一种采用新型调相机构的脉管制冷机技术领域
本发明涉及低温制冷技术领域，尤其涉及一种采用液体调相装置的脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机于20世纪60年代问世以来，由于其结构简单、低温下无运动部件、机械
振动小、运行可靠、寿命长，从而受到广泛关注，成为制冷机领域的研究热点。但其相对于斯
特林制冷机以及G-M制冷机而言，由于其冷端质量流和压力波的相位匹配不理想，使得制冷
效率低下。
航空航天、太空探测、红外、原子能、超导等技术的迅速发展，推动低温制冷技术的
不断发展与进步。脉管制冷机作为低温技术的重要分支，因其冷端无运动部件，结构简单、
冷头振动小、可靠性高，在低温制冷领域具有显著的优越性。脉冲管制冷机冷端没有运动部
件，通过调相机构来获得所需的质量流和压力波之间的相位关系。惯性管利用细长管内震
荡流体的惯性作用来调节相位差，具有相位调节范围宽和不大增加压缩机耗功的优点，不
会产生类似双向进气中的直流现象，是高频脉管制冷机目前广泛采用的一种调相方式，其
结构亦可被狭缝等阻抗型相位调节装置代替。
用来调节质量流和压力波相位的调相装置，对脉管制冷机性能起着关键的作用。
为改善脉管制冷机性能，Mikulin提出小孔-气库调相装置，并经由Radebaugh改进；朱绍伟
提出双向进气调相机构；Kanao采用惯性管-气库的调相结构；另有一些并未广泛采用的调
相结构如双活塞型、四阀型和主动气库型。几种不同的调相结构均不同程度的提升了脉管
制冷机的性能。
但上述的各种调相机构或是存在调相能力不足的缺点，或是体积太过庞大，或是
增加了运动部件，或是结构过于复杂，或者同时存在这几个缺点中的多个。因此，为更好的
提高脉管制冷机的性能，需要更加有效且结构简单的调相机构。
传统的惯性管调相机构，由于其内部是氦气工质，由于其具有很高的可压缩性、摩
擦系数小、惯性效应小，在低质量流下很难获得较高调相能力，给定如下工况：压力2MPa，频
率50Hz，压比1.1，质量流800cm3/s的情况下，对管径3mm的惯性管，需要1.2m才能将压力波
和质量流之间角度调节为60°左右，而如果质量流减小到400cm3/s，则惯性管长度需增加到
8m左右。可见，传统惯性管不仅调相能力差，未能达到90°，而且所需长度过长。
公告号为CN105135736A的中国专利文献公开了了一种整体式脉冲管制冷机调相
结构，该结构采用螺旋通道与内气库联合调相，由不同尺寸的螺旋通道附加一个内气库组
成，螺旋通道与内气库内嵌于调相机构整体内部。螺旋通道连接脉冲管热端出气口及内气
库，且均匀内嵌于整体周边，内气库位于调相机构整体中部。本发明的有益效果在于：将调
相装置作为一个整体，提高空间利用率；减少焊接及法兰接口，增加整体气密性；螺旋通道
及内气库内嵌于调相机构整体内部，减少惯性管振动所引起的气体扰动，增加制冷机可靠
性。
该发明的不足之处在于：虽然其提高了空间利用率，节省了体积，但调相机构过于
复杂，对于实际采用时的设计与加工过程都要求较高，不利于推广。且其本质上仍为惯性管
气库调相机构，仍会存在调相能力不足的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种采用液体调相装置的脉管制冷机，
采用液体调相装置，调相能力增强。
本发明的技术方案如下：
一种采用液体调相装置的脉管制冷机，包括压缩机、级后冷却器、回热器、冷端换
热器、脉管、热端换热器、调相机构和气库，所述的压缩机通过一空管与所述的级后冷却器
相连；所述回热器两端分别连接级后冷却器和冷端换热器；所述的脉管两端分别连接冷端
换热器和热端换热器；所述的调相机构包括一U型管以及设于U型管内部的液体；所述的U型
管子一端连接冷端换热器，另一端连通气库。
在上述技术方案中，通过U型管子底部的液体对脉管制冷机进行调相，调相能力增
强。具有相同调相能力的液体调相装置的管长要比传统的惯性管管长大幅缩短，且调相幅
度比传统的惯性管增加，对于脉管制冷机，采用液体调相装置能使得压力波和质量流之间
的相角更接近90°，调节能力增加，可以更有效的提高脉管制冷机的效率。
作为针对上述技术方案的进一步改进，本发明进一步要解决的技术问题是提供一
种液体，这种液体可以实现脉管制冷机的调相功能，同时调相效果更好。
为此，在本发明进一步的改进方案中，首先对液体调相原理进行理论分析，假设U
型管子内部压力波和质量流都为正弦分布，频率为f，管径为D，长度为L，管内工质粘度为μ，
密度为ρ，压力为P，速度为u，摩擦系数为λf，质量流为，则根据动量守恒和质量守恒定律可
得如下公式：
代入质量流可得:
由于其值相对于其他值过小，将传输项以及压力梯度项忽略，则方
程可以简化为:
其中只与壁面摩擦系数和质量流有关。
如果流动是层流，则可求得若是湍流，则摩擦系数和质量流有
关，若根据布拉休斯则
声速同时由质量守恒，得到求解可得:
其中：
