同轴型脉冲管制冷机

摘要

本发明涉及低温技术领域，具体公开了一种同轴型脉冲管制冷机，其包括热端、蓄冷器和设置于蓄冷器内部的脉冲管，脉冲管的下端和蓄冷器的下端均与热端连接；热端的上部设有脉冲管连接孔，下部设有出气孔，脉冲管连接孔与出气孔相通，脉冲管安装在脉冲管连接孔内，热端设有沿出气孔轴心线周向分布的多个进气孔，多个进气孔均与蓄冷器相通。本发明提供的同轴型脉冲管制冷机通过沿着轴心线设置的多个进气孔，气体可直线进入蓄冷器中，流动阻力减小；多个进气孔还起到导流器的作用，保证了进气的均匀性；多个进气孔增大了与工质气体的换热面积，换热效果也得到了很大的改善。另外，安排长颈管等调相元件穿过压缩机内部，使得制冷机整体更加紧凑。

权利要求

1.一种同轴型脉冲管制冷机，包括热端、蓄冷器和设置于蓄冷器内部的脉冲管，所述脉冲管与蓄冷器同轴设置，所述脉冲管的下端和所述蓄冷器的下端均与热端连接；其特征在于，所述热端的上部设有脉冲管连接孔，下部设有出气孔，所述脉冲管连接孔与出气孔相通，所述脉冲管安装在脉冲管连接孔内，所述热端还设有沿出气孔的轴心线周向分布的多个进气孔，多个进气孔均与所述蓄冷器相通；

所述同轴型脉冲管制冷机还包括连接法兰、压缩机及与出气孔下端连接的调相元件，所述热端通过连接法兰与压缩机连成一体，所述调相元件穿过压缩机内部后与气库连接。

2.如权利要求1所述的同轴型脉冲管制冷机，其特征在于，多个进气孔均匀分布。

3.如权利要求1所述的同轴型脉冲管制冷机，其特征在于，所述热端内部设有一个或多个双向进气结构，所述双向进气结构既与进气孔直接相通，又与出气孔直接相通。

4.如权利要求3所述的同轴型脉冲管制冷机，其特征在于，所述双向进气机构为通孔、针阀、喷嘴或毛细管。

5.如权利要求1所述的同轴型脉冲管制冷机，其特征在于，所述调相元件为长颈管或接有连接管的小孔阀。

6.如权利要求1所述的同轴型脉冲管制冷机，其特征在于，所述热端与冷却设备连接。

7.如权利要求1所述的同轴型脉冲管制冷机，其特征在于，所述热端的下端设有进气导向锥。

8.如权利要求1-7任一项所述的同轴型脉冲管制冷机，其特征在于，所述热端的材料为紫铜、黄铜、无氧铜或者不锈钢中的一种或多种的组合。

说明书

同轴型脉冲管制冷机

技术领域

[0001] 本发明涉及低温技术领域，特别涉及一种同轴型脉冲管制冷机。

背景技术

[0002] 脉冲管制冷机按照蓄冷器和脉冲管的布置方式分直线型、U型和同轴型三大种类。直线型脉冲管制冷机的脉冲管和蓄冷器处于一条直线上，该结构最大限度的降低了工质的
流动阻力，制冷效率最高；但是结构尺寸较大，冷头处于中间部位，不利于与器件耦合。同轴型脉冲管制冷机中（如图1所示）的脉冲管9’处于蓄冷器8’里边，工质在冷头需要转180°，流动阻力大，效率最低；但是结构最为紧凑，易于与耦合器件。U型脉冲管制冷机并列布置脉冲管和蓄冷器，效率介于上述两者之间。

[0003] 为了尽量克服同轴型脉冲管制冷机自身的缺陷，提高其效率，需要精心设计同轴型脉冲管制冷机的各个部件。然而，现有的同轴型脉冲管制冷机（参见图1）存在以下缺陷：

