液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)及液體活塞在其中的應(yīng)用的制作方法

本發(fā)明涉及脈管制冷裝置。更具體地，涉及一種采用液體活塞進(jìn)行功回收的液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)及液體活塞在其中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

脈管制冷機(jī)最早由美國的Gifford和Longswoth發(fā)明，其由回?zé)崞鳌⒚}管、熱端換熱器、冷端換熱器以及調(diào)相裝置等部分組成，由于該制冷機(jī)在低溫下沒有運(yùn)動部件從而避免了低溫下的密封、磨損以及振動等問題，所以具有結(jié)構(gòu)緊湊、振動低、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，在、空間技術(shù)、超導(dǎo)電子學(xué)、紅外探測、低溫生物醫(yī)學(xué)等方面有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

雖然脈沖管制冷機(jī)的誘人之處在于其去除了低溫區(qū)的運(yùn)動部件-排出器，但是其必須附加有效的調(diào)節(jié)器來補(bǔ)償被消除的排出器的功能，所以使得系統(tǒng)變得復(fù)雜，特別是調(diào)相氣庫的存在，使得系統(tǒng)的體積較大。而且調(diào)相裝置在改善壓力與體積流率之間的相位關(guān)系的同時，也消耗了一部分聲功，沒有充分利用進(jìn)入系統(tǒng)中的聲功，所以對于未采用功回收裝置的脈管制冷機(jī)而言，其循環(huán)效率極限為T_C/T_H，低于理想Carnot制冷循環(huán)的極限循環(huán)效率T_C/(T_H-T_C)。

近年來，脈沖管制冷機(jī)在液氮溫區(qū)和10K以下溫區(qū)發(fā)展迅速。其中液氮溫區(qū)主要的發(fā)展方向為大冷量斯特林型脈沖管制冷機(jī)，10K以下溫區(qū)主要的發(fā)展方向為GM低頻脈沖管制冷機(jī)和多級斯特林型脈沖管制冷機(jī)。在液氮溫區(qū)獲取大冷量以及獲取10K以下的極低溫度，均需要提高脈沖管制冷機(jī)的輸入功率，在調(diào)相裝置中消耗的聲功也顯著提升，使得系統(tǒng)效率較低。另外對于10K以下的低頻脈沖管制冷機(jī)，其所需的調(diào)相角度也顯著提高，調(diào)相系統(tǒng)也面臨調(diào)相能力不足的問題。所以針對脈沖管制冷機(jī)發(fā)展中存在的主要問題，可行的方法是探索功回收調(diào)相脈管制冷機(jī)，可以同時解決聲功耗散以及調(diào)相能力不足的問題。

現(xiàn)有的功回收調(diào)相脈管制冷機(jī)中，已有利用吸附器良好的容抗和感抗效應(yīng)，取代傳統(tǒng)脈管制冷機(jī)中的氣庫和慣性管，從而達(dá)到制冷機(jī)工作所需的最佳相移量，但該裝置無法解決脈沖管中聲功在調(diào)相裝置內(nèi)耗散的問題，因此制冷機(jī)效率較低；也有依靠動質(zhì)量模塊慣性、慣性管或閥門阻力等形成壓力波動相位領(lǐng)先體積流率的阻抗邊界調(diào)節(jié)，增加了調(diào)相能力，但系統(tǒng)中仍包含小孔氣庫等裝置，系統(tǒng)復(fù)雜且未完全消除調(diào)相裝置消耗的聲功；還有通過將脈管設(shè)置為1/4波長的長頸管調(diào)節(jié)制冷機(jī)內(nèi)部壓力波與體積流之間的相位，省去了原有的被動或主動調(diào)相裝置。但是該方法其要求長頸管為1/4波長，而制冷機(jī)的溫度、頻率和壓力等均會對波長產(chǎn)生影響，使得該發(fā)明較難實(shí)現(xiàn)。

基于以上不足，需要提供一種功回收效果好、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、調(diào)相能力強(qiáng)且可動態(tài)調(diào)節(jié)脈沖管的相位的脈管制冷系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一個目的在于提供一種液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)，通過在調(diào)相裝置內(nèi)設(shè)有液體活塞，實(shí)現(xiàn)了同時對制冷系統(tǒng)的相位的調(diào)節(jié)和功(例如，聲功)的回收，同時還使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊、方便使用且系統(tǒng)制冷效率高效。

本發(fā)明的第二個目的在于提供上述液體活塞在脈管制冷系統(tǒng)的功回收中的應(yīng)用。

為達(dá)到上述第一個目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)，它包括依次順序連接的壓力波發(fā)生器、室溫端換熱器、蓄冷器、冷端換熱器、脈管、脈管熱端換熱器和調(diào)相裝置，所述調(diào)相裝置的出口與脈管熱端換熱器或壓力波發(fā)生器和室溫端換熱器間的管路相連，所述調(diào)相裝置內(nèi)設(shè)有液體活塞。

