脈管制冷機或脈衝管制冷機（pulse tube refrigerator） 1963年吉福特和朗斯沃斯同時提出脈管制冷循環，屬於回熱式氣體制冷機，其原理是利用高壓氣體被絕熱抽空而達到製冷的目的。脈管一端封閉，另一端接著蓄冷器和冷端換熱器——製冷器，當高壓氣體進入脈管時，呈現層流狀。這樣在充氣時，由於壓縮而在脈管中形成溫度梯度，封閉端的溫度最高，壓縮熱被冷卻水帶走。這樣在脈管中高壓氣體被抽空時，在管的出口端形成低溫製冷區。由於冷端沒有運動部件，它有著廣泛的套用。
基本介紹
- 中文名：脈管制冷機
- 外文名：pulse tube refrigerator/cryocooler
- 研製時間：1963年
- 研究員：吉福德和朗斯沃斯
簡 介,性能分析,套用領域,發展歷史,早期探索階段（1963年-1982年）,機理探索期（1982年-1990年）,蓬勃發展期（1990年-2000年）,深化發展期（2000年至今）,類 型,按驅動方式劃分,按布置方式劃分,發展前景,
簡 介
以小孔型脈管制冷機為例，其主要部件有： 
斯特林小孔型脈管制冷機
斯特林小孔型脈管制冷機工作在室溫Th下的壓縮機；
對環境釋放熱量的換熱器（壓縮機與回熱器之間）；
由多孔介質組成的高熱容回熱器（蓄冷器），多孔介質可以是不鏽鋼絲網，銅絲網或鉛球等；
為低溫Tl環境提供冷量的冷端換熱器；
脈管，一根空管；
在室溫Th下向環境散熱的熱端換熱器；
小孔閥，通常也是用調相管（慣性管）；
氣庫，擁有較大的封閉體積，實際上壓力恆定。
性能分析
一般熱力學上採用熱力學性能係數和熱力學完善度來衡量一類制冷機性能，卡諾循環的性能係數為 ：
理想情況下，脈管制冷機的性能係數為：
脈管制冷機的熱力學完善度為：
從以上分析不難看出，脈管在較高溫區的製冷並沒有明顯的優勢，但是在低溫下，尤其是液氮溫度（77K）以下時，其熱力學完善度接近卡諾效率，又由於其冷端沒有運動部件，運行可靠且壽命長，因此在低溫下有著廣泛的使用。
套用領域
脈管制冷機有著廣泛的套用，可以套用在冷凍醫療，家畜育種，半導體加工場合和冷卻超導量子干涉儀等領域。熱聲驅動的脈管制冷機可以直接利用熱能，用燃燒的天然氣作熱源液化天然氣等，更是極大的拓寬了脈管制冷機的套用領域。
此外，在軍用和航空航天領域也被大量用，主要可用於：紅外探測儀的冷卻；太空探測設備，如阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡，測量宇宙背景光譜的光學干涉設備的冷卻；為稀釋製冷提供預冷等；尤其在太空望遠鏡中，由於無法頻繁更換制冷機，脈管制冷機的長壽命有著巨大的優勢。此外，脈管制冷機還可以在火星探索中提供液氧。
發展歷史
早期探索階段（1963年-1982年）
1963年，由美國雪城大學(Syracuse University)的 Gifford 和 Longsworth 在研製GM制冷機時偶然發現：一根中空管子記憶體在交變壓力波時，它的封閉端會發熱，沿管軸向可形成很大的溫度梯度。於是，他們研究並研製了制冷機，命名為pulse tube refrigerator（中文譯作脈管制冷機或脈衝管制冷機）。
1966年，為了解釋這種現象，Gifford 和Longsworth 提出了表面泵熱理論。
1967年，Longsworth最佳化了脈管制冷機的幾何結構，達到最低溫度124K的紀錄。同年，Gifford 等做了改進，取消切換閥，直接以活塞在氣缸內的往復運動而產生壓力波。他們將這種形式的脈管制冷機稱為可逆型脈管制冷機(一般稱為斯特林型脈管制冷機），最終獲得165 K 的最低製冷溫度。實驗表明可逆型的效率相對於GM 型得到了顯著提高。
此後，由於基本型脈管的製冷溫度依然很高，Longsworth 提出了多級結構。採用兩級獲得了79 K 的製冷溫度，而採用四級結構則獲得了32 K 的低溫。
機理探索期（1982年-1990年）
1982年，蘇聯學者Mikulin在基本型脈管的頂部和熱端換熱器之間安設了一個節流小孔，並在熱端換熱器後面連線一個容積相當大的氣庫，採用空氣為工質獲得105K的製冷溫度。大大提高了脈管制冷機的製冷能力。
