一種級數可調的多級級聯型脈管制冷機的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于脈管制冷機技術領域，具體是涉及一種級數可調的多級級聯型脈管制 冷機。
【背景技術】
[0002] 近年來，脈管制冷機由于其冷端無運動部件，可望真正成為低成本、低振動、運行 穩定可靠的長壽命低溫制冷機。隨著脈管制冷機結構的不斷改進，其制冷溫度不斷降低，制 冷量和制冷效率也大幅提高，已在超導器件和紅外設備的冷卻，以及氣體液化等方面得到 廣泛應用。
[0003] 脈管制冷機的發展主要經歷了基本型、小孔型、雙向進氣型以及慣性管型結構，其 中基本型脈管的效率較低，后三者通過在脈管熱端增加了調相結構，使得回熱器獲得更好 的相位，從而提升了制冷效率。然而這些調相機構無一例外需要消耗來自冷端的聲功，這是 脈管制冷機理想效率T/r h低于逆卡諾效率T/(Th-T。）的根本原因。為彌補脈管制冷機這 一缺陷，各國學者紛紛提出了各種聲功回收型的脈管制冷機。如日本Matsubara等提出的 熱端活塞式脈管制冷機；美國Swift等提出的包含反饋傳輸管結構脈管制冷機，包含慣性 管聲容反饋結構的脈管制冷機，以及基于1/4波長脈管的聲功回收型脈管制冷機；朱紹偉 等提出的階式活塞脈管制冷機等。然而上述結構或增加運動部件，犧牲了脈管制冷機冷端 無運動部件及可靠性高的優勢，或存在環路直流，降低制冷性能。
[0004] 由于脈管制冷機的這一理論缺陷沒有完全被克服，使得其制冷效率隨著制冷溫度 的升高，越來越偏離卡諾效率，較大程度上限制了其在更高溫區（如80K以上）的廣泛應 用。尋求一種高效率的脈管制冷方法，既可將脈管制冷機的應用拓展至更高溫區，又可以保 留脈管制冷機可靠性高以及壽命長等優勢，因而顯得十分重要。
【發明內容】
[0005] 本發明提供了一種級數可調的多級級聯型脈管制冷機，根據需要的制冷溫區不 同，可方便調節脈管制冷機的級數，保證在該溫區脈管制冷機的效率最高，遠遠高于傳統的 脈管制冷機制冷效率，可實現脈管制冷機在各個溫區的使用。
[0006] -種級數可調的多級級聯型脈管制冷機，包括：壓縮機、以及與壓縮機依次串聯連 通的η套脈管制冷機單元、以及同時與所述11套脈管制冷機單元連接的氣庫，所述η為大于 等于3的正整數；利用傳輸管回收前級制冷機脈管冷端的聲功，用于驅動后級制冷機，當級 數η趨于無窮大時，整機理論效率趨于卡諾效率。
[0007] 對于第η套脈管制冷機單元，其脈管熱端換熱器通過帶閥門的管路與氣庫相連； [0008] 對于其余第i套脈管制冷機單元，其脈管熱端換熱器通過閥門調節組件分別與所 述氣庫以及與第（i+Ι)套脈管制冷機單元中的回熱器熱端換熱器連通，其中i為大于等于 3且小于η的正整數；
[0009] 所述閥門調節組件具有兩個工作位，分別為：單獨將第i套脈管制冷機單元與氣 4
【主權項】
1. 一種級數可調的多級級聯型脈管制冷機，其特征在于，包括：壓縮機、以及與壓縮機 依次串聯連通的n套脈管制冷機單元、以及同時與所述n套脈管制冷機單元連接的氣庫，所 述n為大于等于3的正整數； 對于第n套脈管制冷機單元，其脈管熱端換熱器通過帶閥門的管路與氣庫相連； 對于其余第i套脈管制冷機單元，其脈管熱端換熱器通過閥門調節組件分別與所述氣 庫以及與第（i+1)套脈管制冷機單元中的回熱器熱端換熱器分別連通，其中i為大于等于 3且小于n的正整數； 所述閥門調節組件具有兩個工作位，分別為：單獨將第i套脈管制冷機單元與氣庫導 通的第一工作位、以及單獨將第i套脈管制冷機單元與第i+1套脈管制冷機單元導通的第 二工作位。
