本實用新型涉及脈管制冷裝置。更具體地，涉及一種采用液體活塞進行功回收的液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)。

背景技術：

脈管制冷機最早由美國的Gifford和Longswoth發(fā)明，其由回熱器、脈管、熱端換熱器、冷端換熱器以及調相裝置等部分組成，由于該制冷機在低溫下沒有運動部件從而避免了低溫下的密封、磨損以及振動等問題，所以具有結構緊湊、振動低、長壽命等優(yōu)點，在、空間技術、超導電子學、紅外探測、低溫生物醫(yī)學等方面有著非常廣泛的應用前景。

雖然脈沖管制冷機的誘人之處在于其去除了低溫區(qū)的運動部件-排出器，但是其必須附加有效的調節(jié)器來補償被消除的排出器的功能，所以使得系統(tǒng)變得復雜，特別是調相氣庫的存在，使得系統(tǒng)的體積較大。而且調相裝置在改善壓力與體積流率之間的相位關系的同時，也消耗了一部分聲功，沒有充分利用進入系統(tǒng)中的聲功，所以對于未采用功回收裝置的脈管制冷機而言，其循環(huán)效率極限為T_C/T_H，低于理想Carnot制冷循環(huán)的極限循環(huán)效率T_C/(T_H-T_C)。

近年來，脈沖管制冷機在液氮溫區(qū)和10K以下溫區(qū)發(fā)展迅速。其中液氮溫區(qū)主要的發(fā)展方向為大冷量斯特林型脈沖管制冷機，10K以下溫區(qū)主要的發(fā)展方向為GM低頻脈沖管制冷機和多級斯特林型脈沖管制冷機。在液氮溫區(qū)獲取大冷量以及獲取10K以下的極低溫度，均需要提高脈沖管制冷機的輸入功率，在調相裝置中消耗的聲功也顯著提升，使得系統(tǒng)效率較低。另外對于10K以下的低頻脈沖管制冷機，其所需的調相角度也顯著提高，調相系統(tǒng)也面臨調相能力不足的問題。所以針對脈沖管制冷機發(fā)展中存在的主要問題，可行的方法是探索功回收調相脈管制冷機，可以同時解決聲功耗散以及調相能力不足的問題。

現(xiàn)有的功回收調相脈管制冷機中，已有利用吸附器良好的容抗和感抗效應，取代傳統(tǒng)脈管制冷機中的氣庫和慣性管，從而達到制冷機工作所需的最佳相移量，但該裝置無法解決脈沖管中聲功在調相裝置內耗散的問題，因此制冷機效率較低；也有依靠動質量模塊慣性、慣性管或閥門阻力等形成壓力波動相位領先體積流率的阻抗邊界調節(jié)，增加了調相能力，但系統(tǒng)中仍包含小孔氣庫等裝置，系統(tǒng)復雜且未完全消除調相裝置消耗的聲功；還有通過將脈管設置為1/4波長的長頸管調節(jié)制冷機內部壓力波與體積流之間的相位，省去了原有的被動或主動調相裝置。但是該方法其要求長頸管為1/4波長，而制冷機的溫度、頻率和壓力等均會對波長產(chǎn)生影響，使得該發(fā)明較難實現(xiàn)。

基于以上不足，需要提供一種功回收效果好、結構簡單緊湊、調相能力強且可動態(tài)調節(jié)脈沖管的相位的脈管制冷系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)，通過在調相裝置內設有液體活塞，實現(xiàn)了同時對制冷系統(tǒng)的相位的調節(jié)和功(例如，聲功)的回收，同時還使得系統(tǒng)結構更緊湊、方便使用且系統(tǒng)制冷效率高效。

為達到上述目的，本實用新型采用下述技術方案：

一種液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)，它包括依次順序連接的壓力波發(fā)生器、室溫端換熱器、蓄冷器、冷端換熱器、脈管、脈管熱端換熱器和調相裝置，所述調相裝置的出口與脈管熱端換熱器或壓力波發(fā)生器和室溫端換熱器間的管路相連，所述調相裝置內設有液體活塞。

