专利名称：可任意角度安装使用的脉管制冷机的实现方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制冷机，尤其是一种脉管制冷机，具体地说是一种可任意角度安 装使用的脉管制冷机的实现方法及装置。
背景技术：
目前，在核磁共振和低温泵等系统中广泛使用到的低温制冷机大多数采用的是气 缸活塞结构的G-M制冷机，由于该制冷机对其气缸和活塞的加工精度要求很高，且在低温 下有运动部件，使得其在加工难度、制造成本和使用寿命上存在很大问题。1963年，美国的 Gifford和Longsworth提出了冷端无运动部件的脉管制冷机，使得其使用寿命大大增加， 同时，在加工难度和制造成本上也大大优于G-M制冷机，在经历了小孔型，双向进气型，四 阀型，主动气库型等多种结构形式之后，目前，低运行频率的冷端无运动部件的G-M型脉管 制冷机的性能不断趋近于气缸活塞结构的G-M制冷机。同时，由于冷端无运动部件的G-M型 脉管制冷机存在有诸多优点，在许多应用场合中，正逐渐取代气缸活塞结构的G-M制冷机。 在布置形式上，目前G-M型脉管制冷机主要是U型布置形式(如图1)，其中脉管是一根中 空的直管，利用其内部的气体活塞可以实现实际活塞的作用，然而，当制冷机处于倾斜位置 时，重力会使得脉管内气体发生对流，从而将热量从高温传递至低温，增加制冷机热负荷， 导致制冷机性能恶化严重。图2实线部分所示为单级脉管制冷机在77K时的制冷量随倾斜 角度的一组试验结果，可以看出水平位置时的制冷机性能很差。为了解决脉管制冷机运行 时的方向性问题，通常的办法是提高其运行频率，然而，高的运行频率会使得回热器回热效 率降低，从而达不到较低的制冷温度。因此，在保持脉管制冷机具有低制冷温度的同时，解 决其运行时的方向性问题是脉管制冷机获得进一步广泛应用的关键。
发明内容
本发明的目的是针对现有的直管脉管制冷机需垂直安装，且其性能随直管脉管安 装角度的变化而急剧下降的问题，发明一种能使脉管制冷机在任意角度安装并仍能保持较 高性能的方法及其装置。本发明的技术方案之一是一种可任意角度安装使用的脉管制冷的实现方法，其特征是采用螺旋形脉管代替 直管形脉管，该螺旋形脉管与回热器平行布置或缠绕在回热器上。本发明的技术方案之二是—种可任意角度安装使用的螺旋脉管制冷机，它包括压力波发生装置1、回热器热 端换热器6、回热器7、冷端换热器8、双向进气阀11、小孔阀12和气库13，压力波发生装置 1与回热器热端换热器6以及双向进气阀11的一端相连，回热器热端换热器6与回热器7 的一端相连，回热器7的另一端与冷端换热器8相连，双向进气阀11的另一端以及小孔阀 12的一端均与脉管热端换热器10相连，小孔阀12的另一端与气库13相连，其特征是在脉 管热端换热器10与冷端换热器8之间连接有螺旋脉管9。
所述的螺旋脉管9和回热器7并列布置或所述的螺旋脉管9缠绕在所述的回热器 7上。所述的螺旋脉管9为单根或多根并联的螺旋上升的不锈钢空管子。螺旋脉管9的 冷端通过冷端换热器8与回热器7的冷端相连。所述的压力波发生装置1包括有阀压缩机2和配气阀3，配气阀3包括两个控制阀 门4，5，有阀压缩机2通过两个控制阀门4，5和回热器热端换热器6相连，两个控制阀门4， 5为电磁阀或旋转阀。所述的压力波发生装置1包括无阀压缩机14，无阀压缩机14的输出端直接与回热 器热端换热器6相连。所述的回热器7为不锈钢材料，回热器7中充填有丝网状填料、球状填料或者磁性 填料。所述的螺旋脉管9应选用直径较小，长度较长的空心管子。