调相机构和气库；所述的冷却回热模块用于对往返于微通道脉管的制冷气体工质进行冷却与能量回收，并通过与外界换热将冷量向外界输出；所述的微通道脉管为轴向开设有多条两端贯通通道的管材。

进一步地，所述的微通道脉管的材料为聚四氟乙烯。聚四氟乙烯具有极为优越的综合性能，如耐高低温、耐腐蚀、耐压范围大(-0.1～6.4Mpa)、高绝缘、高润滑、不粘附优良特性。可从材料上解决当前微通道脉管在极端温度下的缺陷，并进一步减小了摩擦阻力，减小了压降。