专利摘要

本发明涉及一种非金属多孔微通道脉管制冷机，包括依次连接的压缩机、冷却回热模块、微通道脉管、次冷却器、调相机构和气库；所述的冷却回热模块用于对进出微通道脉管前的制冷气体工质进行冷却与能量回收，并通过与外界换热将冷量向外界输出；所述的微通道脉管为轴向开设有多条两端贯通通道的管材。与现有技术相比，本发明在长期处于极端低温的环境中也可保证结构强度；解决了现有技术中管材难以在极端温度下承压长期工作的问题，并且进一步减小了摩擦阻力，减小了压降；采用了叉排式的通道的排布方式，保证了层流的情况下单位截面积的脉管可取得最大的质量流量。

权利要求

1.一种非金属多孔微通道脉管制冷机，其特征在于，包括依次连接的压缩机（1）、冷却回热模块、微通道脉管（9）、次冷却器（6）、调相机构（8）和气库（7）；

所述的冷却回热模块用于对进入微通道脉管（9）前的制冷气体工质进行冷却与能量回收，并通过与外界换热将冷量向外界输出；

所述的微通道脉管（9）为轴向开设有多条两端贯通通道的管材；

所述的调相机构（8）用于调节脉管内的相位差；

所述的微通道脉管（9）的材料为聚四氟乙烯；

所述的微通道脉管（9）外壁上包覆有金属补偿外壳（10）；

所述的微通道脉管（9）两端接口处设有与接口等径的盖板（5）；

所述的盖板（5）为紫铜材料。

2.根据权利要求1所述的一种非金属多孔微通道脉管制冷机，其特征在于，所述的补偿外壳（10）为不锈钢材料。

3.根据权利要求1所述的一种非金属多孔微通道脉管制冷机，其特征在于，

所述的盖板（5）上与通道口对应的位置开设有通孔；

所述的盖板（5）的边沿焊接于所述的补偿外壳（10）上。

4.根据权利要求1所述的一种非金属多孔微通道脉管制冷机，其特征在于，所述的压缩机（1）为直线型压缩机。

5.根据权利要求1所述的一种非金属多孔微通道脉管制冷机，其特征在于，所述的冷却回热模块包括依次串联的主冷却器（2）、回热器（3）和级后冷却器（4）；

所述的主冷却器（2）和级后冷却器（4）用于制冷气体工质进入微通道脉管（9）前的两级冷却降温；

所述的回热器（3）对往返微通道脉管（9）的制冷气体工质进行热量、冷量的回收。

6.根据权利要求1所述的一种非金属多孔微通道脉管制冷机，其特征在于，所述的调相机构（8）为惯性管。

7.根据权利要求1所述的一种非金属多孔微通道脉管制冷机，其特征在于，所述的微通道脉管（9）中通道的排布方式为叉排式。

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温制冷系统，尤其是涉及一种非金属多孔微通道脉管制冷机。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，军事及空间探测领域对深低温制冷的需求日益扩大，效率高、结构紧凑、性能优良的低温制冷机尤其是脉管制冷机在航空探测领域应用广泛。为了提高脉管制冷机的性能，历史上经历了三次重大改进。第一次， Mikulin等人提出小孔加气库的调相方案，获得了49K的低温；第二次，朱绍伟等人提出了双向进气的调相方案，扩充了脉管制冷机的应用范围；第三次，Kanao等人提出了惯性管调相方案，在高频工况下，要优于小孔加气库调相方案。之后，为了进一步提高性能，在以上重大改进的基础上又提出了主动活塞型脉管制冷机、四阀型脉管制冷机、主动气库脉管制冷机等方案。考虑到脉冲管制冷机工作流体特征是交变流动，在脉管内存在严重的非线性流动和传热现象，极大影响脉管制冷机的工作性能和制冷温度。

最早Gendeon发现在脉冲管制冷系统中存在由于双向进气回路产生的 Gendeon流。Gendeon流的存在引发了脉管热端向冷端的附加热流，增大了冷端的热负荷，降低了制冷机的性能。之后，根据脉管制冷机内的边界层效应发现了 Rayleigh流。脉冲管两端存在温度梯度，由于高温气体微团的黏度比低温气体微团的黏度大，因此运动的气体微团一周期内不能回到原先运动起点，从而产生了位移。这种气体微团的位移会在管壁边界层内产生一个时均质量流量。由质量守恒原理，管壁附近必会出现一个方向相反的时均质量流量，即Rayleigh流。Rayleigh流也会产生脉冲管热端向冷端的附加热流，导致制冷性能恶化。周远等人又提出了在脉管制冷机内的第三种直流效应，会恶化制冷造成制冷温度的不稳定。