[0004] （1）进气孔7’与蓄冷器8’垂直设置，从压缩机3’出来的气体先进入进气孔7’中，然后需要转一定的角度后才能进入到蓄冷器8’，这中间存在着一定的流动阻力，效率低；

[0005] （2）传统结构的热端通常并没有特别设计的导流器，或者只采用几片目数较低的丝网作为导流器，因此很难保证进气均匀，用丝网作导流器也一定程度的增加了其流动阻力，影响制冷机的性能；

[0006] （3）热端换热器的设计也是脉冲管制冷机设计的一个很重要的方面，传统结构的热端通过单一的狭缝或者单一的孔进出气，热端换热器与制冷机内部的工作介质接触面很小，不利于制冷机热端内部的热量传出，传统结构如果要增大与内部工质气体的换热面积，只有通过增大其热端尺寸才能实现，这样导致制冷机体积大，结构笨重；

[0007] （4）制冷机和压缩机是分离的，中间通过连接管进行连接，结构松散，抗冲击能力较差；

[0008] （5）对于热端散热器，导流器，双向进气结构，传统结构中这三者通常是分离的，它们都属于不同的部件，这样也导致结构松散，体积膨大。

发明内容

[0009] （一）要解决的技术问题

[0010] 本发明要解决的技术问题是提供一种同轴型脉冲管制冷机，以解决现有技术中从压缩机出来的气体需要转一定的角度才能进入到蓄冷器，效率低；另外，热端没有导流作
用，进气均匀性差；热端与制冷机内部的工作介质接触面小，不利于制冷机热端内部的热量传出等问题。进一步地，本发明还解决了制冷机结构松散、体积膨大、抗冲击能力差等问题。

[0011] （二）技术方案

[0012] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种同轴型脉冲管制冷机，包括热端、蓄冷器和设置于蓄冷器内部的脉冲管，所述脉冲管与蓄冷器同轴设置，所述脉冲管的下端和所述蓄冷器的下端均与热端连接；其特征在于，所述热端的上部设有脉冲管连接孔，下部设有出气孔，所述脉冲管连接孔与出气孔相通，所述脉冲管安装在脉冲管连接孔内，所述热端还设有沿出气孔的轴心线周向分布的多个进气孔，多个进气孔均与所述蓄冷器相通。

[0013] 优选地，多个进气孔均匀分布。

[0014] 优选地，所述热端内部设有一个或多个双向进气结构，所述双向进气结构既与进气孔直接相通，又与出气孔直接相通。

[0015] 优选地，所述双向进气机构为通孔、针阀、喷嘴或毛细管。

[0016] 优选地，所述同轴型脉冲管制冷机还包括连接法兰、压缩机及与出气孔下端连接的调相元件，所述热端通过连接法兰与压缩机连成一体，所述调相元件穿过压缩机内部后
与气库连接。

[0017] 优选地，所述调相元件为长颈管或接有连接管的小孔阀。

[0018] 优选地，所述热端与冷却设备连接。

[0019] 优选地，所述热端的下端设有进气导向锥。

[0020] 优选地，所述热端的材料为紫铜、黄铜、无氧铜或者不锈钢中的一种或多种的组合。

[0021] （三）有益效果

[0022] 本发明提供的同轴型脉冲管制冷机通过沿着轴心线设置多个进气孔，进气不用拐弯，气体可直线进入蓄冷器中，流动阻力减小；多个进气孔起到了导流器的作用，保证了进气的均匀性；多个进气孔增大了与工质气体的换热面积，换热效果也得到了很大的改善。进一步地，通过连接法兰将热端和压缩机等耦合成一体，安排调相元件穿过压缩机内部，使得制冷的结构紧凑、移动方便、抗冲击能力高。此外，本发明的热端结构同时起到了散热器、导流器、双向进气的功能，结构紧凑，有效提高了制冷机的制冷性能和效率。

