CN100398939C

CN100398939C - 一种换热器型绝热放气膨胀制冷机

Info

Publication number: CN100398939C
Application number: CNB031214215A
Authority: CN
Inventors: 龚领会; 张亮; 陆文海; 李来风
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: CN1534256A

Abstract

本发明涉及一种换热器型绝热放气膨胀制冷机，它包括一真空绝热容器和位于真空绝热容器中的可逆间壁式紧凑换热器、冷头换热器、气缸或两个脉冲管，所述的紧凑换热器中包括一高压气体流道和一低压气体流道，其特征在于，还包括一位于真空绝热容器中的低温配气阀，所述低温配气阀包括一位于真空绝热容器外的驱动电机、用于低温条件下的旋转阀芯和旋转阀座；所述的可逆间壁式紧凑换热器的两个流道分别和低温配气阀的两个通气孔连通，低温配气阀的另外两个相应的通气孔分别通过冷头换热器的两个流道连通气缸或脉冲管的两个膨胀腔。本发明采用紧凑换热器取代回热器，并结合使用低温配气阀，实现了不间断制冷，大大提高了制冷机的性能，结构简单。

Description

一种换热器型绝热放气膨胀制冷机

技术领域

本发明涉及制冷与低温技术领域，特别涉及一种换热器型绝热放气膨胀制冷机。

背景技术

普通换热器型绝热放气膨胀制冷机都采用了回热器(或蓄冷器)作为冷、热气流的换热器件，在回热器(或蓄冷器)中换热的冷热流体虽然是同中流体，但由于冷热流体的压力不同(如通常低温制冷机中冷流体压力为0.4～0.8MPa，热流体压力为1.8～2.5MPa)，会产生压缩热损失和自由膨胀损失，降低了换热效率，导致制冷机的制冷性能下降；同时，由于回热器(或蓄冷器)的换热过程是间歇式，所以要求蓄冷填料必须具备很大的容积比热，而几乎所有的材料都随温度的降低其容积比热会很快减小，不仅导致制冷机成本的提高，而且使进一步提高制冷机的性能受到限制。

发明内容

本发明的目的在于：克服普通换热器型绝热放气膨胀制冷机制冷性能上的限制，从而提供一种换热器型绝热放气膨胀制冷机。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供的一种换热器型绝热放气膨胀制冷机，包括一真空绝热容器和位于真空绝热容器中设置的可逆间壁式紧凑换热器、冷头换热器、气缸或两个脉冲管，所述的可逆间壁式紧凑换热器中包括一高压气体流道和一低压气体流道，其特征在于，还包括一位于真空绝热容器中的低温配气阀，该低温配气阀包括一位于真空绝热容器外的驱动电机、用于低温条件下的旋转阀芯和旋转阀座，驱动电机通过一旋转阀杆固定连接在旋转阀芯上，所述的旋转阀座上开有通气孔，该旋转阀芯上开有配气槽，配气槽的长度小于相邻两个通气孔的间隙，旋转阀座与旋转阀芯包裹在旋转阀外壳中，旋转阀杆外套有旋转阀杆套；所述的可逆间壁式紧凑换热器的两个流道分别和低温配气阀的两个通气孔连通，低温配气阀的另外两个相应的通气孔分别通过冷头换热器的两个流道连通气缸或脉冲管的两个膨胀腔。

所述的换热器型绝热放气膨胀制冷机的结构采并排方式、同轴方式、U型或直线型方式。

所述的可逆间壁式换热器为金属丝网型可逆间壁式换热器，该换热器包括设置在绝热外壳内的一低热导率的外套管和嵌套在外套管之中的内套管，所述内套管内填有片状传热件，内套管和外套管之间套有环状传热件，所述的传热件均由10片以上高热导率的金属丝网紧压后烧结而成。

