基于脉管内调相的声功回收型脉管制冷机制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于脉管内调相的声功回收型脉管制冷机，包括压缩机、以及与压缩机出口依次连接热端换热器、回热器、冷端换热器和脉管，所述的脉管的热端与所述压缩机和热端换热器之间的管路连通；所述脉管为长度为1/4λ的长颈管，λ为工质气体在脉管中的平均波长。本实用新型专利技术通过1/4波长的长颈管调节制冷机内部压力波与体积流之间的相位，省去了原有脉管热端复杂的被动或主动调相装置；且将制冷机冷端声功加以回收利用，提高了脉管制冷机的制冷效率，其理想效率可以达到卡诺效率。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种脉管制冷机，具体是涉及一种基于脉管内调相的声功回收型脉管制冷机。
技术介绍
脉管制冷机是制冷机中一种比较新颖的低温制冷机，最早由美国的Gifford教授和Longswoth提出。Gifford教授注意到与气体压缩机相连的铅管在其封闭端会变热，而当采用回热器将管子与压缩机相连时，则可以使得管子的一端制冷而另一端变热，这就是最基本的脉管制冷机。脉管制冷机由于在低温下没有运动部件从而避免了低温下的滑动密封、机械磨损的问题，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。特别是随着小孔气库、双向进气、惯性管等调相结构的提出和成功运用，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，上述各种结构均需要在脉管热端附加额外调相装置，使得系统结构相比于Stirling制冷机更加复杂；此外，其脉管冷端声功功均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)。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，且结构复杂，未能得到广泛应用。申请号为CN200610098350.1的专利文献一种吸附调相式脉管制冷机，属脉管制冷机，包括：双向进气阀、脉管热端换热器、脉管、脉管冷端换热器、冷头、回热器冷端换热器、回热器、回热器热端换热器；所述的脉管热端换热器外端设有与其连通的吸附器，利用吸附器良好的容抗和感抗效应，取代传统脉管制冷机中的气库和惯性管，从而达到制冷机工作所需的最佳相移量。与目前采用的气库、惯性管型脉管制冷机相比，该系统具有结构紧凑、调相能力强、稳定性好和能耗低等优点，有助于推动脉管制冷机的大规模商业应用。但是该装置仍无法解决脉管冷端声功在调相装置内以热量的形式耗散掉造成脉管制冷机制冷效率低下的技术问题。
技术实现思路
本技术提供了一种基于脉管内调相的声功回收型脉管制冷机，采用一根1/4波长的细长型脉管作为调相部件调节制冷机内部压力波与体积流之间的相位，省去了原有脉管热端复杂的被动或主动调相装置，提高了脉管制冷机的制冷效率。一种基于脉管内调相的声功回收型脉管制冷机，包括压缩机、以及与压缩机出口依次连接热端换热器、回热器、冷端换热器和脉管，所述的脉管的热端与所述压缩机和热端换热器之间的管路连通；所述脉管为长度为1/4λ的长颈管，λ为工质气体在脉管中的平均波长；本技术采用一根1/4波长的脉管作为调相部件，利用其调相及调幅作用，将制冷机回热器冷端体积流落后于压力波的相位，调节至脉管出口体积流领先于压力波的相位，此种相位与压缩机出口处体积流与压力波之间的相位相同，可用于驱动制冷机。同时，通过连接脉管热端与压缩机出口，可将脉管冷端声功得以回收利用，减小了压缩机的功耗，从而提高系统制冷效率。所述λ由下式得到：λ=23γRf(Th3/2-Tc3/2)]]>上式中：γ为工质气体绝热指数，R为工质气体的气体常数，f为系统运行频率，Th为脉管热端的温度，Tc为脉管冷端的温度。所述脉管(5)的横截面积Apt为：Apt=Arg(ρa)2|u1,h||u1(0)||p1,h||p1(0)|]]>上式中：Arg为回热器的横截面积；ρ为工质气体密度；a为工质气体的声速；u1，h＝U1，h/Arg为回热器热端的工质气体流速，U1，h为回热器热端的工质体积流量；p1，h为回热器热端的压力；p1(0)为脉管入口处的压力；u1(0)为脉管入口处的工质气体流速；||表示向量幅值。为便于脉管的布置和加工，作为优选，所述脉管为螺旋管、U形管或蛇形管。与现有技术相比，本技术的有益效果体现在：本技术通过1/4波长的长颈管调节制冷机内部压力波与体积流之间的相位，省去了原有脉管热端复杂的被动或主动调相装置；且将制冷机冷端声功加以回收利用，提高了脉管制冷机的制冷效率，其理想效率可以达到卡诺效率。附图说明图1是基于脉管内调相的声功回收型脉管制冷机的结构示意图；图2是四分之一波长脉管入口与出口处体积流和压力波相位关系图；其中：1为压缩机、2为热端换热器、3为回热器、4为冷端换热器、5为脉管。具体实施方式如图1所示，一种基于内调相声功回收型脉管的声功回收型脉管制冷机，包括压缩机1、热端换热器2、回热器3、冷端换热器4、内调相声功回收型的脉管5，压缩机1出口与热端换热器2、回热器3、冷端换热器4、脉管5依次相连，脉管5为一根1/4波长的长径管，其热端直接连接于压缩机1出口。当脉管长度为λ/4时，其出口处压力p1(λ/4)与工质气体流速u1(λ/4)的幅值均获得最大值，因此为了最有效地回收脉管冷端声功，脉管长度取λ/4。关于这里的波长，由于脉管内存在温度梯度，而波长与温度有关，因此这里的波长应取对温度积分的波长，即：T温度下的波长λ(T)为：λ(T)=a/f=γRTf---(1)]]>所以，波动工质气体的波长λ为：λ=∫TcThλ(T)dT=∫TcThγRTfdT=γRf∫TcThTdT=23γRf(Th3/2-Tc3/2)]]>即：λ=23γRf(Th3/2-Tc3/2)---(1)]]>上式(1)中：γ为工质气体绝热指数，R为工质气体的气体常数，f为系统运行频率，Th为脉管(5)热端的温度，Tc为脉管(5)冷端的温度。关于脉管5的横截面积分析如下：如图2，考虑一个长管，已知其入口处压力与工质气体流速分别为p1(0)和u1(0)，则管内任意位置x处的压力与工质气体流速表达式为：p1(x)＝p1(0)coskx-iρau1(0)sinkx    (2)u1(x)＝u1(0)coskx-(i/ρa)p1(0)sinkx (3)其中，p1(x)和u1(x)分别代表脉管5的x长度位置处的压力与工质气体流速，p1(0)和u1(0)分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于脉管内调相的声功回收型脉管制冷机，包括压缩机(1)、以及与压缩机出口依次连接热端换热器(2)、回热器(3)、冷端换热器(4)和脉管(5)，其特征在于，所述的脉管(5)的热端与所述压缩机(1)和热端换热器(2)之间的管路连通；所述脉管(5)为长度为1/4λ的长颈管，λ为工质气体在脉管(5)中的平均波长。

【技术特征摘要】
1.一种基于脉管内调相的声功回收型脉管制冷机，包括压缩机(1)、
以及与压缩机出口依次连接热端换热器(2)、回热器(3)、冷端换热器(4)
和脉管(5)，其特征在于，所述的脉管(5)的热端与所述压缩机(1)和
热端换热器(2)之间的管路连通；所述脉管(5)为长度为1/4λ的长颈
管，λ为工质气体在脉管(5)中的平均波长。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王龙一，刘东立，王博，甘智华，张学军，张小斌，汪伟伟，刘雨梦，吴镁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：实用新型
国别省市：