CN102393096A - 一种带自动调节气体流量和相位装置的脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

一种带自动调节气体流量和相位装置的脉管制冷机，包含氦气压缩机（1）、配气阀（11）、驱动控制器（9）、驱动引线（10）、温度传感器、测温引线（8）、回热器、一级脉管（5）、二级脉管（6）、一级气库（14）以及二级气库（15），其特征是所述配气阀（11）由8个独立的第一阀门（21）、第二阀门（22）、第三阀门（23）、第四阀门（24）、第五阀门（25）、第六阀门（26）、第七阀门（27）和第八阀门（28）组成。本发明可根据制冷工况的变化，对进入回热器或脉管的气流量的大小和相位进行自动调节，从而调整制冷机的性能，使得制冷机处于最优化的工作状态，提高制冷机的效率和制冷温度的稳定性。

Description

一种带自动调节气体流量和相位装置的脉管制冷机

技术领域

本发明涉及一种带自动调节气体流量和相位装置的低温脉管制冷机，尤其是一种具有自动调节气体流量和相位的脉管制冷机。

背景技术

由于脉管制冷机冷指部分无运动部件，比传统的G-M制冷机和斯特林型制冷机更加可靠，冷指具有无磨损、低振动、低噪声等特点，在商业上具有广泛的应用价值。

脉管制冷机可以看做是用气体活塞代替固体活塞的G-M制冷机的变体，通过高压气体在脉管空腔中的绝热放气膨胀过程获得制冷效应。其工作过程可分为：

1)进气过程。进气阀门开启，高压气体通过阀门流经回热器、冷端回热器和导流器，以层流形式进入脉管，把管内的气体推向封闭端。气体受到挤压后，使脉管封闭端的气体温度达到最大值。

2)换热过程。布置在脉管封闭端的水冷却器将热量带走，使管内气体的温度降低到初始进入到回热器的气体温度。

3)排气过程。排气阀门打开，与低压起源连通，脉管内气体膨胀，产生制冷效应，气体降低到最低温度。

4)回热器过程。膨胀后的低压气体反向流过回热器，吸收填料中的热量，返回压缩机入口，完成一次循环。如图1所示。

气体在脉管内膨胀制冷的制冷量通用表达式可以表示为：

其制冷量的大小由到达脉管中压力p，流量

大小以及两者相位关系决定。在G-M型脉管制冷机中压力与流量的相位关系则可理解为气体压缩过程或膨胀过程相对时间的长度。

脉管制冷机冷端无运动部件，无法主动调整进入脉管内气体的流量大小和相位，要在深低温下获得理想的流量大小和相位关系，必须通过主动配气装置来完成，如图2所示的六阀门主动配气的双级脉管制冷机。

传统的配气阀门一般采用平面旋转阀，将阀门设计在一个运动装置上。平面旋转阀一旦设计加工完成，气体流通量大小以及阀门开闭时序就无法再改变，当工况变化引起制冷温度变化时，制冷机无法通过调节气体流量和相位来达到最佳运行参数。另外，在运行过程中，如果粉末进入管道内，如双向进气阀的孔道内，将会改变流量系数，从而改变制冷机内气体流量和相位大小，偏离原始设计的最佳运行参数。

由于脉管制冷机制冷温度易受环境温度变化、内部气体杂质、冷指方向等诸多因素影响，运行过程中易出现不稳定情况。所以，在制冷机运过程中需要根据这些变化因素各自调整进入回热器或脉管气体流量和相位，从而调整制冷机的性能，使得制冷机处于最优化的工作状态，提高制冷机的效率和制冷温度的稳定性。

