[发明专利]可任意角度安装使用的脉管制冷机的实现方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种制冷机，尤其是一种脉管制冷机，具体地说是一种可任意角度安装使用的脉管制冷机的实现方法及装置。

背景技术

目前，在核磁共振和低温泵等系统中广泛使用到的低温制冷机大多数采用的是气缸活塞结构的G-M制冷机，由于该制冷机对其气缸和活塞的加工精度要求很高，且在低温下有运动部件，使得其在加工难度、制造成本和使用寿命上存在很大问题。1963年，美国的Gifford和Longsworth提出了冷端无运动部件的脉管制冷机，使得其使用寿命大大增加，同时，在加工难度和制造成本上也大大优于G-M制冷机，在经历了小孔型，双向进气型，四阀型，主动气库型等多种结构形式之后，目前，低运行频率的冷端无运动部件的G-M型脉管制冷机的性能不断趋近于气缸活塞结构的G-M制冷机。同时，由于冷端无运动部件的G-M型脉管制冷机存在有诸多优点，在许多应用场合中，正逐渐取代气缸活塞结构的G-M制冷机。在布置形式上，目前G-M型脉管制冷机主要是U型布置形式(如图1)，其中脉管是一根中空的直管，利用其内部的气体活塞可以实现实际活塞的作用，然而，当制冷机处于倾斜位置时，重力会使得脉管内气体发生对流，从而将热量从高温传递至低温，增加制冷机热负荷，导致制冷机性能恶化严重。图2实线部分所示为单级脉管制冷机在77K时的制冷量随倾斜角度的一组试验结果，可以看出水平位置时的制冷机性能很差。为了解决脉管制冷机运行时的方向性问题，通常的办法是提高其运行频率，然而，高的运行频率会使得回热器回热效率降低，从而达不到较低的制冷温度。因此，在保持脉管制冷机具有低制冷温度的同时，解决其运行时的方向性问题是脉管制冷机获得进一步广泛应用的关键。

发明内容

本发明的目的是针对现有的直管脉管制冷机需垂直安装，且其性能随直管脉管安装角度的变化而急剧下降的问题，发明一种能使脉管制冷机在任意角度安装并仍能保持较高性能的方法及其装置。

本发明的技术方案之一是：

一种可任意角度安装使用的脉管制冷的实现方法，其特征是采用螺旋形脉管代替直管形脉管，该螺旋形脉管与回热器平行布置或缠绕在回热器上。

本发明的技术方案之二是：

一种可任意角度安装使用的螺旋脉管制冷机，它包括压力波发生装置1、回热器热端换热器6、回热器7、冷端换热器8、双向进气阀11、小孔阀12和气库13，压力波发生装置1与回热器热端换热器6以及双向进气阀11的一端相连，回热器热端换热器6与回热器7的一端相连，回热器7的另一端与冷端换热器8相连，双向进气阀11的另一端以及小孔阀12的一端均与脉管热端换热器10相连，小孔阀12的另一端与气库13相连，其特征是在脉管热端换热器10与冷端换热器8之间连接有螺旋脉管9。

所述的螺旋脉管9和回热器7并列布置或所述的螺旋脉管9缠绕在所述的回热器7上。

所述的螺旋脉管9为单根或多根并联的螺旋上升的不锈钢空管子。螺旋脉管9的冷端通过冷端换热器8与回热器7的冷端相连。

所述的压力波发生装置1包括有阀压缩机2和配气阀3，配气阀3包括两个控制阀门4，5，有阀压缩机2通过两个控制阀门4，5和回热器热端换热器6相连，两个控制阀门4，5为电磁阀或旋转阀。

所述的压力波发生装置1包括无阀压缩机14，无阀压缩机14的输出端直接与回热器热端换热器6相连。

所述的回热器7为不锈钢材料，回热器7中充填有丝网状填料、球状填料或者磁性填料。

所述的螺旋脉管9应选用直径较小，长度较长的空心管子。

本发明的有益效果：

本发明采用螺旋脉管取代原来的直形脉管，需要保证有足够的膨胀空间，因此，螺旋脉管选用直径较小，长度较长的管子，充分利用螺旋脉管小直径，以及螺旋的结构特点，在制冷机倾斜工作时，会产生如下的优势：原先的直形脉管在倾斜工作时，气体微团由于重力和推力不在同一直线上，会产生环形运动，直径越大，运动越明显，更加容易将高温的热量带到低温处，在无数个气体微团的同一方向的环形运动的共同作用下，热端的热量传递到冷端，增加了冷端的热负荷，使得实际制冷量降低，制冷性能恶化，同时，脉管内部气体活塞被破坏，降低了脉管内部绝热膨胀的效率，也恶化了制冷性能。而采用本发明的螺旋脉管，其小管径的特点限制了环形运动的产生，同时，在倾斜时，脉管管路中临近位置产生的环形运动总是相反方向，从而抑制热量的传递，大大降低了制冷机性能的恶化。图2虚线部分所示为采用螺旋脉管的单级脉管制冷机在77K时的制冷量随倾斜角度的一组试验结果，与实线部分相比，运行角度对制冷性能的恶化程度因采用螺旋脉管而被大大减小。