最终，在进口x＝0处将压力的相位选为0，则压力幅值为P(0,t)＝Peejωt，则进口处
质量流为：
取密度为平均值，则进口处体积流为：
依据如上公式，则可以得出质量流和压力波之间相角随不同参数变化的趋势图。
为使得其相角能达到90°，则需要使得ε更接近实数，而Y更接近虚数，相应的，则需要选取
的尽可能小。
作为优选，所述的液体为水银。对于传统氦气来说，其值约为6.25e-6m2/s，而常
温下水银的值约为7.5e-8m2/s，约为氦气的1/80。因此，为达到同样的调相能力，采用水
银之后，U型管子长度将大大减小，变为原来的几十分之一。
作为优选，所述的液体覆盖U型管底部使U型管左右不连通，且液体量不超过U型管
容积的一半。
作为优选，所述的压缩机为直线型压缩机，并通过一空管与所述的级后冷却器相
连。
作为优选，所述的级后冷却器通常为狭缝式换热器或管壳式换热器，通过冷却水
或其他冷却介质将从压缩机出来的高温振荡气体冷却下来；被冷却的振荡气体进入回热
器，与回热器内部的多孔介质进行换热。
作为优选，所述的多孔介质常采用不锈钢丝网、金属小球(如铅丸)等相对于氦气
具有高比热容的物质堆积构成，以和氦气进行充分换热，同时需具有一定的孔隙率，以降低
气体经过时的压降；在振荡气体的一个周期内的前半段，气体将热量传递给多孔介质，气体
本身的温度降低，在一个周期的后半段，气体从多孔介质中吸收热量，气体本身的温度升
高，但由于气体在一个周期内吸收和放出的热量不相等，最终会在回热器轴向方向产生温
度梯度，从而使得与回热器相连的冷端换热器达到较低温度。
作为优选，所述的冷端换热器通常为狭缝式换热器，材料采用具有较高导热系数
的铜，阻力小，换热系数高，将气体产生的冷量传导出去，以供其他需要低温的设备使用。
作为优选，所述的脉管是一空管，与冷端换热器相连，沿脉管轴向同样存在很大的
温度梯度，从脉管冷端(和冷端换热器相连的一端)吸收的热量可以通过脉管热端(与热端
换热器相连的一端)的热端换热器排出。
作为优选，热端换热器通常为狭缝式换热器或管壳式换热器，和调相机构以及气
库相连；调相机构和气库的作用是为了使得脉管制冷机获得更高效率，冷端获得更多冷量；
气库为一体积相对较大的空瓶，其内部工质同样为氦气。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：结构简单，便于实现，对脉管制冷机其他
部件没有特殊要求。采用液体调相装置，调相能力增强。具有相同调相能力的液体调相装置
的管长要比传统的惯性管管长大幅缩短，且调相幅度比传统的惯性管增加，能够提高脉管
制冷机性能。
附图说明
图1为本发一种采用液体调相装置的脉管制冷机的系统示意图。
其中：1、压缩机；2、级后冷却器；3、回热器；4、冷端换热器；5、脉管；6、热端换热器；
7、水银；8、U型管；9、气库。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种采用液体调相装置的脉管制冷机作
进一步详细说明。
如图1所示，一种采用液体调相装置的脉管制冷机，包括压缩机1、级后冷却器2、回
热器3、冷端换热器4、脉管5、热端换热器6、调相机构和气库9。
压缩机1为直线型压缩机，可以产生交变振荡的气体，所用气体为氦气；压缩机1通
过一空管与级后冷却器2相连，级后冷却器2为狭缝式换热器，通过冷却水将从压缩机1出来
的高温振荡气体冷却下来；被冷却的振荡气体进入回热器3，与回热器3内部的多孔介质进
行换热，该多孔介质采用不锈钢丝网质堆积构成，以和氦气进行充分换热。
在振荡气体的一个周期内的前半段，气体将热量传递给多孔介质，气体本身的温
度降低，在一个周期的后半段，气体从多孔介质中吸收热量，气体本身的温度升高，但由于
气体在一个周期内吸收和放出的热量不相等，最终会在回热器轴向方向产生温度梯度，从
而使得与回热器3相连的冷端换热器4达到较低温度。
冷端换热器4为狭缝式，材料采用具有较高导热系数的铜，阻力小，换热系数高，将
气体产生的冷量传导出去，以供其他需要低温的设备使用。脉管5是一段空管子，与冷端换
热器4相连，沿脉管5轴向同样存在很大的温度梯度，从脉管冷端(和冷端换热器4相连的一
端)吸收的热量可以通过脉管热端(与热端换热器6相连的一端)的热端换热器6排出；热端
换热器6为狭缝式换热器，和调相机构以及气库9相连；调相机构和气库9的作用是为了使得
脉管制冷机获得更高效率，冷端获得更多冷量；气库为一体积相对较大的空瓶，其内部工质
同样为氦气。
其中，调相机构包括一根U型管8以及存在于U型管8底部的水银7。U型管8的长度为
10cm，水银7的量为U型管8容积的三分之一。由U型管8和水银7组成的调相机构使得U型管8
内的质量流和压力波之间的相角接近了90°。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和
原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。