申请号为201710854691.5的专利文献公开了一种微通道脉管制冷机，包括依次连接的压缩单元、主冷却器、回热器、冷端换热器、脉管、次冷却器，脉管为微通道脉管，微通道脉管由多根微通道管组成，微通道直径为微纳米级至少在1mm 以下，长径比≥500。长径比提高可以大大减小轴向导热，从而提高脉管制冷机制冷效率。同时，微通道可以使气流变为层流，这样就可以不使用层流化原件，简化了结构。多根脉管堆积的分散非整体结构极其不利于低温环境下的长期运行，很容易出现破损断裂的情况，而以上技术方案采用的微通道脉管由多根分层排布的微通道组成，可保证微通道脉管的结构刚度；普通的脉管材料特别是金属材料，将极大的增加脉管冷端的负荷，使得冷端结构易损伤；采用普通的脉管材料虽然可以取消层流化元件，但其与内部的管壁摩擦会带来交大的压损，使得制冷成本上升，换热效率下降。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种非金属多孔微通道脉管制冷机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种非金属多孔微通道脉管制冷机，包括依次连接的压缩机、冷却回热模块、微通道脉管、次冷却器、调相机构和气库；所述的冷却回热模块用于对往返于微通道脉管的制冷气体工质进行冷却与能量回收，并通过与外界换热将冷量向外界输出；所述的微通道脉管为轴向开设有多条两端贯通通道的管材。

进一步地，所述的微通道脉管的材料为聚四氟乙烯。聚四氟乙烯具有极为优越的综合性能，如耐高低温、耐腐蚀、耐压范围大(-0.1～6.4Mpa)、高绝缘、高润滑、不粘附优良特性。可从材料上解决当前微通道脉管在极端温度下的缺陷，并进一步减小了摩擦阻力，减小了压降。

本发明中非金属微通道脉管部分采用功能性聚四氟乙烯高温一次充铸成型或采用功能性聚四氟乙烯棒打孔的铸造工艺。微通道间的实心结构省略了换热器与微通道脉管间的导流结构，降低了冷量损失。该微通道脉管外径与微通道内径任意，长度任意，视具体工况而定，且脉管外部结构不仅限于直管。

进一步地，所述的微通道脉管外壁上包覆有金属补偿外壳。

进一步地，所述的补偿外壳为不锈钢材料。

进一步地，所述的微通道脉管两端接口处设有与接口等径的盖板；所述的盖板上与通道口对应的位置开设有通孔；所述的盖板的边沿焊接于所述的补偿外壳上。

进一步地，所述的盖板为紫铜材料。

金属补偿外壳不锈钢部分采用304无缝不锈钢管，壁厚1mm，紫铜盖板部分 3采用厚度为2mm的紫铜板并在与非金属微通道相同位置打孔。

金属补偿外壳是为控制在聚四氟乙烯在长时间工作后可能出现的“糯性”，圆管外包裹的不锈钢套可以更好的固定聚四氟乙烯的形状，避免在径向方向发生形变；脉管截面方向采用紫铜材料并预留微通道接口作为保护外壳并与不锈钢材料焊接，方便脉管两侧截面分别与冷端、热端换热器相连，减少接口处冷量损失，且微通道脉管结构增加了气体工质与换热结构的接触面积，更有利于换热。

进一步地，所述的压缩机为直线型压缩机。

进一步地，所述的冷却回热模块包括依次串联的主冷却器、回热器和级后冷却器；所述的主冷却器和级后冷却器用于制冷气体工质进入微通道脉管前的两级冷却降温并向外界输出冷量；所述的回热器对往返的制冷气体进行能量回收。

进一步地，所述的调相机构为惯性管。

进一步地，所述的微通道脉管中通道的排布方式为叉排式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明采用了在轴向开设有多条两端贯通通道的管材，相比于现有技术中采用的多根脉管的堆积，本发明中的技术方案在结构上具有更强的耐压性，在长期处于极端低温的环境中也可长期保证结构强度。

2)本发明采用了聚四氟乙烯作为微通道脉管的材料，解决了现有技术中管材难以在极端温度下承压长期工作的问题，并且进一步减小了摩擦阻力，减小了压降。

3)本发明采用了叉排式的通道的排布方式，保证了层流的情况下单位截面积的脉管可取得最大的质量流量。

4)本发明在聚四氟乙烯外部包覆了金属补偿外壳，限制了在聚四氟乙烯在长时间工作后可能出现的“糯性”，圆管外包裹的不锈钢套可以更好的固定聚四氟乙烯的形状，避免在径向方向发生形变。

5)本发明在脉管截面方向采用紫铜材料并预留微通道接口作为保护外壳并与不锈钢材料焊接，方便脉管两侧截面分别于冷端、热端换热器相连，减少接口处冷量损失。

附图说明

图1为本发明中非金属多孔微通道脉管制冷机的结构示意图；

图2为本发明中微通道脉管(聚四氟乙烯管)道截面排布设计参数图。

图中：1、压缩机，2、主冷却器，3、回热器，4、级后冷却器，5、盖板，6、次冷却器，7、气库，8、调相机构，9、微通道脉管，10、补偿外壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明中非金属多孔微通道脉管制冷机，包括依次连接的压缩机1、冷却换热模块、微通道脉管9、次冷却器6、调相机构8和气库7，压缩机1为直线型压缩机，参见图1。