本发明的有益效果本发明采用螺旋脉管取代原来的直形脉管，需要保证有足够的膨胀空间，因此，螺 旋脉管选用直径较小，长度较长的管子，充分利用螺旋脉管小直径，以及螺旋的结构特点， 在制冷机倾斜工作时，会产生如下的优势原先的直形脉管在倾斜工作时，气体微团由于重 力和推力不在同一直线上，会产生环形运动，直径越大，运动越明显，更加容易将高温的热 量带到低温处，在无数个气体微团的同一方向的环形运动的共同作用下，热端的热量传递 到冷端，增加了冷端的热负荷，使得实际制冷量降低，制冷性能恶化，同时，脉管内部气体活 塞被破坏，降低了脉管内部绝热膨胀的效率，也恶化了制冷性能。而采用本发明的螺旋脉 管，其小管径的特点限制了环形运动的产生，同时，在倾斜时，脉管管路中临近位置产生的 环形运动总是相反方向，从而抑制热量的传递，大大降低了制冷机性能的恶化。图2虚线部 分所示为采用螺旋脉管的单级脉管制冷机在77K时的制冷量随倾斜角度的一组试验结果， 与实线部分相比，运行角度对制冷性能的恶化程度因采用螺旋脉管而被大大减小。本发明也可研制成两级或多级低温真空泵系统，可以将现有的低温真空泵中的 G-M制冷机直接替换为螺旋脉管制冷机，在保证足够低的制冷温度的同时，又能满足各种安 装方向的要求，使得低温真空泵的使用寿命更长。对于多级脉管制冷机而言，可通过采用多个螺旋脉管取代原来的多个直形脉管实 现任意角度的安装使用。本发明的方法和结构均十分简单，通过改变脉管的结构形式，从根本上改变了脉 管制冷机的使用范围，大大扩展了脉管制冷机的应用领域，使得它能够应用于各种所需的 复杂场合。本发明可以有效地抑制脉管制冷机在倾斜方向工作时产生的制冷性能的恶化，具 有加工简单，成本低，寿命长，结构紧凑等特点，进一步拓宽了脉管制冷机的应用领域。
图1是现有的脉管制冷机的结构原理示意图。图2是现有的直管式脉管制冷机及本发明的螺旋式脉管制冷机在不同倾斜状态 时的制冷性能变化示意图。
图3是最能体现本发明的设计理念和思路的螺旋脉管制冷机的组成原理示意图。图4是图3所示的脉管制冷机的另一种等效结构示意图。图5是利用本发明的原理设计的多级(两级)脉管制冷机的结构示意图。图6是图5所示的多级脉管制冷机的一个具体应用实例。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。实施例一。如图3所示。一种可任意角度安装使用的脉管制冷的实现方法，它通过采用小管径、大长度的 绕制成螺旋形状的螺旋脉管代替现有的直管形脉管进行工作，该螺旋形脉管与回热器平行 布置或缠绕在回热器上。它利用小管径的特点限制环形运动的产生，同时，在倾斜时，脉管 管路中临近位置产生的环形运动总是相反方向，从而抑制热量的传递，大大降低了制冷机 性能的恶化，即使在水平放置时，其制冷效率的下降也十分有限，如图2中虚线所示。实施例二。如图3、4所示。一种单级螺旋脉管制冷机，它包括压力波发生装置1，回热器热端换热器6，回热 器7，冷端换热器8，螺旋脉管9，脉管热端换热器10，小孔阀12，气库13，以及与脉管热端换 热器10和回热器热端换热器6相连的双向进气阀11。在图3中的螺旋脉管9和回热器7 并列布置，图4中的螺旋脉管9缠绕在回热器7外侧，压力波发生装置1与回热器热端换热 器6以及双向进气阀11相连，小孔阀12与脉管热端换热器10以及双向进气阀11相连，气 库13与小孔阀12相连。螺旋脉管9是一根螺旋上升的脉管，螺旋脉管9的冷端通过冷端换热器8与回热 器7的冷端相连，螺旋脉管9和回热器7均为不锈钢材料，回热器7的填料为丝网材料、球 状材料或者磁性填料。