带有弹性气库的脉管制冷机.pdf

本发明公开了一种带有弹性气库的脉管制冷机。脉管制冷机包括压缩机、传输管、水冷器、回热器、冷端连管、冷端换热器、脉管、热端换热器、惯性管、弹性气库。压缩机与传输管、水冷器、回热器、冷端连管、冷端换热器、脉管、热端换热器惯性管和弹性气库依次相连接。脉管制冷机通常都带有一个体积庞大的气库，以获得较佳的性能。本发明采用弹性气库之后则只需要普通气库的几分之一甚至几十分之一的体积便可获得相同的调相效果。从而使得整个系统变得紧凑，并减小工质的充注量。这对于稀缺的氦-4和氦-3工质而言，显得尤为重要。对于放置于低温下的气库，弹性气库还可缩短预冷时间，加快系统降温速度。

权利要求书
1.  一种带有弹性气库的脉管制冷机，其特征在于脉管制冷机包括压缩机(1)、传输管(2)、水冷器(3)、回热器(4)、冷端连管(5)、冷端换热器(6)、脉管(7)、热端换热器(8)、惯性管(9)、弹性气库(10)；压缩机(1)与传输管(2)、水冷器(3)、回热器(4)、冷端连管(5)、冷端换热器(6)、脉管(7)、热端换热器(8)、惯性管(9)和弹性气库(10)依次相连接。

2.  根据权利要求1所述的一种带有弹性气库的脉管制冷机，其特征在于所述的弹性气库(10)包括刚性气库体(11)、弹性膜(12)、紧固螺栓(13)、密封圈(14)；刚性气库体(11)端部设有弹性膜(12)，并用紧固螺栓(13)固定，刚性气库体(11)端部与弹性膜(12)之间设有密封圈(14)。

3.  根据权利要求1所述的一种带有弹性气库的脉管制冷机，其特征在于所述的脉管制冷机为单级脉管制冷机或多级脉管制冷机。

4.  根据权利要求1所述的一种带有弹性气库的脉管制冷机，其特征在于所述的脉管制冷机为斯特林型脉管制冷机或GM型脉管制冷机。

5.  根据权利要求1所述的一种带有弹性气库的脉管制冷机，其特征在于所述的脉管制冷机为小孔型脉管制冷机、双向进气型脉管制冷机、惯性管型脉管制冷机或双向进气与惯性管联合调相型脉管制冷机。