附图说明

[0023] 图1是现有技术中脉冲管制冷机的结构示意图；

[0024] 图2是本发明同轴型脉冲管制冷机的结构示意图；

[0025] 图3是图2中热端的结构示意图；

[0026] 图4是图3中热端的的俯视示意图。

[0027] 图1中，3’：压缩机；7’：进气孔；8’：蓄冷器；9’：脉冲管；

[0028] 图2-4中，1：气库；2：长颈管；3：压缩机；4：连接法兰；5：进气导向锥；6：喷嘴；7、进气孔；8：蓄冷器；9：脉冲管；10：脉冲管连接孔；11：针阀；12：出气孔；13：锥形接口；
14：O型橡皮圈；15：喷嘴堵盖。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0030] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明
的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0031] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0032] 此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。

[0033] 需要说明的是，本发明所述进气孔的中心距是指进气孔的轴心线与出气孔的轴心线之间的距离。

[0034] 如图2至图4所示，本发明提供一种同轴型脉冲管制冷机，其包括：热端、蓄冷器8和设置于蓄冷器8内部的脉冲管9，脉冲管9与蓄冷器8同轴设置，脉冲管9的下端和蓄冷器8的下端均与热端连接；热端的上部设有脉冲管连接孔10，下部设有出气孔12，脉冲管连接孔10与出气孔12相通，脉冲管9安装在脉冲管连接孔10内，热端还设有沿出气孔12的
轴心线周向分布的多个进气孔7，多个进气孔7均与蓄冷器8相通。

[0035] 本发明提供的同轴型脉冲管制冷机通过沿着轴心线设置多个进气孔，进气不用拐弯，气体可直线进入蓄冷器中，流动阻力减小；多个进气孔起到了导流器的作用，保证了进气的均匀性；多个进气孔增大了与工质气体的换热面积，换热效果也得到了很大的改善；
热端直接与外部环境接触，可以通过外界风冷或者水冷加强冷却。

[0036] 其中，热端为圆盘状，或其他形状，优选圆盘状。出气孔12设置在热端的中心，出气孔12的轴心线与圆盘状热端的轴心线基本重合；出气孔12的形状可以是圆孔、方孔等，也可以是其它形状的通孔，孔深为0mm到100mm。较优地，出气孔12的上端设有锥形接口
13，锥形接口13的锥度为大于零度且小于180度。锥形接口13主要是避免脉冲管连接孔
10与出气孔12之间有突变截面，起过渡缓冲的作用。

[0037] 其中，进气孔7为一定数量的小孔，其形状可以是圆形、方形或者其它形状，其数量为1到360个，每个进气孔7的大小可以相同，也可以不相同，当量直径为0.01mm到30mm，进气孔7可以沿出气孔12的轴心线周向均匀分布，也可以非均匀分布，优选多个进气孔7周向均匀分布。进气孔7的轴心线距出气孔12的轴心线的距离大于脉冲管连接孔10的外
径。进气孔7的作用除了进气外，还能起到导流器的作用，对进气进行导流，使进气均匀；此外多个进气孔7增大了热端与工质气体的换热面积，热端温度较高的工质气体通过与进气
孔7表面的接触交换热量，因此换热效果也得到了很大的改善。制冷机采用轴向进气，不仅使得制冷机进气顺畅，流动阻力减少，性能也得到改善。

[0038] 其中，脉冲管连接孔10的直径可略小于、等于或大于与之连接的脉冲管9的外径，其深度为0mm到20mm。脉冲管连接孔10的直径和深度也可根据具体的脉冲管9设定。

[0039] 进一步地，热端内部设有一个或多个双向进气结构，双向进气结构既与进气孔7直接相通，又与出气孔12直接相通。双向进气机构可为通孔、针阀11、喷嘴6或毛细管。若双向进气结构的数量为一个，则可以是单一的小孔、针阀11、喷嘴6、毛细管或者其它的双向元件；若双向进气结构的数量为多个，则可以是小孔、针阀11、喷嘴6、毛细管或者其它一些阻力元件中的任意两个或者多个的组合。双向进气结构使得制冷机的整体结构紧凑，调
节方便，能够有效的发挥双向进气的作用。