優(yōu)選地，所述液體活塞采用的液體為室溫液態(tài)金屬、水銀、水和酒精中的一種。更優(yōu)選地，所述液體活塞采用的液體為室溫液態(tài)金屬或水銀。例如，室溫液態(tài)金屬可為鎵銦合金、鎵銦錫合金等。前述室溫液態(tài)金屬或水銀的密度大，相同體積下，往復(fù)震蕩產(chǎn)生的慣性力也大，結(jié)合對氣體的壓縮膨脹效應(yīng)，能有效的調(diào)節(jié)脈管制冷系統(tǒng)內(nèi)的相位且實(shí)現(xiàn)功的回收；同時，這些液體不會蒸發(fā)從而污染氣體工質(zhì)；此外，這些液體的粘度小，流動阻力也能相應(yīng)的降低到最低。更為優(yōu)選地，液體活塞采用的液體為水銀。

優(yōu)選地，所述調(diào)相裝置為內(nèi)設(shè)有液體活塞的U型管、直管、螺旋管和L型管中的一種。選擇這幾種形狀的管狀的調(diào)相裝置，能較為有效的實(shí)現(xiàn)相位的調(diào)節(jié)；更為優(yōu)選地，所述調(diào)相裝置為內(nèi)設(shè)有液體活塞的U型管。此時的調(diào)相裝置不僅調(diào)相效果好且能有效的防止功的損耗。

優(yōu)選地，在所述調(diào)相裝置的出口與脈管熱端換熱器或壓力波發(fā)生器與室溫端換熱器間的管路相連的管路上設(shè)有阻力調(diào)節(jié)裝置。通過調(diào)節(jié)阻力調(diào)節(jié)裝置的開度，可以方便的調(diào)節(jié)調(diào)相裝置出口側(cè)氣體工質(zhì)的剛度，從而使得功的回收與相位調(diào)節(jié)效果達(dá)到最優(yōu)值。進(jìn)一步地，較為優(yōu)選的阻力調(diào)節(jié)裝置可選自但不限于選自調(diào)節(jié)閥、毛細(xì)管和噴嘴中的一種。

本發(fā)明中的壓力波發(fā)生器可為低頻發(fā)生器也可為高頻發(fā)生器。較為優(yōu)選地壓力波發(fā)生器可為GM型低頻發(fā)生器、VM型低頻發(fā)生器、斯特林型高頻發(fā)生器和熱聲型發(fā)生器中的一種。

優(yōu)選地，所述脈管熱端換熱器與調(diào)相裝置間通過長頸管連接，從而能進(jìn)一步促進(jìn)相位的調(diào)節(jié)；冷端換熱器與脈沖管間通過冷頭連接管連接。

優(yōu)選地，所述制冷系統(tǒng)采用的氣體工質(zhì)為氦氣。

優(yōu)選地，所述液體為水或乙醇時，在制冷系統(tǒng)中的氣體工質(zhì)與水或乙醇間設(shè)置有隔離結(jié)構(gòu)；優(yōu)選地，所述隔離結(jié)構(gòu)為膜結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中，所述制冷系統(tǒng)優(yōu)選地結(jié)構(gòu)為直線型、U型和同軸型中的一種；所述制冷系統(tǒng)為單級脈管制冷系統(tǒng)或雙級脈管制冷系統(tǒng)。

為達(dá)到上述第二個目的，本發(fā)明還提供上述活塞液體在脈管制冷系統(tǒng)的功回收中的應(yīng)用。

將上述液體活塞設(shè)置在調(diào)相裝置內(nèi)，不僅實(shí)現(xiàn)了對脈管制冷系統(tǒng)中相位的調(diào)節(jié)，同時還實(shí)現(xiàn)了對功的回收。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明中通過在調(diào)相裝置內(nèi)設(shè)有液體活塞進(jìn)行調(diào)相，充分利用了高密度液體往復(fù)震蕩產(chǎn)生的慣性力以及對氣體的壓縮膨脹效應(yīng)，調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)內(nèi)的相位關(guān)系和回收功，使得系統(tǒng)的效率更加高效、緊湊、方便使用；另外，由于采用液體活塞調(diào)相未引入任何其他機(jī)械部件，相比其他主動調(diào)相方式而言，不存在磨損等問題，制冷機(jī)壽命得到大幅提高；此外，液體活塞的設(shè)置也可有效避免雙向進(jìn)氣引起的Gedeon直流。

本發(fā)明中充分利用了液體往復(fù)運(yùn)動時產(chǎn)生的慣性力，以及液體對功的損耗程度低，從而形成液體活塞有效的將功回收；其不僅可以為蓄冷器提供合適的相位關(guān)系，也使得系統(tǒng)的極限制冷效率提升至Carnot制冷循環(huán)的極限循環(huán)效率。

