一种可达卡诺效率的多级级联型脉管制冷机及制冷方法技术

本发明专利技术公开了一种可达卡诺效率的多级级联型脉管制冷机，包括压缩机、以及与压缩机出口依次串联连接的n套脉管制冷机单元；两套相邻脉管制冷机单元中，靠近压缩机的脉管制冷机单元中的脉管热端换热器通过传输管与另外一套脉管制冷机单元中的回热器热端换热器连通；其中n为大于或等于3的正整数。本发明专利技术还公开了一种可达卡诺效率的制冷方法。本发明专利技术通过多级脉管制冷机级联的制冷方案，在不引入运动部件、不引入环路直流，且保存传统脉管部件的前提下，将原本耗散于脉管热端的声功加以逐级回收利用，其制冷效率随级联级数递增而增加，逐步向卡诺效率逼近，在保证脉管制冷机高可靠性的同时，可大大提高制冷效率。

【技术实现步骤摘要】
一种可达卡诺效率的多级级联型脉管制冷机及制冷方法
本专利技术属于脉管制冷机
，具体是涉及一种可达卡诺效率的多级级联型脉管制冷机及制冷方法。
技术介绍
近年来，脉管制冷机由于其冷端无运动部件，可望真正成为低成本、低振动、运行稳定可靠的长寿命低温制冷机。随着脉管制冷机结构的不断改进，其制冷温度不断降低，制冷量和制冷效率也大幅提高，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。脉管制冷机的发展主要经历了基本型、小孔型、双向进气型以及惯性管型结构，其中基本型脉管的效率较低，后三者通过在脉管热端增加了调相结构，使得回热器获得更好的相位，从而提升了制冷效率。然而这些调相机构无一例外需要消耗来自冷端的声功，这是脉管制冷机理想效率Tc/Th低于逆卡诺效率Tc/(Th-Tc)的根本原因。为弥补脉管制冷机这一缺陷，各国学者纷纷提出了各种声功回收型的脉管制冷机。1988年，日本大学Matsubara等提出了热端活塞式脉管制冷机，可以回收脉管热端声功用于驱动压缩机。1999年美国洛斯阿拉莫斯实验室Swift等通过热声理论，系统分析了声功回收方案的可行性，提出了两种声功回收的新结构。其一为包含反馈传输管的结构，通过一根传输管，将脉管热端的声功传输到压缩机背压腔中，从而达到回收声功的目的；其二为包含惯性管声容反馈的结构，将脉管热端的声功直接加以利用。然而这两种均为环路结构，由于环路直流对制冷性能的影响，其实验结果与理论设计偏差较大。2007年，朱绍伟等提出了步进活塞式脉管制冷机的概念，理论分析表明其可以提高脉管制冷机效率，但可以预见该结构也同样会存在环路直流的影响。可见，上述结构或增加运动部件，牺牲了脉管制冷机冷端无运动部件及可靠性高的优势，或存在环路直流，降低制冷性能。2011年，Swift等提出了基于1/4波长脉管的声功回收型脉管制冷机，通过一根1/4波长的具有脉管功能的传输管回收前级制冷机声功，用于驱动第二台制冷机。该结构在不增加运动部件且不引入环路直流的前提下进行声功回收，具有较好的应用前景。然而其存在如下不足：由于其1/4波长脉管较细，回热器至脉管处变截面严重，导致较大的局部阻力损失；同时1/4波长传输管虽理论上具有脉管功能，但其内部存在较大温度梯度及摩擦阻力，因此其文章报道实验结果与理论预测偏差较大。
技术实现思路
本专利技术提供了一种可达卡诺效率的多级级联型脉管制冷机及制冷方法，在不引入运动部件、不引入环路直流，且保存传统脉管部件的前提下，通过合理设计的、非1/4波长的传输管将固定比例的脉管制冷单元串联起来，利用传输管回收前级制冷机脉管冷端的声功，用于驱动后级制冷机。理论分析表明，当该串联级数达到无穷大时，整机制冷效率等于卡诺效率。在保证脉管制冷机高可靠性的同时，可大大提高制冷效率。一种可达卡诺效率的多级级联型脉管制冷机，包括压缩机、以及与压缩机出口依次串联连接的n套脉管制冷机单元；两套相邻脉管制冷机单元中，靠近压缩机的脉管制冷机单元中的脉管热端换热器通过传输管与另外一套脉管制冷机单元中的回热器热端换热器连通；其中n为大于或等于3的正整数。本专利技术中，利用传输管回收前级制冷机脉管冷端的声功，用于驱动后级制冷机，当级数n趋于无穷大时，整机理论效率趋于卡诺效率。作为优选，各套脉管制冷机单元工作于同样的热端温度Th与冷端温度Tc下，对于第i套脉管制冷机单元，其中部件j的有效横截面积Ai,j为：上式中：A1,j为第一套脉管制冷机单元中部件j的有效横截面积；i为正整数，且满足1≤i≤n；所述部件j为所述脉管制冷机单元中的各部件。脉管制冷机单元中一般包括回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器等。本专利技术中，多套脉管制冷机单元均工作于同样的热端温度Th与冷端温度Tc下。作为优选，各套制冷机级间配比为其中n代表第n套，即每一套制冷机的横截面积尺寸等于前套的Tc/Th。则对于n套结构，整机制冷效率为：可得当n→∞时，有即无穷多级级联型声功回收脉管结构的制冷效率等于卡诺效率。根据上述公式，可以得到在不同制冷温区下，级联级数(脉管制冷机单元的套数)对整机相对卡诺效率的影响。由此本专利技术提出一种多级级联型脉管制冷机设计方法，即作为优选，根据制冷温区的不同，选择需要的套数n，以满足效率和紧凑性的总体最优化，n表达式如下：其中n表示所需脉管制冷机单元的套数，N为取整函数，η为所需的相对卡诺效率；Th为各套脉管制冷机单元工作的热端温度；Tc为各套脉管制冷机单元工作的冷端温度。本专利技术中n套脉管制冷机单元可采用多种布置方式，优选的方案主要有：作为第一种优选的方案，所述n套脉管制冷机单元均为一级脉管制冷机单元，各一级脉管制冷机单元中回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器呈直线型布置。采用直线型布置，整体结构简单，布置方便。n套脉管制冷机单元之间可采用直线型布置，也可采用其他方式布置，例如可采用迂回状布置、环形布置等。作为第二种优选的方案，所述n套脉管制冷机单元均为一级脉管制冷机单元；每套脉管制冷机单元中回热器和脉管呈U型布置，且n套脉管制冷机单元中所有脉管热端换热器与回热器热端换热器均通过热桥连接，所有冷端换热器均通过热桥连接。每套脉管制冷机单元中回热器和脉管呈U型布置有利于节省空间。本技术方案中，所有脉管热端换热器与回热器热端换热器均通过热桥连接，所有冷端换热器均通过热桥连接，即可采用一体设置的方式实现，也可单独设置导热件，通过导热件将各个热端换热器或冷端换热器连接导热。这种整体式热桥结构可降低温度波动，提高系统运行稳定性。n套脉管制冷机单元之间可采用多种方式布置，均可根据实际使用场合确定。作为第三种优选的方案，所述n套脉管制冷机单元均为一级脉管制冷机单元，每一套脉管制冷机单元中回热器和脉管呈内外套嵌同轴布置；且n套脉管制冷机单元中所有脉管热端换热器与回热器热端换热器均通过热桥连接，所有冷端换热器均通过热桥连接。采用该技术方案，可以进一步节省空间。n套脉管制冷机单元之间可采用直线型布置，也可平行布置，可根据实际使用情况需要。上述技术方案中，每一套脉管制冷机单元也可替换为多级气耦合或热耦合脉管制冷机结构。此时，每套脉管制冷机单元的级数相同，相邻两套脉管制冷机单元之间相互匹配，进一步实现了声功。作为进一步优选的方案，所述n套脉管制冷机单元中制冷机冷头兼做被冷却对象的支撑连接结构。该技术方案由若干相互分离的制冷机冷头代替被冷却对象的支撑连接结构，以减小漏热损失，可进一步提高实际制冷效率。作为优选，所述n套脉管制冷机单元为内外套嵌的同轴型结构，其中最外层为第一套脉管制冷机单元，最内层为第n套脉管制冷机单元；针对每一套脉管制冷机单元，回热器位于外层，脉管位于内层。采用该结构，整个制冷机为内外镶嵌的同心圆结构，更进一步节省本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可达卡诺效率的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，包括压缩机、以及与压缩机出口依次串联连接的n套脉管制冷机单元；两套相邻脉管制冷机单元中，靠近压缩机的脉管制冷机单元中的脉管热端换热器通过传输管与另外一套脉管制冷机单元中的回热器热端换热器连通；其中n为大于或等于3的正整数。

