CN100350200C - 脉冲管制冷系统 - Google Patents

Abstract

一种具有脉冲发生器(1)、再生器(52)和脉冲管(10)的脉冲管制冷系统，其包括位于脉冲发生器和再生器之间的功传输管(3)，其中功传输管在接近该脉冲发生器的端部的截面积不同于接近该再生器端部的截面积，由于功传输管内的流动而使热传递降低。

Description

脉冲管制冷系统

技术领域

本发明涉及一种脉冲管制冷系统。

背景技术

当前在制冷领域的一个重要进步就是脉冲管系统，其中该系统利用脉动气体将脉冲能量转变为制冷能量。在上述的脉冲管系统内，脉冲被提供给做功气体，然后该做功气体在再生器内被冷却。该被冷却的脉动气体在脉冲管的冷端膨胀，结果得到的该制冷能量用于冷却、液化、过冷和/或稠化流体产物。然后该脉动气体为下一个脉冲循环冷却该再生器。

脉冲管技术主要用于极低的温度下的小量制冷。脉冲管制冷系统在小制冷能量需求设备中具有许多引人注目的特点。上述引人注目的特点为无低温活动部件、低维护以及相应的高可靠性、容易制造、无振动和低成本。其中的大部分特点对于扩大到工业规模场合同样也是强劲推动因素。然而一个阻碍脉冲管制冷系统大规模应用的原因就是产生制冷能量需要相对高的功率要求。

因此，本发明的目的就是提供一种脉冲管制冷设备，该制冷设备用于产生制冷的单位功率可比在此以前已有脉冲管系统更少。

发明内容

在阅悉本申请文件的公开内容后，对本领域技术人员来说显而易见的是，借助本发明可实现上述及其它目的，本发明为：

一种脉冲管制冷设备，其包括：

(A)脉冲发生器1；

(B)功传输管3，其具有用于接收来自该脉冲发生器的脉冲的接收端50和与再生器52流动连通的分配端51，所述接收端的截面积不同于该分配端的截面积，其中所述功传输管连续地从所述接收端至分配端成锥形；

(C)与该再生器流动连通的脉冲管10；和

(D)布置在该再生器和该脉冲管之间的低温热交换器4。

在这里使用的术语“脉冲”和“压力波”表示引起大量的气体以循环的方式按照高低压力级顺序通过的能量。

在这里使用的术语“孔”表示气流限制装置，其位于脉冲管的热端和储存器之间。

在这里使用的术语“再生器”表示一热力装置，该装置呈多孔分散块状，形式，比如球形、堆筛、穿孔金属板等等，并具有良好的热容，以通过带有该多孔分散块状结构的直接热交换器来对进入的热气体冷却并对返回的冷气加热。

在这里使用的术语“间接热交换”表示在没有任何物理接触或者使流体彼此混合情况下使流体形成热交换关系。

在这里使用的术语“直接热交换”表示通过冷和热实物的接触而进行的制冷传递。

在这里使用的术语“功传输管”表示这样一种管，其中脉冲或压力波以绝热方式传输。

附图说明

图1为本发明脉冲管制冷设备的一个优选实施例的截面图。

图2为一个修正实例结果的图像，其中示出了在不同制冷水平下该功传输管的锥角与相位移之间的相互关系。

具体实施方式

本发明采用功传输管，该功传输管位于脉冲管系统的该脉冲发生器和该再生器之间。通过利用该功传输管能够比相同的脉冲管和驱动系统生产更多的制冷。功传输管的主要问题就是流动(streaming)，由于二次流，功传输管的流动就是热端到冷端的传热。本发明通过采用功传输管来解决流动问题，该功传输管有紧挨着该脉冲发生器的接收端，该接收端的截面积不同于该功传输管的分配端，该分配端与该再生器前后紧接。也就是说，该功传输管为锥形。优先地，该功传输管的锥形从该接收端的边缘到该分配端的边缘是连续的。在本发明的实施中，该功传输管为这样的锥形，即，根据该制冷产物的相位角和该温度水平，该接收端可以比连接到该再生器的分配端大或相反。