6.  根据权利要求1所述的一种带有弹性气库的脉管制冷机，其特征在于所述的弹性气库10的一个面或多个面为弹性机构。

说明书带有弹性气库的脉管制冷机
技术领域
本发明涉及一种带有弹性气库的脉管制冷机，它适用于小孔型、双向进气型、惯性管型或者双向进气与惯性管联合调相型等各种应用气库的脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机是20世纪60年代由美国的Gifford和Longthworth共同的提出的。当时的脉管制冷机为基本型脉管制冷机，实验中达到了124K的最低温度。这个性能与斯特林、GM制冷机相比相去甚远。因此，相关的研究一度中断，直到20年后前苏联的Mikulin提出小孔型，脉管制冷机才进入了飞速发展期。九十年代双向进气型、惯性管型以及四阀型、双活塞型等结构形式纷纷出现，极大地提高了脉管制冷机的性能，其中双向进气型、惯性管型以及两者的综合是当今的主流形式。应该指出，不管是小孔型还是双向进气型、惯性管型，对脉管制冷机改进的一个重要方面是调相机构的优化，而这三种形式又无一例外的采用了大体积的气库。
理想的气库，气库体积无穷大，其内部保持平均压力，没有压力波动。对于实际气库，体积总是有限的，但气库容积越大越好，使得压力波动尽可能小。
实际应用中气库体积应该大到一定程度，使得相比于理想气库其性能下降得不多。有的学者采用简化的模型，针对小孔型和双向进气型进行了热力学分析，分析表明制冷机内不可逆损失随气库容积的减小而增大，同时指出气库至少应大于五倍的脉管体积以上，才使得气库的影响降低到较小的水平。而著名脉管制冷机专家Radebaugh博士总结了众多的实例，并结合数值模型分析指出，气库体积应该为脉管体积的50倍左右。
对于几千瓦输入功的GM型脉管制冷机，气库的容积通常达到几升的量级，而对于输入功百瓦级的斯特林型脉管制冷机，气库容积也达到几百毫升的量级。最近几年新发展的大功率斯特林型脉管制冷机，其气库容积甚至接近百升的量级。因此，与同类低温制冷机相比，气库体积庞大成为脉管制冷机紧凑化设计的一个严重障碍。对于制冷机系统体积有限制的场合，特别是空间应用，紧凑性的要求显得更为突出。
对于多级斯特林性脉管制冷机，为了使调相机构获得较大的调相能力从而使低温级获得较好的性能，常采用冷调相，即将惯性管和气库放置在上一级的温度下工作，低温气库内的气体必须全部冷却到相应的温度，气库体积大则包含气体质量多，所需的预冷时间长，整个系统降温速度慢。
脉管制冷机一般采用氦-4为工质，而氦-4气体属于不可再生资源，储存量在不断减小，价格在不断升高。在4K温区，一些脉管制冷机采用热力性质更佳的氦-3作为工质，以提高性能。而氦-3非常稀缺，极其昂贵。因此，降低制冷机各部件体积，减小工质充注量，从而减小制冷机系统的造价，更能大幅减少这种稀缺资源的消耗，具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种带有弹性气库的脉管制冷机。
带有弹性气库的脉管制冷机包括压缩机、传输管、水冷器、回热器、冷端连管、冷端换热器、脉管、热端换热器、惯性管、弹性气库；压缩机与传输管、水冷器、回热器、冷端连管、冷端换热器、脉管、热端换热器惯性管和弹性气库依次相连接。
所述的弹性气库包括刚性气库体、弹性膜、紧固螺栓、密封圈；刚性气库体端部设有弹性膜，并用紧固螺栓固定，刚性气库体端部与弹性膜之间设有密封圈。所述的脉管制冷机为单级脉管制冷机或多级脉管制冷机。所述的脉管制冷机为斯特林型脉管制冷机或GM型脉管制冷机。所述的脉管制冷机为小孔型脉管制冷机、双向进气型脉管制冷机、惯性管型脉管制冷机或双向进气与惯性管联合调相型脉管制冷机。所述的弹性气库10的一个面或多个面为弹性机构。所述的弹性机构采用弹性材料制成。
本发明采用弹性气库之后则只需要普通气库的几分之一甚至几十分之一的体积便可获得相同的调相效果。从而使得整个系统变得紧凑，并减小工质的充注量。这对于稀缺的氦-4和氦-3工质而言，显得尤为重要。对于放置于低温下的气库，弹性气库还可缩短预冷时间，加快系统降温速度。
附图说明
图1是带有弹性气库的脉管制冷机系统结构示意图；
图2是本发明的弹性气库结构示意图；
图3是压比对弹性气库当量体积的影响图；
图4是气库体积变化振幅对弹性气库当量体积的影响图。
图中：压缩机1、传输管2、水冷器3、回热器4、冷端连管5、冷端换热器6、脉管7、热端换热器8、惯性管9、弹性气库10、刚性气库体11、弹性膜12、紧固螺栓13、密封圈14。
具体实施方式
如图1、2所示，带有弹性气库的脉管制冷机包括压缩机1、传输管2、水冷器3、回热器4、冷端连管5、冷端换热器6、脉管7、热端换热器8、惯性管9、弹性气库10；压缩机1与传输管2、水冷器3、回热器4、冷端连管5、冷端换热器6、脉管7、热端换热器8、惯性管9和弹性气库10依次相连接。
所述的弹性气库10包括刚性气库体11、弹性膜12、紧固螺栓13、密封圈14；刚性气库体11端部设有弹性膜12，并用紧固螺栓13固定，刚性气库体11端部与弹性膜12之间设有密封圈14。
