[发明专利]多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式换热器及实现方法

说明书

本发明公开了一种多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式换热器及实现方法，所述的冷端换热器包括换热器外壳、连管、锥形狭缝体一、贯通孔一、层流元件、锥形狭缝体二、贯通孔二。在换热器外壳左右两边分别切割锥形狭缝，通过焊接连管连通两个部分，同时实现第一级蓄冷器、第二级蓄冷器与第一级脉冲管与的连接。本发明在保持传统换热器高效换热优点的同时，实现脉冲管制冷机前后级冷指高效匹配，抑制气体工质在换热通道内的回流、混流以及紊流扰动，保证气体流动的均匀性。该发明将显著提高脉冲管制冷机的换热效率及整体性能，在实现多级脉冲管制冷机紧凑化、实用化以及获取极低温度方面具有非常积极的意义。

技术领域

本发明属于制冷与低温工程领域，涉及脉冲管制冷机，特别涉及一种多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器及实现方法。

背景技术

脉冲管制冷机是对回热式低温制冷机的一次重大革新，它取消了常规回热式制冷机在低温区的运动部件，具有可靠性高、机械振动小、工作寿命长、制冷效率高、电磁噪声低等突出优点，被公认为新一代长寿命回热式低温制冷机，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。

根据蓄冷器和脉冲管的相互关系，可将脉冲管制冷机分为如下三种典型布置方式，即直线型、U型、同轴型。如图1所示，其中(a)为直线型，(b)为U型，(c)为同轴型。直线型布置是脉冲管和蓄冷器处于一条直线上，U型布置是指脉冲管和蓄冷器平行布置，同轴型布置是指脉冲管和蓄冷器同心地布置在一起。一般而言，直线型布置由于气流在冷端不需要折返，流动损失和死体积都最小，因而在三种布置中制冷效率最高，其缺点是结构在三种布置中最为松散，结构长宽比大。同轴型布置在三种布置中结构最为紧凑，而且冷端处于一端，在应用实践中得到广泛应用，其缺点是气流在冷端(应用端)需要产生180°的折返，流动损失和死体积都较大，一般情况下在三种布置方式中效率最低，且对设计要求较高。U型布置的结构紧凑程度处于直线型和同轴型之间，它的冷端处于一端，但是因为蓄冷器和脉冲管平行布置，所以冷端换热器一般都较大，且在该种布置形式中气流在冷端同样需要180°的折返，其制冷效率一般处于直线型和U型之间。

根据多级脉冲管冷指的级间耦合形式，又可将多级脉冲管制冷机分为热耦合型(如图2)与气耦合型(如图3)两大类。热耦合型结构设计简单，各级之间通过热桥进行连接，具有级间影响较小、内部流量易于控制等优势，但一般需要多台压缩机驱动，需要的压缩机数量也随着级数而增加，并且通过热桥连接的换热存在较大的不可逆损失，因此系统整体体积较大，效率相对较低。而气耦合型布置方式避免了热桥等热连接，因而结构紧凑、制冷效率也相对较高，在实际应用中有着很大优势，但是由于各级低温端存在气体分流，各级气体流量及压力难以调控，因而级间影响较为明显，因而设计难度较高。

其中，冷端换热器是多级U型气耦合脉冲管制冷机设计中的关键部件，它既是一、二级冷指气体工质的通道，也是一级冷端与二级蓄冷器热端换热的场所，在理想情况下，它需要实现以下四方面的功能：

1)高效换热。换热器性能直接影响前级冷端与后级蓄冷器热端的换热效率，从而影响多级脉冲管制冷机的制冷能力，因此实现热量的高效交换尤为重要，这就需要能在有限的体积下实现较大换热面积的几何结构。

2)流量分配。多级气耦合脉冲管制冷机前后级工作于不同温区，并且其后阻力各不相同，换热器在提供高效换热的同时，还应具备前后级流量分配的功能。这就需要根据换热器不同出口处的阻力来设计内部气体流动通道，从而实现前后级冷指之间的高效匹配。

3)控制流动。最大限度地抑制气体在换热通道内的紊流扰动，保证出口流速的均匀性，使得流入脉冲管内的气体工质形成均匀分布的层流状态，以维持脉冲管内部气体活塞。避免前级蓄冷器流出的气体在分别流入前级脉冲管和后级蓄冷器时产生回流及混流，导致气体工质混合不均匀。同时保证气体工质反向流入蓄冷器时，避免由于流速不均造成的蓄冷器换热不均，以提蓄冷器的工作效率。