将对照图1详述本发明，其中图1为本发明的一个实施例。该功传输管的接收端截面积大于该的功传输管分配端截面积。在图1中，如图所示具有一脉冲发生器1，该发生器向功传输管3的接收端50的做功气体提供脉冲或压力波。如图1所示的本发明实施例的脉冲发生器是一活塞。把该脉冲施加到本功传输管的另外优选方法为使用热声驱动器，该驱动器将声能施加到该功传输管内的做功气体上。施加该脉冲的又一方法是利用线性电动机/压缩机装置。施加该脉冲的再一方式是利用喇叭。施加脉冲的另一优选方法为利用行波发动机。脉冲在该功传输管3的热端或接收端50对形成热压缩气体的做功气体压缩。该做功气体通过与热交换器2内的热传送流体33之间进行间接热交换而被冷却，结果是加热了流道34中的热传输流体并为通过该功传输管3的剩余部分产生环境温度压缩做功气体。实际上，本发明可用于热传输流体33、34的流体实例包括水、空气、乙二醇等等。

功传输管3为空心或者中空的管，在其中压力-体积(PV)功在没有显著损失情况下从一个温度级传递到一较低温度级。该功传输管内的该做功气体最好是氦，然而其他的气体或气体混合物也可以使用，比如氮、氩、氖和包括一个或多个这些气体的混合物。在图1所示的发明实施例中，功传输管3的接收端或热端50的截面积大于功传输管3分配端或冷端51的截面积。该功传输管的接收端到它的分配端为锥形。如同图1所示，优选地，从该接收端到该分配端的锥形是连续的。该脉冲管接收端和分配端之间的锥角为25度或更小，通常为1到10度，不过这也可能是一负角，这取决于该制冷要求的该相位角和温度水平。

在本发明的实施例中，其中该功传输管的接收端的截面积大于其分配端的截面积，该接收端的直径与该功传输管中点直径的比值在1.01到2.0的范围之内，并且该分配端的直径与该功传输管中点直径的比值在0.2到0.99的范围之内。

图1所示的本发明实施例是一特别优选实施例，其中在该功传输管3的分配端51安装有预冷器8。该预冷器通过与预冷流体进行间接热交换来冷却做功气体，所述预冷流体设置在管27内预冷器8且从管28中的预冷器8排出。供给到预冷器8的预冷流体优选液氮。实际上，本发明中该预冷流体也可以使用其他的流体，这些流体包括如氩、空气、氖和氦。

该锥形功传输管，最好是预冷锥形功传输管，能够减少本系统内的压降并且在降低总能量要求下使制冷生产最优化，其中该能量例如为在该系统与制冷剂应用中的PV能量。预冷不是必须在该锥形功传输管的分配端，但是可以在该功传输管内部的一个或多个位置。此外，预冷可以同时在该功传输管的分配端和该功传输管内部的一个或多个位置。在在本发明的优选实施例中，来自预冷器8的预冷流体28引导成这样，即依靠布置在功传输管内部的一个或多个中间热交换器或依靠一沿该功传输管壁面纵向布置的壁面热交换器，来对该功传输管内部的做功气体进行冷却。此外，预冷可以由一不同的制冷装置通过传导连接提供。

然后，该预冷脉冲做功气体被提供到再生器52，该再生器与功传输管3的分配端51流通，并且与冷传热介质进行直接热交换而进一步冷却，以形成热的传热介质和做功气体进一步冷却的做功气体。

低温热交换器4布置在彼此流体连通的再生器52和脉冲管10之间，其中该流体连通包括低温热交换器4。在图1所示的该实施例中，该低温热交换器位于容纳该再生器的壳体内。还可以位于容纳该脉冲管的壳体内或在这些元件之间。该进一步冷却的做功气体在该再生器52和该脉冲管10的冷端53之间发出脉冲或振荡。该做功气体在冷端53膨胀，从而形成制冷并沿脉冲管10热端54方向压缩脉冲管10内的该做功气体。通过对进一步冷却的做功气体进行膨胀形成的制冷做功气体集中在低温热交换器4中，并由间接热交换提供到一过程流体，该过程流体设置在管42内的低温热交换器4中并在管43中以冷却即制冷状态排出。过程流体可能利用本发明来冷却，其可能是需要制冷的任何化学过程流体，同时也可以是一热传导流体，该流体依次把该制冷传递到有用处。

