脈管制冷的基本原理是利用高低壓氣體對(duì)脈沖管腔的沖放氣而獲得低溫的，它實(shí)質(zhì)上是西蒙膨脹制冷的一種形式。
基本型脈管制冷機(jī)是1963奶奶由Gifford和Longsworth提出并研制的，系統(tǒng)由壓縮機(jī)、切換閥、回?zé)崞鳌⒗涠藫Q熱器、導(dǎo)流器、脈沖管和脈沖管封閉端的水冷卻器所組成。壓縮機(jī)作為壓力波發(fā)生器，導(dǎo)流器起到防止氣體紊流混合的作用。其制冷工作過(guò)程如下：
① 高壓氣體通過(guò)被控制的切換閥流經(jīng)回?zé)崞�、冷端換熱器、導(dǎo)流器，以層流態(tài)進(jìn)入脈管，漸次推擠管內(nèi)氣體向封閉端移動(dòng)，同時(shí)使之受到擠壓，沿管長(zhǎng)壓力升高，溫度上升，在脈管封閉端達(dá)到最高溫度。
② 布置在封閉端的水冷換熱器將熱量帶走，使其管內(nèi)氣體的溫度和壓力因放熱而稍有降低。
③ 切換閥轉(zhuǎn)動(dòng)使系統(tǒng)內(nèi)氣體與氣源低壓側(cè)連通，脈管內(nèi)的氣體又以層流態(tài)漸次向氣流推移擴(kuò)張，氣體膨脹降壓而獲得低溫。
④ 切換閥再次轉(zhuǎn)換使系統(tǒng)與氣源高壓側(cè)連通，從而完成一個(gè)循環(huán)。
脈管制冷機(jī)采用的工質(zhì)通常為He。脈管制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，脈管氣體軸向存在溫度梯度，入口端溫度低，封閉端溫度高，這點(diǎn)與容器內(nèi)絕熱放氣后氣體溫度是均勻的不同。
上面討論的帶有切換閥的基本型脈管制冷機(jī)由于氣體在通過(guò)閥門(mén)時(shí)又節(jié)流損失而降低了制冷效率。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，吉福特提出了可逆基本型脈管制冷機(jī)。它取消了切換閥，而直接以活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生脈管內(nèi)氣體的壓力波動(dòng)。
基本脈管制冷機(jī)由于外部熱損失打、效率低，所以制冷溫度有限，最低只達(dá)到124K。后經(jīng)不斷改進(jìn)，產(chǎn)生了各種類(lèi)型的脈管制冷機(jī)，如熱聲驅(qū)動(dòng)的脈管制冷機(jī)（用熱聲振蕩產(chǎn)生壓力波驅(qū)動(dòng)脈管），小孔型脈管、雙向進(jìn)氣脈管、多級(jí)脈管等。目前，單級(jí)脈管制冷溫度已達(dá)到23.5K，近年來(lái)多級(jí)脈管的研究也有很大進(jìn)展。1999年，荷蘭的教授在一臺(tái)采用氦3為工質(zhì)的三極脈管制冷機(jī)中獲得了1.78K的低溫。 |