1986年，美國國家標準局（NIST）的Radebaugh 等對Mikulin 的方案作了進一步的改進，將小孔從脈管與熱端換熱器之間移到氣庫與熱端換熱器之間，並用可調針閥代替 節流孔板 ，採用氦氣作為工質，獲得了60K的無負荷製冷溫度。同年，Radebaugh在改進小孔型結構的同時即開展熱力學分析和實驗測試。他借鑑了間壁換熱式製冷系統中的焓流分析法,提出了相位理論。
1987年，Radebaugh的學生Peter提出了向量分析法，給出的製冷量表達式的計算結果與實驗結果定性上符合。
1989年，日本松原洋一等提出了脈管氣體對外做功分析法並提出雙活塞型調相方法；中國西安交通大學的的吳沛宜、提出了充放氣變工況熱力學分析法。同年，中國科學院理化技術所 （原稱低溫技術實驗中心）的周遠、梁驚濤採用單級小孔型結構獲得當時單級結構的最低溫度——49K的無負荷溫度。而受美國軍方及NASA支持的Northrop Grumman（原稱 TRW) 則採用兩級結構獲得26K的無負荷溫度。
1990年，肖家華等人在高頻下關於表面熱泵等研究基礎上提出了熱聲理論分析法。同年，Northrop Grumman開發出年開發完成出一款數百毫瓦級的微型制冷機產品 ，也即世界上首台投入實際套用的脈管制冷機。
蓬勃發展期（1990年-2000年）
1990年，西安交通大學吳沛宜、朱紹偉等在理論分析的基礎上提出了“雙向進氣”的方案,在回熱器進口端和脈管熱端之間增加一通道，使部分氣體不經過回熱器而直接從室溫端流入脈管。在西安交通大學採用氮氣為工質進行驗證,雙向進氣獲得了132 K的低溫，相對於小孔型降低41 K；而在中科院低溫中心採用氦氣為工質獲得了42K的低溫，相比小孔型降低了13 K。自此，雙向進氣成為脈管制冷機主要的兩種調相機構。
1993年，松原洋一提出來的四閥型。四閥型針對GM型，其中兩個閥門用於制冷機的配氣（從回熱器熱端流入）外，另兩個閥門用於脈管的調相。四閥型具有很強的調相能力，通過閥門的時序控制，可將脈管制冷機的相位。
1994 年，中國科學院理化技術所 （原稱低溫技術實驗中心）周遠等提出了多路旁通型脈管制冷機，也即從回熱器中部引出一股氣流旁通至脈管中部。同年，日本Kanao 等在研究一台微型的高頻（50~60 Hz）脈管制冷機時發現用一根尺寸合適的細管代替小孔閥可以提高制冷機的性能，並且比雙向進氣效果更優。
1996 年，巨永林在研究多路旁通進氣方式時發現多路旁通能在雙向進氣的基礎上使得最低溫度降低13 K。
在這一時期還有內調相型、運動塞子型等調相方式，都能不同程度地提高製冷性能。
深化發展期（2000年至今）
類 型
按驅動方式劃分
脈管制冷機根據驅動方式可分為GM型、斯特林型和熱聲驅動型。GM型利用有閥GM壓縮機提供低頻壓力波（1~2Hz）工作，是目前獲得4.2K以下低溫及在該溫區提供大製冷量的主要方法。斯特林型脈管制冷機通過無閥壓縮機提供高頻壓力波（30~60Hz），隨著板彈簧支撐、間隙密封和動圈式（或動磁式）線性壓縮等技術的發展，其壓縮機的電功轉換效率通常能達到80%以上。而熱聲驅動型則主要利用熱聲振蕩產生壓力波，驅動脈管工作，去除了脈管中最後一個運動部件，使裝置更為可靠和長壽命的運轉。
按布置方式劃分
按照布置方式可分為U型布置、直線型布置和同軸型布置。直線型布置比較簡單，氣流從回熱器流到脈管過程中，流動方向保持不變，因此從理論上講，直線型是最理想的布置方式。但將回熱器和脈管成直線連線後，使制冷機的軸向尺寸成倍增加，以致管路布置和真空容器的結構變得非常複雜。同軸型布置將中空的脈管同軸布置在回熱器中心，並與回熱器具有一個共同的壁面，即回熱器的內壁也就是脈管的外壁，把回熱器的斷面變成一個環形通道。這種布置的主要優點是結構緊湊，特別適用於對空間尺寸有特殊要求的場合。但是，氣流從環形回熱器流人脈管的過程中，要經過180“急轉彎，不僅流向改變，而且受到頗大的局部彎曲阻力，氣體的回流會產生比較大的損失。回熱器和脈管通過共同管壁的熱交換損失也是影響同軸型性能的重要原因之一。U型結構介於直線型和同軸型之間，其軸向尺寸幾乎只有直線型的一半，具有較好的緊湊性。由於流體從回熱器通過U型過渡管流到脈管，實現了平穩過渡，回流損失較同軸型來得小。
發展前景
由於脈管制冷機在70K-4K的經濟性。它可以廣泛的套用在需要超導環境的場合，如量子干涉儀降噪，冷卻MRI系統等。此外，還可以為液氦溫區4He J-T和3He J-T節流制冷機提供預冷，冷端無運動部件的脈管制冷技術以及完全無運動部件的高可靠性有其特有的優勢，但發展高頻脈管制冷技術，提高其效率是當務之急。