所述的换热器型绝热放气膨胀制冷机采双级或多级制冷方式。

所述的气缸的活塞连杆上还设置有一阻尼机构。

所述的两个脉冲管的膨胀腔之间还设置一内调相阀。

本发明的优点在于：本发明一种换热器型绝热放气膨胀制冷机采用可逆间壁式换热器取代回热器(或蓄冷器)、并结合低温配气阀实现制冷，只要低温配气阀配气角度合理，换热器传热面积足够大、流阻较小，制冷机即可达到很低的制冷温度(甚至达到液氦温度)和大的制冷量，而无需依赖在低温下具有高比热的蓄冷材料，使制冷机性能大大提高，同时降低了制冷机结构的复杂性、加工难度和制造成本，提高了制冷机的可靠性和寿命。

本发明的目的、特征及优点将通过优选的实施例结合附图加以说明。

图面说明

图1是单移动阻尼活塞方式的换热器型绝热放气膨胀制冷机的结构示意图

图2是单移动同轴布置方式的换热器型绝热放气膨胀制冷机的结构示意图

图3是双移动活塞方式的换热器型绝热放气膨胀制冷机的结构示意图

图4是双脉冲管内调相方式的换热器型绝热放气膨胀制冷机的结构示意图

图5是用于换热器型绝热放气膨胀制冷机中的低温配气阀的结构示意图

附图标示

1、高压气体流道 2、低压气体流道 3、可逆间壁式紧凑换热器

4、低温配气阀 5、第一流道 6、第二流道

7、冷头换热器 8、真空绝热容器 9、第一膨胀腔

10、移动活塞 11、第二膨胀腔 12、移动活塞连杆

13、阻尼活塞 14、阻尼小孔 15、阻尼腔

17、第一脉冲管 18、第二脉冲管 19、内调相阀

20、电机 21、阻尼压力调节阀 22、旋转阀杆

23、气缸 24、旋转阀芯 25、旋转阀座

26、旋转阀外壳 27、旋转阀杆套 28、配气槽

29、通气孔

具体实施方式

参照附图，将详细叙述本发明的具体实施方案及其工作原理。

首先，介绍一下低温配气阀，如图5所示，该低温配气阀包括一位于真空绝热容器外的电机20、用于低温条件下的旋转阀芯24和旋转阀座25，电机20通过一旋转阀杆22固定连接在旋转阀芯24上，该旋转阀芯24上开有配气槽28，所述的旋转阀座25上开有通气孔29，配气槽28的长度小于相邻两个通气孔29的间隙，旋转阀座25与旋转阀芯24包裹在旋转阀外壳26中，旋转阀杆22外套有旋转阀杆套27；所述的电机20外有一驱动电机罩，电机20和旋转阀杆22的连接处安装有预紧弹簧，旋转阀杆22与电机轴之间采用松弛接用，并设置弹簧来提供沿阀杆向下传递的对阀芯的预压力，以保证阀芯与阀座间良好的密封。

实施例1

制作一单移动阻尼活塞方式的换热器型换热器型绝热放气膨胀制冷机，如图1所示，从压缩机来的高压气体送入真空绝热容器8中的可逆间壁式紧凑换热器3经高压气体流道1预冷后，进入低温配气阀4；

低温配气阀4通过驱动电机20切换低温配气阀4的旋转阀芯，使高压气体流道1通过冷头换热器7中的第一流道5与气缸23的第一膨胀腔9接通、低压气体流道2通过冷头换热器7中的第二流道6和气缸23的第二膨胀腔11接通，则高压气体经第一流道5进入第一膨胀腔9中，移动活塞10在高压气体的压力作用下，向另一个第二膨胀腔11移动，第一膨胀腔9的容积增大，完成第一膨胀腔9的充气升压和进气过程，同时，第一膨胀腔11的容积减小，完成放气、膨胀和制冷；

然后，再切换低温配气阀4使第一膨胀腔9与低压气体流道2接通、第二膨胀腔11将与高压气体流道1接通，则第膨胀腔9开始放气膨胀和制冷，同时，第二膨胀腔11开始进气。

最后，第一膨胀腔9中膨胀制冷后的低压低温气体经冷头换热器7取冷后，再经过低温配气阀4进入可逆间壁式紧凑换热器3中复温，回到压缩机中。在压缩机中再次被压缩成高压气体，如此循环往复，可完成连续制冷过程，并实现深低温区制冷。