優(yōu)選地，所述液體活塞采用的液體為室溫液態(tài)金屬、水銀、水和酒精中的一種。更優(yōu)選地，所述液體活塞采用的液體為室溫液態(tài)金屬或水銀。例如，室溫液態(tài)金屬可為鎵銦合金、鎵銦錫合金等。前述室溫液態(tài)金屬或水銀的密度大，相同體積下，往復震蕩產(chǎn)生的慣性力也大，結合對氣體的壓縮膨脹效應，能有效的調節(jié)脈管制冷系統(tǒng)內的相位且實現(xiàn)功的回收；同時，這些液體不會蒸發(fā)從而污染氣體工質；此外，這些液體的粘度小，流動阻力也能相應的降低到最低。更為優(yōu)選地，液體活塞采用的液體為水銀。

優(yōu)選地，所述調相裝置為內設有液體活塞的U型管、直管、螺旋管和L型管中的一種。選擇這幾種形狀的管狀的調相裝置，能較為有效的實現(xiàn)相位的調節(jié)；更為優(yōu)選地，所述調相裝置為內設有液體活塞的U型管。此時的調相裝置不僅調相效果好且能有效的防止功的損耗。

優(yōu)選地，在所述調相裝置的出口與脈管熱端換熱器或壓力波發(fā)生器與室溫端換熱器間的管路相連的管路上設有阻力調節(jié)裝置。通過調節(jié)阻力調節(jié)裝置的開度，可以方便的調節(jié)調相裝置出口側氣體工質的剛度，從而使得功的回收與相位調節(jié)效果達到最優(yōu)值。進一步地，較為優(yōu)選的阻力調節(jié)裝置可選自但不限于選自調節(jié)閥、毛細管和噴嘴中的一種。

本實用新型中的壓力波發(fā)生器可為低頻發(fā)生器也可為高頻發(fā)生器。較為優(yōu)選地壓力波發(fā)生器可為GM型低頻發(fā)生器、VM型低頻發(fā)生器、斯特林型高頻發(fā)生器和熱聲型發(fā)生器中的一種。

優(yōu)選地，所述脈管熱端換熱器與調相裝置間通過長頸管連接，從而能進一步促進相位的調節(jié)；冷端換熱器與脈沖管間通過冷頭連接管連接。

優(yōu)選地，所述制冷系統(tǒng)采用的氣體工質為氦氣。

優(yōu)選地，所述液體為水或乙醇時，在制冷系統(tǒng)中的氣體工質與水或乙醇間設置有隔離結構；優(yōu)選地，所述隔離結構為膜結構。

本實用新型中，所述制冷系統(tǒng)優(yōu)選地結構為直線型、U型和同軸型中的一種；所述制冷系統(tǒng)為單級脈管制冷系統(tǒng)或雙級脈管制冷系統(tǒng)。

本實用新型的有益效果如下：

本實用新型中通過在調相裝置內設有液體活塞進行調相，充分利用了高密度液體往復震蕩產(chǎn)生的慣性力以及對氣體的壓縮膨脹效應，調節(jié)制冷系統(tǒng)內的相位關系和回收功，使得系統(tǒng)的效率更加高效、緊湊、方便使用；另外，由于采用液體活塞調相未引入任何其他機械部件，相比其他主動調相方式而言，不存在磨損等問題，制冷機壽命得到大幅提高；此外，液體活塞的設置也可有效避免雙向進氣引起的Gedeon直流。

本實用新型中充分利用了液體往復運動時產(chǎn)生的慣性力，以及液體對功的損耗程度低，從而形成液體活塞有效的將功回收；其不僅可以為蓄冷器提供合適的相位關系，也使得系統(tǒng)的極限制冷效率提升至Carnot制冷循環(huán)的極限循環(huán)效率。

本實用新型中調相裝置中液體活塞的設置消除了小孔-氣庫、長徑管-氣庫、雙向進氣等結構，使得脈管制冷系統(tǒng)的結構更緊湊、方便使用，且雙向進氣結構的去除有效避免了Gedeon直流的影響。