本發(fā)明中調(diào)相裝置中液體活塞的設(shè)置消除了小孔-氣庫、長徑管-氣庫、雙向進(jìn)氣等結(jié)構(gòu)，使得脈管制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更緊湊、方便使用，且雙向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的去除有效避免了Gedeon直流的影響。

本發(fā)明中對于低頻脈沖管制冷機(jī)以及40K以下溫區(qū)小冷量脈沖管制冷機(jī)中調(diào)相不足的問題也都能很好的解決。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例1的液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖2中a～d示出了本發(fā)明實(shí)施例1的液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)中U型管內(nèi)液體震蕩過程。

圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例2的液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

如圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例1的液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：它包括依次順序連接的壓力波發(fā)生器1，例如，VM型低頻發(fā)生器、室溫端換熱器2、蓄冷器3、冷端換熱器4、脈管6、脈管熱端換熱器7和調(diào)相裝置9。其中，壓力波發(fā)生器1通過連接管與室溫端換熱器2相連，冷端換熱器4通過冷頭連接管5與脈管6相連，脈管熱端換熱器7與調(diào)相裝置9(裝有液體水銀的U型管)的入口通過連接管路連接，調(diào)相裝置9的出口通過管路與脈管熱端換熱器7連通，且管路上設(shè)有阻力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)閥8。脈管制冷系統(tǒng)中的氣體工質(zhì)為氦氣。

上述液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)的工作過程如下：從壓力波發(fā)生器1發(fā)出的聲功依次進(jìn)入室溫端換熱器2、蓄冷器3、冷端換熱器4、脈管6和脈管熱端換熱器7，從而在冷端換熱器4處產(chǎn)生冷量。從脈管熱端換熱器7出來的聲功通過連接管路從U型管的入口進(jìn)入U型管內(nèi)，在聲功形成的壓力波的驅(qū)動下，U型管內(nèi)的水銀在U型內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動，形成液體活塞。一個壓力波周期內(nèi)，液體的震蕩過程示意圖如圖2中a～d所示：隨著壓力波的增大，U型管內(nèi)入口端的壓力由平衡壓力升高至最大壓力時，U型管內(nèi)入口側(cè)(左側(cè))液體液面下降，出口側(cè)(右側(cè))液體液面升高，左右液體液面形成高度差H1(a)，同時右側(cè)液面之上的氣體工質(zhì)氦氣被壓縮，此時功在調(diào)相裝置內(nèi)以液體的重力勢能以及右側(cè)U型管內(nèi)氣體工質(zhì)的壓縮能存儲；隨著左側(cè)壓力由最高值下降至平均壓力時，U型管中存儲的能量釋放(b)，功回收至脈管內(nèi)；隨著左側(cè)壓力的進(jìn)一步下降至最低壓力時，U型管內(nèi)右側(cè)液面下降，左側(cè)液面上升，左右液面形成高度差H2(c)，此時，右側(cè)液面之上的氣體工質(zhì)膨脹，繼續(xù)對脈管做功；當(dāng)壓力從最低壓力上升至平均壓力(d)時，脈管中存儲的功釋放入U型管內(nèi)。從而完成一個壓力波周期，實(shí)現(xiàn)了功的回收。此外，通過上述液體活塞的慣性質(zhì)量，可對脈管出口壓力波和質(zhì)量流的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，在脈管制冷系統(tǒng)的工作過程中，通過控制調(diào)節(jié)閥的開度，能方便的調(diào)節(jié)U型管右側(cè)液體之上的氣體工質(zhì)的剛度，使得功回收與相位調(diào)節(jié)達(dá)到最優(yōu)值。

實(shí)施例2

如圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例2的液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其與實(shí)施例1中基本相同，唯一的區(qū)別在于：調(diào)相裝置9的出口通過管路與壓力波發(fā)生器1和室溫端換熱器間的管路相連，且該管路上設(shè)有阻力調(diào)節(jié)裝置，例如調(diào)節(jié)閥8，U型管內(nèi)的液體為鎵銦合金，其余條件不變。從而實(shí)現(xiàn)功的回收和對此制冷系統(tǒng)的相位的調(diào)節(jié)。在脈管制冷系統(tǒng)的工作過程中，控制調(diào)節(jié)閥8的開度，能方便的調(diào)節(jié)U型管右側(cè)液體之上的氣體工質(zhì)的剛度，使得功回收與相位調(diào)節(jié)達(dá)到最優(yōu)值，且通過控制此調(diào)節(jié)閥8，還能更明顯的實(shí)現(xiàn)促進(jìn)對脈管相位的調(diào)節(jié)。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。