发明内容

本发明的目的是针对现有脉管制冷机制性能易受到环境温度以及运行工况的影响，提出一种带自动调节气体流量和相位装置的脉管制冷机，能够根据制冷机工况发生变化，自动调节气体流量和相位，从而调整制冷机的性能，使得制冷机处于最优化的工作状态，提高制冷机的效率和制冷温度的稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种带有自动调节气体流量和相位装置的脉管制冷机，包含氦气压缩机、配气阀、驱动控制器、驱动引线、温度传感器、测温引线、回热器、一级脉管、二级脉管、一级气库以及二级气库，所述配气阀由8个独立的第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门和第八阀门组成，相互之间无影响，驱动控制器通过驱动引线将命令信号传递给上述8个独立的阀门，用以控制配气阀中8个独立的阀门的开闭大小和开闭时序；回热器出口分别接有第五阀门和第六阀门，第五阀门和第六阀门分别与氦气压缩机的高压气管和低压气管连接；一级脉管顶部出口分别接有第三阀门、第四阀门和第八阀门，第三阀门和第四阀门分别与氦气压缩机的高压气管和低压气管连接，二级脉管顶部出口分别连接有第一阀门、第二阀门和第七阀门，第一阀门阀门和第二阀门分别与高压气管和低压气管连接，一级脉管底部和二级脉管底部分别通过第二连管和第一连管与一级回热器底部和二级回热器底部连通。

所述的配气阀中的8个阀门的开闭时序和开启的大小受驱动控制器控制，驱动控制器通过驱动引线将控制信号分别传递给8个独立的第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门和第八阀门。

所述一级回热器和二级回热器底部上分别贴有第二温度传感器和第一温度传感器，第二温度传感器和第一温度传感器的温度信号输出端通过测温引线连接至驱动控制器的温度信号接收端，并根据温度信号进行调节阀门的开闭的时序和大小。

所述第七阀门独立连接在二级气库与二级脉管之间。

所述第八阀门独立连接在一级气库与一级脉管之间。

本发明的有益效果：

本发明的配气阀由8个独立的阀门组成，相互之间互不影响，驱动控制器可根据测试的制冷温度信号的变化独立调整每个阀门的开闭量大小和开闭时序，从而控制进、出回热器、一级脉管和二级脉管气量的大小和时序，实现在制冷机运行过程中气体相位和气量大小的时时调节，维持制冷机性能的稳定性，从而消除了传统平面旋转阀在主动配气功能上的局限性。

附图说明

图1是现有技术中基本型脉管制冷机循环过程温度分布图。

图2是现有技术中六阀门主动配气双级脉管制冷机。

图3是本发明的带有自动调节气体流量和相位装置的脉管制冷机示意图。

图4是本发明的制冷机阀门开闭的时序示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的说明

如图3～4所示。所述“底部”、“顶部”均按视图中方向。

一种带自动调节气体流量和相位装置的低温脉管制冷机，包含氦气压缩机1、配气阀11、驱动控制器9、驱动引线10、温度传感器、测温引线8、回热器、一级脉管5、二级脉管6、一级气库14以及二级气库15。

所述配气阀11由8个独立的第一阀门21、第二阀门22、第三阀门23、第四阀门24、第五阀门25、第六阀门26、第七阀门27和第八阀门28组成，相互之间无影响，驱动控制器9通过驱动引线10将命令信号传递给上述8个独立的阀门，用以控制配气阀11中8个独立的阀门的开闭大小和开闭时序；回热器出口分别接有第五阀门25和第六阀门26，第五阀门25和第六阀门26分别与氦气压缩机1的高压气管3和低压气管2连接；一级脉管5顶部出口分别接有第三阀门23、第四阀门24和第八阀门28，第三阀门23和第四阀门24分别与氦气压缩机1的高压气管3和低压气管2连接，二级脉管6顶部出口分别连接有第一阀门21、第二阀门22和第七阀门27，第一阀门21和第二阀门22分别与高压气管3和低压气管4连接，一级脉管5底部和二级脉管6底部分别通过第二连管19b和第一连管19a与一级回热器4a底部和二级回热器4b底部连通。

配气阀11中的8个阀门的开闭时序和开启的大小受驱动控制器9控制，驱动控制器9通过驱动引线10将控制信号分别传递给8个独立的第一阀门21、第二阀门22、第三阀门23、第四阀门24、第五阀门25、第六阀门26、第七阀门27和第八阀门28。

一级回热器4b和二级回热器4a底部上分别贴有第二温度传感器7b和第一温度传感器7a，第二温度传感器7b和第一温度传感器7a的温度信号输出端通过测温引线8连接至驱动控制器9的温度信号接收端，并根据温度信号进行调节阀门21～28的开闭的时序和大小。