本實用新型中對于低頻脈沖管制冷機以及40K以下溫區(qū)小冷量脈沖管制冷機中調相不足的問題也都能很好的解決。

附圖說明

下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1出了本實用新型實施例1的液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)的結構。

圖2中a～d示出了本實用新型實施例1的液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)中U型管內液體震蕩過程。

圖3示出了本實用新型實施例2的液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)的結構。

具體實施方式

為了更清楚地說明本實用新型，下面結合優(yōu)選實施例和附圖對本實用新型做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本實用新型的保護范圍。

實施例1

如圖1示出了本實用新型實施例1的液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)的結構：它包括依次順序連接的壓力波發(fā)生器1，例如，VM型低頻發(fā)生器、室溫端換熱器2、蓄冷器3、冷端換熱器4、脈管6、脈管熱端換熱器7和調相裝置9。其中，壓力波發(fā)生器1通過連接管與室溫端換熱器2相連，冷端換熱器4通過冷頭連接管5與脈管6相連，脈管熱端換熱器7與調相裝置9(裝有液體水銀的U型管)的入口通過連接管路連接，調相裝置9的出口通過管路與脈管熱端換熱器7連通，且管路上設有阻力調節(jié)裝置調節(jié)閥8。脈管制冷系統(tǒng)中的氣體工質為氦氣。

上述液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)的工作過程如下：從壓力波發(fā)生器1發(fā)出的聲功依次進入室溫端換熱器2、蓄冷器3、冷端換熱器4、脈管6和脈管熱端換熱器7，從而在冷端換熱器4處產(chǎn)生冷量。從脈管熱端換熱器7出來的聲功通過連接管路從U型管的入口進入U型管內，在聲功形成的壓力波的驅動下，U型管內的水銀在U型內做往復運動，形成液體活塞。一個壓力波周期內，液體的震蕩過程示意圖如圖2中a～d所示：隨著壓力波的增大，U型管內入口端的壓力由平衡壓力升高至最大壓力時，U型管內入口側(左側)液體液面下降，出口側(右側)液體液面升高，左右液體液面形成高度差H1(a)，同時右側液面之上的氣體工質氦氣被壓縮，此時功在調相裝置內以液體的重力勢能以及右側U型管內氣體工質的壓縮能存儲；隨著左側壓力由最高值下降至平均壓力時，U型管中存儲的能量釋放(b)，功回收至脈管內；隨著左側壓力的進一步下降至最低壓力時，U型管內右側液面下降，左側液面上升，左右液面形成高度差H2(c)，此時，右側液面之上的氣體工質膨脹，繼續(xù)對脈管做功；當壓力從最低壓力上升至平均壓力(d)時，脈管中存儲的功釋放入U型管內。從而完成一個壓力波周期，實現(xiàn)了功的回收。此外，通過上述液體活塞的慣性質量，可對脈管出口壓力波和質量流的相位進行調節(jié)。其中，在脈管制冷系統(tǒng)的工作過程中，通過控制調節(jié)閥的開度，能方便的調節(jié)U型管右側液體之上的氣體工質的剛度，使得功回收與相位調節(jié)達到最優(yōu)值。

實施例2

如圖3示出了本實用新型實施例2的液體活塞功回收型脈管制冷系統(tǒng)的結構，其與實施例1中基本相同，唯一的區(qū)別在于：調相裝置9的出口通過管路與壓力波發(fā)生器1和室溫端換熱器間的管路相連，且該管路上設有阻力調節(jié)裝置，例如調節(jié)閥8，U型管內的液體為鎵銦合金，其余條件不變。從而實現(xiàn)功的回收和對此制冷系統(tǒng)的相位的調節(jié)。在脈管制冷系統(tǒng)的工作過程中，控制調節(jié)閥8的開度，能方便的調節(jié)U型管右側液體之上的氣體工質的剛度，使得功回收與相位調節(jié)達到最優(yōu)值，且通過控制此調節(jié)閥8，還能更明顯的實現(xiàn)促進對脈管相位的調節(jié)。

顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非是對本實用新型的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本實用新型的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護范圍之列。