在本实施例中，采用了单移动活塞来实现一个周期内的两次膨胀制冷，同时，为了控制移动活塞10的运动，减小移动活塞10在上下止点处对气缸23的冲击和振动，通过移动活塞连杆12在室温处设置一阻尼机构，当移动活塞10向上止点运动时，推动阻尼活塞13将阻尼气缸23内的气体经阻尼小孔14流向阻尼腔15(阻尼腔15内的压力可通过阻尼压力调节阀21来调节)，由于阻尼小孔14的阻力耗散，使移动活塞10向上的运动动能被部分转化为热能，从而，阻止或减小了移动活塞10对气缸23的冲击，减小了制冷机的振动。该方案振动小、运动平稳、工作寿命长；但结构较为复杂。本发明的制冷机可采双级或多级方式。

实施例2

制作一单移动活塞同轴布置方式的换热器型换热器型绝热放气膨胀制冷机，如图2所示，从压缩机来的高压气体经过可逆间壁式紧凑换热器3中的高压气体流道1预冷后，进入低温配气阀4；

低温配气阀4通过驱动电机20切换低温配气阀4的旋转阀芯，使高压气体流道1通过冷头换热器7中的第一流道5与气缸23的第一膨胀腔9接通、低压气体流道2通过冷头换热器7中的第二流道6和气缸23的第二膨胀腔11接通，则高压气体经第一流道5进入第一膨胀腔9中，移动活塞10在高压气体的压力作用下，向另一个膨胀腔11移动，第一膨胀腔9的容积增大，完成第膨胀腔9的充气升压和进气过程，同时，第二膨胀腔11的容积减小，完成放气、膨胀和制冷；

然后，再切换低温配气阀4使第一膨胀腔9与低压气体流道2接通、第二膨胀腔11将与高压气体流道1接通，则第一膨胀腔9开始放气膨胀和制冷，同时，第一膨胀腔11开始进气。

最后，第一膨胀腔A9中膨胀制冷后的低压低温气体经冷头换热器7取冷后，再经过低温配气阀4进入可逆间壁式紧凑换热器3中复温，回到压缩机中。在压缩机中再次被压缩成高压气体，如此循环往复，可完成连续制冷过程，并实现深低温区制冷。

在本实施例中，为了使制冷机结构简单、紧凑，去掉了实施例1中的阻尼机构，并将气缸23同轴布置于低温配气阀4的下方，阻尼方式可通过采用低温配气阀4的提前配气角度差来实现。因此，此方案结构简单紧凑。

实施例3

制作一双移动活塞方式的换热器型换热器型绝热放气膨胀制冷机，如图3所示，从压缩机来的高压气体经过可逆间壁式紧凑换热器3中的高压气体流道1预冷后，进入低温配气阀4；

低温配气阀4通过驱动电机20带动旋转阀杆22切换低温配气阀4的旋转阀芯，使高压气体流道1通过冷头换热器7中的第一流道5与气缸23的第一膨胀腔9接通、低压气体流道2通过冷头换热器7中的第二流道6和气缸23的第二膨胀腔11接通，则高压气体经第一流道5进入第一膨胀腔9中，移动活塞10在高压气体的压力作用下，向另一个膨胀腔11移动，第一膨胀腔9的容积增大，完成第一膨胀腔9的充气升压和进气过程，同时，第二膨胀腔11的容积减小，完成放气、膨胀和制冷；

然后，再切换低温配气阀4使第一膨胀腔9与低压气体流道2接通、第二膨胀腔11将与高压气体流道1接通，则第一膨胀腔A9开始放气膨胀和制冷，同时，第二膨胀腔11开始进气。

在本实施例中，采用了双移动活塞来实现一个周期内的两次膨胀制冷，在两个气缸23的室温端通过内调相阀19连通，通过内调相阀19的开度调节，来改善移动活塞对气缸23的冲击和振动，通过阻尼压力调节阀21，调整两个室温腔内的压力，这样就可非常方便的在制冷机工作期间调节阻尼效果，使制冷机的运转达到最佳状况。