【技术特征摘要】
1.一种可达卡诺效率的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，包括压缩机、以及与压缩机出口依次串联连接的n套脉管制冷机单元；两套相邻脉管制冷机单元中，靠近压缩机的脉管制冷机单元中的脉管热端换热器通过传输管与另外一套脉管制冷机单元中的回热器热端换热器连通；其中n为大于或等于3的正整数，各套脉管制冷机单元工作于同样的热端温度Th与冷端温度Tc下，对于第i套脉管制冷机单元，其中部件j的有效横截面积Ai,j为：上式中：A1,j为第一套脉管制冷机单元中部件j的有效横截面积；i为正整数，且满足1≤i≤n；所述部件j为所述脉管制冷机单元中的各部件。2.根据权利要求1所述的可达卡诺效率的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，根据制冷温区的不同，选择需要的套数n，以满足效率和紧凑性的总体最优化，n表达式如下：其中n表示所需脉管制冷机单元的套数，N为取整函数，η为所需的相对卡诺效率；Th为各套脉管制冷机单元工作的热端温度；Tc为各套脉管制冷机单元工作的冷端温度。3.根据权利要求1-2任一权利要求所述的可达卡诺效率的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，所述n套脉管制冷机单元均为一级脉管制冷机单元，各一级脉管制冷机单元中回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器呈直线型布置。4.根据权利要求1-2任一权利要求所述的可达卡诺效率的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，所述n套脉管制冷机单元均为一级脉管制冷机单元；每套脉管制冷机单元中回热器和脉管呈U型布置，且n套脉管制冷机单元中所有脉管热端换热器与回热器热端...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘智华，王龙一，植晓琴，王建军，陶轩，尹成厚，孙潇，王邦旭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33