[0040] 本实施例提供的双向进气结构为两个，由一个针阀11和一个喷嘴6组成（如图3中所示）。针阀11和喷嘴6位于热端一条直径的两端，针阀11的阀针的直径为1.5mm，针尖
锥度°，阀针和热端之间用O形橡皮圈14侧封，以防漏气。喷嘴6安装后，用喷嘴堵盖15
和O形橡皮圈14侧封，防止系统内部气体外漏。

[0041] 双向进气过程如下：从压缩机3出来的气体直接沿着轴向流过连接法兰4的内孔，经气体导向锥导向后进入进气孔7中，之后通过双向进气结构分成两部分：一部分直接进
入到脉冲管9，然后经过长颈管2等调相元件进入气库1中；另一部分流出进气孔7，然后依
次进入蓄冷器8、脉冲管9、锥形接口13、出气孔12进入到长颈管2等调相元件中，然后流回气库1。

[0042] 进一步地，同轴型脉冲管制冷机还包括连接法兰4、压缩机3及与出气孔12下端连接的调相元件，热端通过连接法兰4与压缩机3连成一体，调相元件穿过压缩机3内部后与
气库1连接，气库1位于压缩机3下方。热端与压缩机3设置成一体的结构使制冷机的结
构更加紧凑而且移动方便。另外，热端和蓄冷器8之间可用法兰连接，使结构紧凑。

[0043] 其中，调相元件可以是长颈管2、接有连接管的小孔阀或其它调相元件。出气孔12下端与调相元件密封连接，具体连接方式可以是焊接（例如锡焊、钎焊等）、螺纹连接或其它密封连接方式。

[0044] 进一步地，热端的下端设有进气导向锥5，作用是对进气进行导向，使气体顺利进入到进气孔7中，其锥度范围为0-180度，可根据需要设置锥度值。本实施例中的进气导向锥5为圆锥形，其上端面直径大于下端面的直径，且上端面的直径不能大于进气孔7的轴心
线与出气孔12轴心线之间的距离。

[0045] 进一步地，热端的下端设有凸块状的连接法兰止口，连接法兰4与连接法兰止口相对的位置设有与连接法兰止口相匹配的凹槽。连接法兰止口主要是为了保证安装时连接
法兰4和热端严格同心。连接法兰止口的外径小于或等于连接法兰4的内径，连接法兰止
口的内径大于等于进气孔7的中心距与进气孔7的孔径之和，其纵向长度为0mm到20mm，也
可根据需要具体设置。

[0046] 热端采用铜质或其它导热性能优良的材料加工而成，例如紫铜、黄铜、无氧铜或不锈钢，铜类材料导热性好，有助于散热。热端的材料可以是单一材料，也可以是多种材料的任意组合。

[0047] 热端可连接冷却设备，以加强其换热效果，例如，风冷设备和水冷设备；当然也可不连接其它设备，直接与外界环境接触。本发明提供的制冷机中的热端直接与外界环境接触，一方面便于通过外界风冷或者水冷或者其它冷却方式进行冷却，另一方面也便于双向
进气的调节。

[0048] 本发明提供的同轴型脉冲管制冷机适用的制冷温度范围为120K至1K，适用的制冷量范围为毫瓦级至千瓦级。

[0049] 本发明改善了同轴型脉冲管制冷机的进气方式，可以在热端同时集中实现高效热端换热器、热端导流器和双向进气结构的功能，提高了同轴型脉冲管制冷机的紧凑性和制
冷性能。其中，沿着轴心线安排多个进气孔，对制冷机进气进行导流，保证了进气的均匀性；
多个进气孔还增大了与工质气体的换热面积，换热效果也得到了很大的改善；通过连接法
兰将制冷机和压缩机完全耦合成一体，使制冷机的结构非常紧凑，抗冲击能力高，使用、移动方便。采用本发明同轴型脉冲管在实验研制调试过程中会更加方便，研发时间会得到缩
短，而且制冷性能和效率得到很大程度的提高。

[0050] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。