压力波发生装置1包括有阀压缩机2和配气阀3，配气阀3包括两个控制阀门4、5， 有阀压缩机2通过两个控制阀门4、5和回热器热端换热器6相连，两个控制阀门4、5可以是 电磁阀，也可以是组合在一起的旋转阀；或者是无阀压缩机14，直接与回热器热端换热器6 相连。小孔阀12和双向进气阀11都是针阀，与脉管热端换热器10相连，和气库13—起 组成了制冷机的调相机构。实施例三。如图5所示。一种紧凑式两级螺旋脉管制冷机，它包括压力波发生装置1，一级回热器热端换 热器6，一级回热器7，一级冷端换热器8，一级螺旋脉管9，一级脉管热端换热器10，一级小 孔阀12，一级气库13，以及与一级脉管热端换热器10和一级回热器热端换热器6相连的一 级双向进气阀11，二级回热器15，二级冷端换热器16，二级螺旋脉管17，二级脉管热端换热 器18，二级小孔阀20，二级气库21，以及与二级脉管热端换热器18和一级回热器热端换热 器6相连的二级双向进气阀19。在该实施例中，一级螺旋脉管9缠绕在一级回热器7外侧，二级螺旋脉管17缠绕在二级回热器15和一级回热器7外侧，压力波发生装置1与一级回 热器热端换热器6、一级双向进气阀11以及二级双向进气阀19相连，一级小孔阀12与一级 脉管热端换热器10以及一级双向进气阀11相连，一级气库13与一级小孔阀12相连；二级 小孔阀20与二级脉管热端换热器18以及二级双向进气阀19相连，二级气库21与二级小 孔阀20相连。一级螺旋脉管9的冷端通过一级冷端换热器8与一级回热器7的冷端和二级回热 器15的热端相连，一级回热器7的填料为丝网材料或者球状材料。二级螺旋脉管17的冷 端通过二级冷端换热器16与二级回热器15的冷端相连，二级回热器15的填料为球状材料 或者磁性填料。实施例四。如图6所示。一种由紧凑式两级螺旋脉管制冷机组成的低温泵系统，该低温泵系统包括两级紧 凑式螺旋脉管制冷机(已在实施例三中详细描述)，一级挡板22，二级挡板23，辐射屏24， 真空罩25，连接法兰26。一级挡板22安装在辐射屏24中，辐射屏24连接在一级冷端换热 器8上，通过一级冷端换热器8为辐射屏24和一级挡板22提供低温，辐射屏24可以减少 二级冷端换热器16的漏热，一级挡板22用来冷冻水分子和二氧化碳等分子；二级挡板23 连接在二级冷端换热器16上，利用二级冷端换热器16的温度冷冻氮、氧、氩等分子，在二级 挡板23上装有活性炭，主要吸附氢、氦、氖等分子；真空罩25连接在一级回热器热端换热器 6、一级脉管热端换热器10和二级脉管热端换热器18上，通过连接法兰26，与被泵对象相 连。根据本发明也可研制出各种使用螺旋脉管制冷机的低温系统，其中螺旋脉管制冷 机在保证有足够低的制冷温度的同时，又能满足各种安装方向的要求，大大提高脉管制冷 机的应用范围。本发明的工作原理是本发明中采用螺旋脉管取代原来的直形脉管，选用的脉管应当保证有足够的膨胀 空间，因此，对于螺旋脉管选用直径较小，长度较长的管子。当直形脉管制冷机倾斜工作时， 原来的直形脉管中的气体微团由于重力和推力不在同一直线上，会产生环形运动，直径越 大，运动越明显，因此，容易将高温的热量带到低温处，在无数个气体微团的同一方向的环 形运动作用下，热端的热量传递到冷端，增加了冷端的热负荷，使得实际制冷量降低，制冷 性能恶化，同时，脉管内部气体活塞被破坏，降低了脉管内部绝热膨胀的效率，也恶化了制 冷性能。而本发明的螺旋脉管制冷机由于其小管径的特点限制了环形运动的产生，同时，在 倾斜时，脉管管路中临近位置产生的环形运动总是相反方向，从而抑制热量的传递，使得制 冷机倾斜角度对制冷性能的恶化程度大大缩小。尽管以上结合了说明书所给出的具体实施例对本发明做了详细描述，但本发明不 应该被局限于上述具体实施例或所给出的特征组合方式。在不超出本发明实质的前提下， 可自行设计出各种等效的实施结构和布置形式，而且本领域普通技术人员也可以按照本发 明的教导完成相应的修改和改进。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
