上海交通大学：《低温原理及应用》课程教学资源（课件讲稿）第10讲 脉管制冷机及热声低温制冷机

上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 低温原理及应用 第10讲脉冲管制冷机和热声制冷机 2018年春季 黄永华博士、教授 漏 是员是员是是 答疑： 邮箱huangyh@sjtu.edu.cn；电话：34206295 或预约办公室：机动A楼432室

低温原理及应用 第10讲 脉冲管制冷机和热声制冷机 2018年春季 黄永华 博士、教授 答疑: 邮箱 huangyh@sjtu.edu.cn ; 电话: 34206295 或预约 办公室：机动A楼432室

7脉冲管制冷机 > 脉冲管制冷机省去了常规气体制冷机中的冷腔膨胀活塞，采 用一根低热导的管子来代替，具有结构简单、运转可靠、冷头振 动小、寿命长、成本低等优势。 1960年代问世 No.1 No.0 No.2 从根本上解决了冷腔振动、密 封、磨损和难以加工等问题 No.3 21世纪主力低温制冷机 No.4 图3-87脉冲管制冷机的 P Ph 演变与发展 No.5 No.0-No.5中左端的无阀压缩机均 风2 可以由带配气阀的压缩机系统替代。 No.6

7 脉冲管制冷机  脉冲管制冷机省去了常规气体制冷机中的冷腔膨胀活塞，采 用一根低热导的管子来代替，具有结构简单、运转可靠、冷头振 动小、寿命长、成本低等优势。 图3-87 脉冲管制冷机的 演变与发展 1960年代问世 从根本上解决了冷腔振动、密 封、磨损和难以加工等问题 21世纪主力低温制冷机 No.0 No.0-No.5中左端的无阀压缩机均 可以由带配气阀的压缩机系统替代

本节内容： 1.基本型脉冲管制冷机 2.小孔型脉冲管制冷机 3.双向进气脉冲管制冷机 4.多路旁通脉冲管制冷机 5.双活塞脉冲管制冷机 6.四阀式脉冲管制冷机 7.多级脉管制冷机

1. 基本型脉冲管制冷机 2. 小孔型脉冲管制冷机 3. 双向进气脉冲管制冷机 4. 多路旁通脉冲管制冷机 5. 双活塞脉冲管制冷机 6. 四阀式脉冲管制冷机 7． 多级脉管制冷机 本节内容:

基本型脉冲管制冷机 美国Gifford、Longsworth1963年 >最初的基本型脉冲管制冷机的制冷流程由压缩机、切 换阀、回热器、冷端换热器、导流器、脉冲管本体以及脉 冲管封闭端的水冷却器所组成。 进气 冷却水 排气 6 图3-88 基本型脉冲管制冷机原理图 flash图3.89.swf 1一切换阀；2一回热器；3一冷端换热器； 4一脉冲管；5一水冷却器；6一导流器。 最低温度为124K >基本原理是利用高低压气体对脉冲管腔的充放气而 获得制冷效果的

① 基本型脉冲管制冷机  最初的基本型脉冲管制冷机的制冷流程由压缩机、切 换阀、回热器、冷端换热器、导流器、脉冲管本体以及脉 冲管封闭端的水冷却器所组成。 图3-88 基本型脉冲管制冷机原理图 1—切换阀；2—回热器；3—冷端换热器； 4—脉冲管；5—水冷却器；6—导流器。  基本原理是利用高低压气体对脉冲管腔的充放气而 获得制冷效果的。 美国Gifford、 Longsworth1963年 flash图3.89.swf 最低温度为124K

> 基本型脉冲管制冷机利用充放气获得低温的方法实质上是 西蒙膨胀制冷的一种型式。 基本型脉冲管制冷机与西蒙膨胀过程的不同点： 脉冲管制冷机运行时，脉冲管气体轴向存在一温度梯度， 入口端温度低，封闭端温度高；而西蒙膨胀的容器内气体温度 均匀； 充气完毕后，脉冲管取走热量的方式是靠封闭端的水冷换 热器；而西蒙膨胀的热量是靠整个容器表面与外部环境的对流 换热。 基本型脉冲管制冷机除了压缩气源和切换阀是室温运动部 件外，在低温处无任何运动部件，因此其结构简单、运行可靠， 但是其制冷效率低

 基本型脉冲管制冷机利用充放气获得低温的方法实质上是 西蒙膨胀制冷的一种型式。 基本型脉冲管制冷机与西蒙膨胀过程的不同点: 脉冲管制冷机运行时，脉冲管气体轴向存在一温度梯度， 入口端温度低，封闭端温度高；而西蒙膨胀的容器内气体温度 均匀； 充气完毕后，脉冲管取走热量的方式是靠封闭端的水冷换 热器；而西蒙膨胀的热量是靠整个容器表面与外部环境的对流 换热。  基本型脉冲管制冷机除了压缩气源和切换阀是室温运动部 件外，在低温处无任何运动部件，因此其结构简单、运行可靠， 但是其制冷效率低

>带有切换阀的基本型脉冲管制冷机：由于气体在通过阀 门时有节流损失而降低了制冷效率。 >可逆基本型脉冲管制冷机：直接利用活塞在气缸内往复运 动，使制冷系统内产生压力波动而导致脉冲管内气体的压缩和 膨胀过程。 W 图3-89可逆基本型脉 冲管制冷机原理图1一 活塞2一水冷却器 3一脉冲管4一负荷换 热器5一回热器