实施例4

制作一双脉冲管内调相方式的换热器型换热器型绝热放气膨胀制冷机，如图4所示，从压缩机来的高压气体经过可逆间壁式紧凑换热器3中的高压流道预冷后，进入低温配气阀4；

旋转阀驱动电机20带动低温配气阀4的阀芯，切换低温配气阀4使高压流道1与第一脉冲管17的流道5接通、低压流道2和第二脉冲管18的流道6接通，则高压气体经流道5和冷头换热器7进入第一脉冲管17中，进行充气过程，这时，第二脉冲管18进行排气过程，第二脉冲管18通过内调相阀19充当了第一脉冲管17的气库，第一脉冲管17成为小孔气库，并完成脉冲管制冷。

然后，切换低温配气阀4使第一脉冲管17与低压流道2接通、第二脉冲管18将与高压流道1接通，则第一脉冲管17开始放气膨胀和制冷，同时，第二脉冲管18开始进气，这时，第一脉冲管17通过内调相阀19充当了第二脉冲管18的气库，第二脉冲管18也成为小孔气库，并完成脉冲管制冷。

最后，第一脉冲管17中膨胀制冷后的低压低温气体经冷头换热器7取冷后，再经过低温配气阀4进入可逆间壁式紧凑换热器3中复温，回到压缩机中。在压缩机中再次被压缩成高压气体，如此循环往复，可完成连续制冷过程，并实现深低温区制冷。

在本实施例中，采用双脉冲管来实现一个周期内的两次膨胀制冷，两脉冲管的热端通过内调相阀19连接在一起，由于两脉冲管的工作正好反相，所以可互为气库，再通过调节内调相阀19的小孔开度来实现两脉冲管的内调相；因此，该方案振动小、调节方便、制造简单。

Claims

1.一种换热器型绝热放气膨胀制冷机，包括一真空绝热容器和位于真空绝热容器中的可逆间壁式紧凑换热器、气缸或两个脉冲管和附着在气缸或两个脉冲管上的冷头换热器，该冷头换热器的两个流道分别连通气缸或脉冲管的两个膨胀腔，所述的可逆间壁式紧凑换热器中包括一高压气体流道和一低压气体流道，其特征在于，还包括一位于真空绝热容器中的低温配气阀，该低温配气阀包括一位于真空绝热容器外的驱动电机、用于低温条件下的旋转阀芯和旋转阀座，驱动电机通过一旋转阀杆固定连接在旋转阀芯上，所述的旋转阀座上开有通气孔，该旋转阀芯上开有配气槽，配气槽的长度小于相邻两个通气孔的间隙，旋转阀座与旋转阀芯包裹在旋转阀外壳中，旋转阀杆外套有旋转阀杆套；所述的可逆间壁式紧凑换热器的两个流道分别和低温配气阀的两个通气孔连通，旋转阀座的另外两个相应的通气孔分别连通冷头换热器的两个流道。

2.按权利要求1所述的一种换热器型绝热放气膨胀制冷机，其特征在于，所述的绝热放气膨胀制冷机的采用并排方式、同轴方式、U型或直线型方式布置。

3.按权利要求1所述的一利换热器型绝热放气膨胀制冷机，其特征在于，所述的可逆间壁式换热器为金属丝网型可逆间壁式换热器，该换热器包括设置在绝热外壳内的一低热导率的外套管和嵌套在外套管之中的内套管，所述内套管内填有片状传热件，内套管和外套管之间套有环状传热件，所述的传热件均由10片以上高热导率的金属丝网紧压后烧结而成。

4.按权利要求1所述的一种换热器型绝热放气膨胀制冷机，其特征在于，所述的绝热放气膨胀制冷机采双级或多级制冷方式。

5.按权利要求1所述的一种换热器型绝热放气膨胀制冷机，其特征在于，所述的气缸的活塞连杆上还设置有一阻尼机构。

6.按权利要求1所述的一种换热器型绝热放气膨胀制冷机，其特征在于，所述的两个脉冲管的膨胀腔之间还设置一内调相阀。