一种可任意角度安装使用的脉管制冷机的实现方法，其特征是采用螺旋形脉管代替直管形脉管，该螺旋形脉管与回热器平行布置或缠绕在回热器上。
2.—种可任意角度安装使用的螺旋脉管制冷机，它包括压力波发生装置(1)、回热器 热端换热器(6)、回热器(7)、冷端换热器(8)、双向进气阀(11)、小孔阀(12)和气库(13)， 压力波发生装置(1)与回热器热端换热器(6)以及双向进气阀(11)的一端相连，回热器热 端换热器(6)与回热器(7)的一端相连，回热器(7)的另一端与冷端换热器(8)相连，双向 进气阀(11)的另一端以及小孔阀(12)的一端均与脉管热端换热器(10)相连，小孔阀(12) 的另一端与气库(13)相连，其特征是在脉管热端换热器(10)与冷端换热器(8)之间连接 有螺旋脉管(9)。
3.根据权利要求2所述的可任意角度安装使用的螺旋脉管制冷机，其特征是所述的螺 旋脉管(9)和回热器(7)并列布置或所述的螺旋脉管(9)缠绕在所述的回热器(7)上。
4.根据权利要求2或3所述的可任意角度安装使用的螺旋脉管制冷机，其特征是所述 的螺旋脉管(9)为单根或多根并联的螺旋上升的不锈钢空管子。
5.根据权利要求2、3或4所述的可任意角度安装使用的螺旋脉管制冷机，其特征是所 述的压力波发生装置(1)包括有阀压缩机(2)和配气阀(3)，配气阀(3)包括两个控制阀门 (4，5)，有阀压缩机(2)通过两个控制阀门(4，5)和回热器热端换热器(6)相连，两个控制 阀门(4，5)为电磁阀或旋转阀。
6.根据权利要求2、3或4所述的可任意角度安装使用的螺旋脉管制冷机，其特征是所 述的压力波发生装置(1)包括无阀压缩机(14)，无阀压缩机(14)的输出端直接与回热器热 端换热器(6)相连。
7.根据权利要求2、3、4、5或6所述的可任意角度安装使用的螺旋脉管制冷机，其特征 是所述的回热器(7)为不锈钢材料，回热器(7)中充填有丝网状填料、球状填料或者磁性填 料。
全文摘要
一种可任意角度安装使用的脉管制冷机的实现方法及装置，它采用螺旋形脉管代替直管形脉管。与方法相配的装置包括压力波发生装置(1)、回热器热端换热器(6)、回热器(7)、冷端换热器(8)、双向进气阀(11)、小孔阀(12)和气库(13)，压力波发生装置(1)与回热器热端换热器(6)以及双向进气阀(11)的一端相连，回热器热端换热器(6)与回热器(7)的一端相连，回热器(7)的另一端与冷端换热器(8)相连，双向进气阀(11)的另一端以及小孔阀(12)的一端均与脉管热端换热器(10)相连，小孔阀(12)的另一端与气库(13)相连，其特征是在脉管热端换热器(10)与冷端换热器(8)之间连接有螺旋脉管(9)。本发明结构简单，易于实现，可在任意角度安装使用。
文档编号F25B9/14GK101852506SQ20101017317
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者巢伟, 庄坤融, 陈杰, 高金林 申请人:南京柯德超低温技术有限公司