冷却流体35流入热交换器5，其中热交换器5通过与该脉冲管做功气体进行间接热交换而被加热或蒸发，从而充当一散热器用来冷却脉冲管做功气体。形成的加热或蒸发的冷却流体从热交换器5经流道37排出。冷却流体35优选水、空气、乙二醇等等。

与该脉冲管10热端相接的是一具有通向储存器7的孔6的管路。该脉冲管做功气体的压力波与该脉冲管体的热端壁接触，并且在该脉冲管顺序的第二阶段返回。孔6和储存器7用于保持压力并且使波在适宜相位流动，以便该脉冲管在该脉冲管10的冷端膨胀和压缩循环期间形成纯制冷。可用于把压力和流动波保持在可用于本发明实践中相位的其他方式包括惯性管和孔、膨胀器、振荡器、波纹管结构以及具有质量流量阻尼器的功回收装置。在该膨胀程序中，通过该脉冲管做功气体膨胀，使其在该脉冲管脉冲管10的冷端53产生低温脉冲管做功气体。该膨胀气体倒转它的方向从而从脉冲管10流向再生器52。

从该脉冲管出现的该脉冲管做功气体流到再生器52，在那里该脉冲管做功气体与该再生器内的传热介质直接接触，产生上述的低温传热介质，从而完成该脉冲管制冷程序的第二阶段并且使该再生器置于随后的脉冲管制冷程序的初相状态。

在本发明的实施中，该脉冲管10仅仅包含用于传输该压能的气体，其从该冷端的膨胀脉冲管做功气体传递，用于对该脉冲管热端的该脉冲管做功气体进行加热。也就是说，脉冲管10不包含运动部件。该脉冲管的运行没有运动部件是本发明的突出优点。该脉冲管可能有一锥形，用于帮助调节压力和流量波之间适宜的相位角。另外，该脉冲管可能具有被动式置换器，其用于帮助该脉冲管端部的分离。此外，该脉冲管可能在其热端和该压力波管路之间有一连接管，用于回收无效功，替换该孔和带有一质量流量阻尼器的储存器，该阻尼器例如为波纹管结构。此外，在本发明优选实践中，整流栅位于该功传输管的两端以及该脉冲管的两端，用于向功传输管提供等速流分布的气体和防止该脉冲管内气体喷射。

由该振荡过程驱动的流动是稳定的对流。流动完全取决于该锥角、气体速度和气体压力的幅度以及在气体速度和气体压力之间的相角。其与1/T和该功传输管两端之间的温度差成正比例，并且与声波幅度的平方成正比。在其向上运动期间，一部分接近于该管壁的气体将比在向下运动期间更远离该壁，这是由于在边界层该气体的压缩性和该脉波和压力之间的状态造成的。该部分气体在它的向上运动期间与向下运动期间是不同的，从而该部分在一完全循环或振荡之后将不会回到它的原始的起动位置。靠近该管壁的这种作用引起一抛物线速度偏移量分布结构，其中靠近该壁的气体速度等于仅仅该贯入深度外面的该漂移速度和该功传输管中心的速度，这由沿该管的该净重流量必是零的要求所决定。该抛物线流动通过该管对流传热。在该管的中心向下移动的气体比环绕它向上移动的气体要热，因此热量向下传递到该冷端。

通过在该功传输管内引入最佳锥角，可实质上消除流动。靠近该壁只有小的流动并在该管区域部分内只有一相对小的偏移量流动。这样实质上不带有热量。这里唯一要考虑的重要影响就是该温度对粘性的影响，在气体向上运动中，温度比邻接该壁的气体向下运动中要低。