冷却回热模块部分：其用于对往返微通道脉管9前的制冷气体工质进行能量回收，并通过与外界换热将冷量向外界输出。冷却回热模块包括依次串联的主冷却器 2、回热器3和级后冷却器4；主冷却器2和级后冷却器4用于制冷气体工质进入微通道脉管9前的两级冷却降温；回热器3利用由微通道脉管9返回的制冷气体工质与外界换热，向外界输出冷量。

微通道脉管9部分：其为轴向开设有多条两端贯通通道的管材。微通道脉管9 的材料为聚四氟乙烯。聚四氟乙烯具有极为优越的综合性能，如耐高低温、耐腐蚀、耐压范围大、高绝缘、高润滑、不粘附优良特性。可从材料上解决当前微通道脉管 9在极端温度下的缺陷，并进一步减小了摩擦阻力，减小了压降。非金属微通道脉管部分采用功能性聚四氟乙烯高温一次充铸成型或采用功能性聚四氟乙烯棒打孔的铸造工艺。微通道间的实心结构省略了换热器与微通道脉管间的导流结构，降低了冷量损失。该微通道脉管外径与微通道内径、长度均可为任意尺寸，并可视具体工况而定，且脉管外部结构不仅限于直管。

调相机构8部分：具体实施时调相机构选为惯性管。惯性管型脉冲管制冷机利用惯性管内部纯阻力、惯性、容性共同作用，可以在一定程度调节脉管冷端的压力波与质量流相位差，提高制冷机整机制冷量或制冷效率。惯性管内部交变流动流体由于摩擦的存在而产生流阻，由于其内径和长度的结构特征而产生流动感抗，由于其空体积的存在而产生流容。惯性管通常由一定内径和长度的圆管组成，其调相能力通常用惯性管可以调节的质量流和压力波的相位角度的大小来判定。

微通道脉管9外部结构：其外壁上包覆有金属补偿外壳10，具体实施时，补偿外壳10选用不锈钢材料。所述的微通道脉管9两端接口处设有与接口等径的盖板5。盖板5上与通道口对应的位置开设有通孔，盖板5的边沿焊接于所述的补偿外壳10上。具体实施时，盖板5选用紫铜材料。金属补偿外壳不锈钢部分采用304 无缝不锈钢管，壁厚1mm，紫铜盖板部分3采用厚度为2mm的紫铜板并在与非金属微通道相同位置打孔。

金属补偿外壳10是为控制在聚四氟乙烯在长时间工作后可能出现的“糯性”，，圆管外包裹的不锈钢套可以更好的固定聚四氟乙烯的形状，避免在径向方向发生形变；脉管截面方向采用紫铜材料并预留微通道接口作为保护外壳并与不锈钢材料焊接，方便脉管两侧截面分别于冷端、热端换热器相连，减少接口处冷量损失，且微通道脉管结构增加了气体工质与换热结构的接触面积，更有利于换热。

压力设计：以下给出聚四氟乙烯微通道承压能力公式

式中P为管道内部可承受压力(MPa)、D为管道内径(mm)、[S]为材料许用抗压强度(MPa)、T为管道壁厚(mm)。根据附图2所示给出一样例计算，设计微通道内径为0.5mm，两微通道间最短距离为0.25mm，聚四氟乙烯许用抗压强度为19.52Mpa，则每个微通道内壁面可承受压强为9.76MPa。非金属微通道脉管制冷机设计气体工质最高工作压力为3.5MPa，满足本制冷工况需求，在其余工况下应满足两微通道间最短距离与微通道内径的比值大于0.5。

排管设计：微通道脉管9中通道的排布方式为叉排式。本发明微通道设计原则为在保证层流的情况下使单位截面积的脉管取得最大的质量流量，因此本发明采用叉排式排布方法，参见图2，将外圆分为六个相同的三角形和六个相同的扇形结构，令脉管外径为D(mm)，微通道内径为d(mm)，可承压壁厚为i(mm),设圆心至三角形外第n行微通道圆心的距离为Xn，设三角形外第n行可排布2m个微通道，共排布M个微通道。

首先如图2所示圆内六个三角形范围内总排列微通道数量：

m0＝0.7[D/(d+i)-3]*[D/(d+i)-1]+3D/(d+i)-8

余下部分计算如下：

设x1＝0.866(d+i)+0.433D，则m1＝[(D/2)2-x12]0.5/(d+i)

X2＝0.866*2(d+i)+0.433D，m2＝[(D/2)2-x22]0.5/(d+i)

以此类推得到：

Xu＝0.866*u*(d+i)+0.433D，mu＝[(D/2)2-x22]0.5/(d+i)

直至0<D/2-0.866*u*(d+i)-0.433D<1，计算结束。

则总小管数量为M＝m0+12(m1+m2+m3+……mu)

针对不同微通道管径、脉管外径、工质质量流量工况，可优化最佳微通道排布数量。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

一种非金属多孔微通道脉管制冷机专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。