2. 根據權利要求1所述的級數可調的多級級聯型脈管制冷機，其特征在于，對于第i套 脈管制冷機單元，所述閥門調節組件包括設置在第i套脈管制冷機單元與氣庫之間管路上 的第一控制閥、以及設置在第i套脈管制冷機單元與第（i+1)套脈管制冷機單元中的回熱 器熱端換熱器之間管路上的第二控制閥。
3. 根據權利要求1所述的級數可調的多級級聯型脈管制冷機，其特征在于，所述調節 組件為三通控制閥。
4. 根據權利要求2或3所述的級數可調的多級級聯型脈管制冷機，其特征在于，包括： 輸入單元：用于已知參數的輸入； 計算單元：根據已知參數計算需要的套數m，m為大于等于1小于等于n的正整數； 控制單元，根據計算單元得到套數m，打開第1~m套脈管制冷機單元中的閥門調節組 件或閥門； 所述計算單元計算所依據的公式為：
上式中，N□表示取整函數，n為所需相對卡諾效率，Th為各套脈管制冷機單元工作的 熱端溫度；T。為各套脈管制冷機單元工作的冷端溫度。
5. 根據權利要求1所述的級數可調的多級級聯型脈管制冷機，其特征在于，各套脈管 制冷機單元工作于同樣的熱端溫度Th與冷端溫度T。下，對于第i套脈管制冷機單元，其中 部件j的有效橫截面積Ay為：
上式中為第一套脈管制冷機單元（3)中部件j的有效橫截面積；i為正整數，且滿 足1<i<n; 所述部件j為所述脈管制冷機單元中的各部件。
6. 根據權利要求1所述的級數可調的多級級聯型脈管制冷機，其特征在于，每套脈管 制冷機單元中，回熱器和脈管呈直線型布置、U型布置、內外套嵌同軸布置。
7. 根據權利要求1所述的級數可調的多級級聯型脈管制冷機，其特征在于，所有n套脈 管制冷機單元中，所有回熱器和脈管均呈內外套嵌同軸布置，其中第1套脈管制冷機單元 位于最外層，第n套脈管制冷機單元位于最內層；針對每一套脈管制冷機單元，回熱器位于 外層，脈管位于內層。
8. 根據權利要求6或7所述的級數可調的多級級聯型脈管制冷機，其特征在于，所有回 熱器熱端換熱器、脈管熱端換熱器通過熱橋連接，所有冷端換熱器通過熱橋連接。
9. 根據權利要求6所述的級數可調的多級級聯型脈管制冷機，其特征在于，回熱器和 脈管呈U型布置、內外套嵌同軸布置時，所述n套脈管制冷機單元中制冷機冷頭兼做被冷卻 對象的支撐連接結構。
【專利摘要】本發明公開了一種級數可調的多級級聯型脈管制冷機，包括：壓縮機、以及與壓縮機依次串聯連通的n套脈管制冷機單元、以及同時與n套脈管制冷機單元連接的氣庫；第n套脈管制冷機單元的脈管熱端換熱器通過帶閥門的管路與氣庫相連；其余第i套脈管制冷機單元通過閥門調節組件分別與氣庫以及與第(i+1)套脈管制冷機單元連通；閥門調節組件具有單獨將第i套脈管制冷機單元與氣庫導通的第一工作位、以及單獨將相鄰兩套套脈管制冷機單元導通的第二工作位。本發明根據需要的制冷溫區不同，可方便調節脈管制冷機的級數，保證在該溫區制冷效率遠遠高于傳統脈管制冷機制冷效率的同時，可有效避免資源浪費。
【IPC分類】F25B9-14
【公開號】CN104697231
【申請號】CN201510070694
【發明人】王龍一, 甘智華, 王建軍, 植曉琴, 尹成厚, 陶軒, 孫瀟, 王邦旭
【申請人】浙江大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年2月10日