所述的脉管制冷机为单级脉管制冷机或多级脉管制冷机。所述的脉管制冷机为斯特林型脉管制冷机或GM型脉管制冷机。所述的脉管制冷机为小孔型脉管制冷机、双向进气型脉管制冷机、惯性管型脉管制冷机或双向进气与惯性管联合调相型脉管制冷机。所述的弹性气库10的一个面或多个面为弹性机构。所述的弹性机构采用波纹管或橡胶膜片等各种弹性材料制成。
脉管制冷机采用弹性气库代替普通气库，在相同的调相效果下可以显著减小气库的体积，从而使得整个系统变得紧凑。弹性气库还可以减小工质的充注量，这对于稀缺的氦-4和氦-3工质而言，显得尤为重要。对于放置于低温下的气库，弹性气库还可缩短预冷时间，加快系统降温速度。
对于小孔型和双向进气型，脉管热端连接有小孔阀惯性管换成小孔阀加气库；对于双向进气型在回热器侧和脉管侧之间还连接有双向进气阀。这些类型的脉管制冷机，同样的，将普通气库替换为弹性气库。
弹性气库的具体制造方法是：在气库的一个或多个侧面安装有弹性机构，或者整个气库为弹性体。弹性机构可以是波纹管、橡胶类膜片或者其他具有弹性的材料。图2为在气库的一个侧面安装有弹性体。弹性体可以采用法兰的方式与刚性气库体11通过螺栓13连接，为了密封，在两法兰上夹有密封圈14，常温下用橡胶圈即可，低温下一般采用铟丝。对于金属弹性体，也可以部分或者整体采用焊接的形式，将弹性机构与刚性气库体连接起来。
下面用数学推导的方法简明地描述弹性气库的特性。
脉管制冷机内压力波为正弦波，可以表示为：
P＝P0+P1sinωt            式1
其中P0为平均压力，P1为压力振幅，ω为角频率，t为时间。
对于弹性气库，其体积随时间变化，可用正弦函数表示为：
V＝V0+V1sin(ωt+θ)       式2
其中V0表示平均压力时的体积，V1为体积变化振幅，θ为相位角。
弹性气库之外为真空或外围环境，压力恒定。在一定范围内，弹性气库的体积是其内部压力的单调函数，体积的变化与内部压力的变化成线性关系，那么体积变化振幅可表示为：
V1＝KP1                                         式3
其中K定义为体积应变系数，单位为m3/Pa。
体积的变化与压力的变化又是同时的，没有滞后关系，那么
θ＝0
对于气库，根据克拉伯龙方程，其内部的质量可表示为：
m＝PV/RT                                         式4
将式1、式2代入式4，便得到：
m＝(P0+P1sinωt)(V0+V1sinωt)/RT                 式5
展开为：
m＝(P0V0+(P0V1+P1V0)sinωt+P1V1sin2ωt)/RT
其中P1V1为二阶小量(气库内压比很小，体积变化也非常有限)，影响很小，那么上式简化为：
m＝P0V0/RT+(P0V1+P1V0)sinωt/RT                   式6
气库中的气体质量也是一个正弦变化的量，可以表示为：
m＝m0+m1sin(ωt+α)                               式7
其中m0代表气体平均质量，m1为质量波动振幅，α为相角。
对比式6与式7，即可发现：
m0＝P0V0/RT                                       式8
m1＝(P0V1+P1V0)/RT                                式9
α＝0
将式3代入式9，得：
m1＝P1(V0+KP0)/RT                                 式10
对于刚性气库，气库内气体质量可表示为：
m＝(P0+P1sinωt)V0/RT＝P0V0/RT+(P1V0/RT)sinωt    式11
可以看出，刚性气库内质量波动振幅为：
m1＝P1V0/RT                                       式12
对比式10与式12我们可以发现，弹性气库的当量体积为(V0+KP0)。当量体积是指当弹性体具有与刚性体相同的气体吞吐量(质量流振幅)时刚性体的体积。
弹性气库工作时最大的体积为(V0+V1)，也即(V0+KP1)，由于P0大于P1，所以弹性气库的当量体积必然大于其自身的最大体积。下面举例说明。
假设一气库平均体积V0＝500cc，平均压力P0＝1MPa，在气库内压比P1(即最大压力与最小压力之比，定义为(P0+P1)/(P0-P1))为1.05时，其体积可膨胀/收缩10％，即V1＝50cc。那么体积应变系数K＝V1/P1＝2050cc/MPa＝2.050*10-9m3/Pa。
可见，此气库的当量体积(V0+KP0)＝(500+2050*1)＝2050cc，它远远大于此弹性气库工作时的最大体积550cc，是其4.64倍。也即，对于一个原本2050cc的刚性气库，只需要500cc的弹性气库变可达到相同的效果，从而大大减小了气库的总体积。
注意到气库内压比是较低的，一般为1.01～1.03之间，弹性气库效果更加显著。同样的体积变化振幅下，压比越小，弹性气库当量体积越大，如图3所示。而当压比固定时，体积变化振幅越大，弹性气库当量体积也越大，如图4所示。