功传输管内成功传输功的关键参数是控制该内部流动。调节压力和流量状态将允许把流动控制在一轴向位置，从而具有零流动速度。该功传输管另一端流动通过采用锥形管结构控制。

用于该功传输管的锥角可以通过以下相互关系决定：

$\tan (\mathrm{\Φ}/2)=(7.4\cos \mathrm{\θ}+6.3\sin \mathrm{\θ})\frac{R^{3}f\left|P_1\right|}{P_m\left|U_m\right|}+0.029\frac{\mathrm{Rd}{T}_m}{T_m\mathrm{dx}}$

其中

Φ＝功传输管锥角，度

θ＝相移，度

R＝内半径，米

f＝频率，赫兹

|P₁|＝波动压力的幅度，Pa

P_m＝平均压力，Pa

|U_m|＝体积速度的幅度，立方米/秒

T_m＝绝对温度，K

x＝径向距离，米

对于该锥形工件传输管的长度L和在该长度中点的直径D，具有单一统一的锥形，该大端直径和小端直径，D_大和D_小，由下面公式给出：

D_大＝D+LtanΦ

D_小＝D-LtanΦ

例如，脉管制冷器使用氦作为该做功气体，其中该制冷器有内半径为0.05米、体积速度为0.2米/秒、平均压力为3.1×10⁶Pa以及环境温度为300K的功传输管，其结果关系显示于图2中。通常，功传输管的锥角从在负相位角的较小负值增加到在大约50度相位角的三到四度的最大正角。50、100和200K制冷级的相互关系给出，由于温度减低而该锥角稍微地增大。

该PV功率和附加的制冷液氮的相对成本将决定最经济的工作点。到达给定点，通过利用高水平制冷(液氮)代替该脉冲管(PV功)的较低温度制冷，使其有可能测定最好的运行条件。

表格1以栏B示出与图1所示系统类似系统的本发明计算得出的运行结果，相比之下的传统系统中，如A栏所示，在脉冲发生器和再生器之间没有锥形功传输管。该过程流体是氖气并且该系统在30K产生500瓦的制冷使该氖气液化。同样地可以看出，在这一情况下，能够以传统系统需要的大约一半能量，使该氖气液化。

表1

	A	B
			PV功(kW)液氮消耗(kW)总能量(kW)	15.61.116.7	4.14.88.9

虽然本发明已经参照特定的优选实施例进行详细描写，但是本专业技术人员将理解的是，在权利要求书的精神和范围内，还有其它实施例。

Claims (9)

1.一种脉冲管制冷设备，其包括：

(A)脉冲发生器(1)；

(B)功传输管(3)，其具有用于接收来自该脉冲发生器的脉冲的接收端(50)和与再生器(52)流动连通的分配端(51)，所述接收端的截面积不同于该分配端的截面积，其中所述功传输管连续地从所述接收端至分配端成锥形；

(C)与该再生器流动连通的脉冲管(10)；和

(D)布置在该再生器和该脉冲管之间的低温热交换器(4)。

2.如权利要求1所述的脉冲管制冷设备，其特征在于，该功传输管的锥形角度在1到25度范围内。

3.如权利要求1所述的脉冲管制冷设备，其特征在于，还包括位于该功传输管的分配端的预冷器。

4.如权利要求3所述的脉冲管制冷设备，其特征在于，还包括向该预冷器供应液氮的装置。

5.如权利要求1所述的脉冲管制冷设备，其特征在于，该接收端的截面积大于该分配端的截面积。

6.如权利要求5所述的脉冲管制冷设备，其特征在于，该接收端的直径与该功传输管中点直径的比值在1.01到2.0的范围之内。

7.如权利要求5所述的脉冲管制冷设备，其特征在于，该分配端的直径与该功传输管中点直径的比值在0.2到0.99的范围之内。

8.如权利要求1所述的脉冲管制冷设备，其特征在于，该脉冲发生器包括一活塞。

9.如权利要求1所述的脉冲管制冷设备，其特征在于，该低温热交换器位于容纳该再生器的壳体内。

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