带有切换阀的基本型脉冲管制冷机:由于气体在通过阀 门时有节流损失而降低了制冷效率。 可逆基本型脉冲管制冷机:直接利用活塞在气缸内往复运 动，使制冷系统内产生压力波动而导致脉冲管内气体的压缩和 膨胀过程。 图3-89 可逆基本型脉 冲管制冷机原理图 1— 活塞 2—水冷却器 3—脉冲管 4—负荷换 热器 5—回热器

图3-90相同压比下带切换阀式脉冲管与可逆基本型脉冲管内部 压力波图。 a-基本型脉冲管 b-可逆基本型脉冲管. 国 时间 a) PH 品 时间 b)

图3-90 相同压比下带切换阀式脉冲管与可逆基本型脉冲管内部 压力波图。 a-基本型脉冲管 b-可逆基本型脉冲管

7 可逆基本型脉冲管制冷机的最主要特点是：将上一 个循环的能量存储起来，在下一个循环，其所需的能量 一部分来自马达，另一部分则由储存的能量提供，这样 就能大大减少外部所需的能量而提高热效率。 >常规气体制冷机的冷腔膨胀活塞与压力之间有一定的 运动相位差，冷端可获得制冷的膨胀功。 其中的能量平衡有： H+Q。=H。 (3.108) ■脉冲管冷端的焓流表示一周期内脉冲管冷端 向热端传输的能量，可称之为脉冲管的毛制冷 量。 H= pu dt (3.109) > 脉冲管传递热量的能力（即制冷能力）取决于P和 u1在相位上能否接近，以及两者振幅的大小

常规气体制冷机的冷腔膨胀活塞与压力之间有一定的 运动相位差，冷端可获得制冷的膨胀功。 其中的能量平衡有: 脉冲管冷端的焓流表示一周期内脉冲管冷端 向热端传输的能量，可称之为脉冲管的毛制冷 量。 H r Q c H c   H A C R P u d t c p     1 0  脉冲管传递热量的能力（即制冷能力）取决于P和 u1在相位上能否接近，以及两者振幅的大小。  可逆基本型脉冲管制冷机的最主要特点是:将上一 个循环的能量存储起来，在下一个循环，其所需的能量 一部分来自马达，另一部分则由储存的能量提供，这样 就能大大减少外部所需的能量而提高热效率。 (3.108) (3.109)

图3-91基本型脉冲管的能量传递及压力与流速的相位关系 R C P H H→目→Hh→目 基本型脉冲管P和u1不能较好 Q 地匹配，制冷能力低。其制 冷主要依靠表面泵热原理， 也就是依靠气体与脉冲管壁 面的热交换和气体微团在压 缩、膨胀时的温度变化，将 热量从管子的一端（低温端） 泵送到另一端（高温端)。 因而为了使气体与壁面的换 热充分，脉冲管运转的频率 很低，约1一3Hz. 3600

图3-91 基本型脉冲管的能量传递及压力与流速的相位关系 基本型脉冲管P和u1不能较好 地匹配，制冷能力低。其制 冷主要依靠表面泵热原理， 也就是依靠气体与脉冲管壁 面的热交换和气体微团在压 缩、膨胀时的温度变化，将 热量从管子的一端（低温端） 泵送到另一端（高温端）。 因而为了使气体与壁面的换 热充分，脉冲管运转的频率 很低，约1—3Hz

②小孔型脉冲管制冷机 1984年，前苏联Mikulin > 小孔型脉冲管制冷机中由于小孔和气库的加入，制 冷机理发生了变化，运转频率也大幅度提高。 图3-87中的N0.1 (3.110) 热端几乎调相了90°，从而使P与u2接近同相 观念 考察脉冲管热端的焓流变化，因为气库的容积大， 其压力基本稳定为系统的平均压力，热端的气体流向取 决于脉冲管与气库的压差。 > 小孔对P和u的振幅有调节作用，小孔开度增大，压 力振幅减小，流速振幅增大。这样小孔型脉冲管中冷端 气团可以向斯特林制冷机中的膨胀活塞一般获得一定的 相位需求，利用膨胀功制冷。 > 脉冲管由冷端向热端的泵热能力大大增强。 1986NlST的Radebaugh等获得了60K 1989年，中国科学院低温技术实验中心获49K

② 小孔型脉冲管制冷机  小孔型脉冲管制冷机中由于小孔和气库的加入，制 冷机理发生了变化，运转频率也大幅度提高。 H H A C R P u d t c h p      2 0  考察脉冲管热端的焓流变化，因为气库的容积大， 其压力基本稳定为系统的平均压力，热端的气体流向取 决于脉冲管与气库的压差。  小孔对P和u的振幅有调节作用，小孔开度增大，压 力振幅减小，流速振幅增大。这样小孔型脉冲管中冷端 气团可以向斯特林制冷机中的膨胀活塞一般获得一定的 相位需求，利用膨胀功制冷。  脉冲管由冷端向热端的泵热能力大大增强。 (3.110) 1984年，前苏联Mikulin 图3-87中的No.1 1986 NIST的Radebaugh等获得了60K 1989年，中国科学院低温技术实验中心获49K 热端几乎调相了90o ,从而使P与u2接近同相 观念