【《脉管制冷机结构发展概述》2800字】

脉管制冷机结构发展概述从基本型脉管制冷机被研究出来以后，在之后的发展中围绕脉管热端的调相机构经历了不同的变化，变化过程主要为基本型、小孔型、双向进气型、多路旁通型到惯性管性等相结构形式[3]。基本型脉管制冷机在上世纪60年代,美国的两位研究人员Longsworth和Gifford发现当工质使用交变的压力波流过一根有一端封闭的空管时,管道内壁在轴向方向会呈现一个温度梯度，并且在其封闭端会有发热的现象，然后将该管道与回热器和导流元件组合后,再用循环冷却水将发热的空管封闭端冷却到室温,就可以在管子的另一端获得制冷效应,这就是基本型脉管制冷机的来源[3]。该制冷机的组成机构包括压缩机、切换阀、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器及脉管封闭端的循环水冷却器，如图12所示。图12基本脉管制冷机脉管：脉管为一种很薄的壁管一般厚度为毫米级,通过选择热导率很低的材料来减少本身与外界环境之间的换热,理想条件下为完全绝热，它的一端与冷端换热器相连并且连接导流器,再与回热器相连;在另一端为封闭结构同时形成热端换热器，它的设计基本要求在保障足够的“膨胀”空间的同时维持完整的气体活塞，即脉管体积往往在3-5倍冷端膨胀体积左右[5]。

冷端换热器：脉管制冷机的主要部件之一,系统产生的制冷量全部经冷端换热器直接或间接传递到被冷却设备。热端换热器：即封闭端，经过压缩的气体最终到达封闭端与外界壁面的水经过换热后沿相反方向返回；由于压缩的气体最后集中在封闭端会导致气体流动不稳定发生紊乱，为了让流体保持稳定的层流状态，热端换热器内部为由多孔材料构成的多个管道。

回热器：由于气体在热端换热器被外界吸收热量使温度降低，当气体从封闭端膨胀返回后在相同的位置温度低于压缩过程，经过回热器时使得回热器的温度降低，当气体压缩再次经过时就可以吸收外界环境热量即常说的制冷。但是脉管制冷机中的回热器换热原理在结构与换热过程上都不同于传统的间壁式换热器。在传统的间壁式换热器中冷流体与热流体被一层固体壁面分隔开，通过一个固体壁面来交换热量，所以一般选择一个导热率较好的材料，结合实际情况考虑比如经济问题，占用空间问题等不可能选择的是导热率最好的；例如北方常见的暖气片，管道内流过的热水通过固体壁面与室内空气来换热。而脉管制冷机中的回热器为重要组成部件,从压缩机出来的气体工质以及膨胀回来的气体工质在经过蓄冷器的时候，由于与蓄冷器里面的填充丝网有温差所以会进行换热，为了使换热效果达到最好，回热填料选用导热率大的材料。由于回热器的尺寸小、回热填料换热面积大、体积热容大、沿程阻力小,使得回热器具有结构简单、紧凑、换热效率高等优点[15]。回热器也是不可逆损失最大的部件和脉管制冷机的核心部件。基本型脉管制冷机的工作过程可以简单的分为压缩过程和膨胀过程。压缩时压缩机出口的高压气体进气后，在经过蓄冷器时先与内部填充的丝网材料进行换热，然后进入冷端换热器，冷端换热器外界为冷却温度，气体工质经过内部后被冷却至外界的温度，之后经过一个层流化结构，将气体工质的混乱程度减小，使其尽可能保持稳定流动状态，进入脉管后在脉管内进行压缩过程，压缩时后面的气体对前面进入的气体产生一个挤压作用，沿轴向方向形成一个升高的温度梯度，最终到达热端换热器与冷却水进行换热。加压进气完成后的短暂时间内脉管内气体处在静止期,即脉管里面的气体已经压缩运动完成,在这个时间段,热端换热器内的气体被水冷却,温度下降到环境温度。然后开始膨胀过程,气体从热端换热器以层流的方式沿相反的方向运动，运动过程中压力不断降低，由理想气体状态方程可知会形成一个气体温度下降的梯度,当气体回到冷端换热器时,损失的热量与压缩时产生的热量在理想情况下应该是相同的，在实际中由于存在损失会有些误差，但不会差很多，所以在回到冷端时，温度比压缩过程中工质在冷端的温度低，从而给外界需要冷却的环境降温以至于产生降低关键部位温度的作用，然后经过蓄冷器返回并且在蓄冷器吸收热量。一般脉管内工质压缩与膨胀的时间较短，而静止的时间较长；一方面为了让气体尽量保持层流运动状态，另一方面让热端换热器与外界有足够的时间交换热量。工作循环脉管内的气体可以分为三个部分。第一部分是管内部原有的气体，这些气体不进入冷端换热器。第二部分是进排气过程中既通过冷端换热器，又进入热端换热器中的气体，这部分气体产生制冷作用。第三部分在进气过程中恰好流动到热端换热器入口，只留到脉管内部不进入热端换热器。小孔型脉管制冷机二十世纪九十年代中期，前苏联Bauman技术学院的Mikulin等人在基本型脉管的基础上提出了改进后的小孔型脉管制冷机[18]。它的主体结构与基本型类似没有大的变化，对封闭端进行了变化，将热端换热器分离出来通过小孔结构与封闭端相连。如图13所示。基本工作原理与基本型脉管制冷机相同，不同之处在于脉管内的工质压缩过程结束后，形成的高压工质先通过小孔结构后再与热端换热器换热然后进入气库，即小孔结构会使压缩与膨胀的工质增加[4]。两年后Radebaugh对小孔型结构进行了改进，将小孔放在热端换热器后面让工质先在热端换热器换热后再经过一个可以控制开度的阀门，如图14所示。当制冷工质为氦气时，可以得到的最低温度为60K。在1989年，国内的梁惊涛等通过对回热器、冷端换热器、脉管和热端换热器结构的参数通过多次改变进行了优化，得到了49K的低温。图图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s13Mikulin提出的小孔型脉管制冷机图14Radebaugh提出的小孔型脉管制冷机小孔型脉管制冷机由于小孔的存在增加了增加了参与膨胀制冷的工质量同时也改善了脉管内的层状温度分布之所以比基本型脉管制冷机制冷能力强[7]。双向进气型脉管制冷机1990年国内的朱绍伟和吴沛宜等人在对脉管制冷机仔细研究后发现，脉管里面并不是所有的气体都参与制冷过程，但是这部分不参与制冷的气体会进入回热器与内部填料进行换热，减少了回热器预冷的有用工质，即回热器的换热有一部分是无用功，增大了回热器的负荷，为了将这一部分降低制冷性能的气体排出去，提出了如图15所示结构，在小孔型结构上做了进一步改进，使用一个中间有双向进气阀门的两端开口的管道，一端与回热器（蓄冷器）左边的管道连起来，另一端和与脉管封闭端和小孔连起来的管子接通。这种结构中压缩机出口的气体可以一部分按正常流向流动，另一部分通过新加的管道流走。流过新加管道的质量流在相位上与回热器压力降同相，可以与流经回热器的平均质量流基本保持同相，从而对脉管封闭端质量流相位超前压力波的现象进行抑制，进一步使制冷性能提高[15]。图15双向进气型多路旁通型脉管制冷机1992年在第七届国际制冷会议上，中科院低温中心的周远教授领导的研究小组在双向进气型脉管制冷机结构的基础上对其进行了修改，他们用一个带有旁通阀的管道将回热器与脉管