第七阀门27独立连接在二级气库15与二级脉管6之间。

第八阀门28独立连接在一级气库14与一级脉管5之间。

具体实施时，一级回热器4b和二级回热器4a同轴连接，做成阶梯状。可同时将一级回热器4b、一级脉管5和二级脉管6顶部安装在法兰盘16上。

具体实施时，气体通过管道33在一级回热器4b顶部进出，管道33分成并联的两路，并且分别串联第五阀门25和第六阀门26，上述两个阀门分别与氦气压缩机1的高压气管3和低压气管2连通，控制着一级回热器4b顶部气体的进、出。一级脉管5底部和二级脉管6底部分别通过第二连管19b和第一连管19a与一级回热器(4a)和二级回热器底部4b连接，进出一级回热器4b的气体在一级回热器4b底部分成两部分，一部分气体通过第二连管19b可进出到一级脉管5，另外一部分气体进过二级回热器4a，再通过第一连管19a进出到二级脉管4a。

具体实施时，气体通过管道32在一级脉管5顶部进、出，管道32分成并联的3路，每路分别串联第三阀门23、第四阀门24和第八阀门28，第三阀门23、第四阀门24分别与氦气压缩机1的高压气管3和低压气管2连通；第八阀门28与一级气库14连通；二级脉管6顶部出口连接管道31，管道31分成并联的3路，每路分别串联第一阀门21、第二阀门22和第七阀门27，第一阀门21和第二阀门22分别与高压气管3和低压气管4连通，二级气库15与第一阀门27连通。

一级回热器4b和二级回热器4a底部分别贴有第二温度传感器7b和第一温度传感器7a可测试出一级制冷温度和二级制冷温度。

自动调节气体流量和相位装置包括：8个独立阀门——第一阀门21、第二阀门22、第三阀门23、第四阀门24、第五阀门25、第六阀门26、第七阀门27、第八阀门28、驱动控制器9、第一测温传感器7a、第二测温传感器7b和测温引线8。

由于第一阀门21、第二阀门22、第三阀门23、第四阀门24、第五阀门25、第六阀门26、第七阀门27和第八阀门28相互独立，进入回热器的气体流量大小和相位可以单独调节第五阀门25和第六阀门26；进入二级脉管6中气体流量的大小和相位可以单独调节第一阀门21、第二阀门22和第七阀门27；进入一级脉管5中气体流量的大小和相位可以单独调节第三阀门23、第四阀门24和第八阀门28。

当制冷机工况发生变化时，制冷温度将发生变化，根据这一变化信号，温度传感器7将温度变化信号传递给驱动控制器9，驱动控制器9将根据该温度信号的变化情况，对上述8个独立的阀门分别发出指令，调节上述8个独立阀门的开启量大小从而实现气量大小的控制；另外还可以改变上述8个独立阀门相对打开或关闭的的时间以调整气体进、出得相对时间，从而实现气体相位调节功能。

在应用中，驱动控制器9的输出命令信号可以根据事情要求设置为手动输出或者是自动输出。前者可事先设计出对应的开环控制箱或者面板，将8个独立阀门气量开闭大小和时序编制可调试的程序，在实验过程中手动调试；后者可根据实验所得变化规律将测试信号和控制信号编制成对应的程序输入到驱动控制器9中，对进入回热器或脉管的气流量的大小和相位进行自动调节，从而实现自动控制功能，使得制冷机始终处于最优化的工作状态，提高制冷机的效率和制冷温度的稳定性。

本发明适用于任何形式的需要周期性配气的低温制冷机，包括G-M制冷机、G-M型脉管制冷机和索尔文制冷机，当其用于G-M型脉管制冷机时，效果尤为显著。

Claims (4)

1.一种带自动调节气体流量和相位装置的低温脉管制冷机，包含氦气压缩机（1）、配气阀（11）、驱动控制器（9）、驱动引线（10）、温度传感器（7）、测温引线（8）、回热器（4）、一级脉管（5）、二级脉管（6）、一级气库（14）以及二级气库（15），其特征是所述的配气阀（11）由8个独立的第一阀门（21）、第二阀门（22）、第三阀门（23）、第四阀门（24）、第五阀门（25）、第六阀门（26）、第七阀门（27）和第八阀门（28）组成，驱动控制器（9）通过驱动引线（10）将命令信号传递给上述8个独立的阀门，用以控制配气阀（11）中上述8个阀门的开闭大小和开闭时序；回热器（4）出口分别接有第五阀门（25）和第六阀门（26），分别与氦气压缩机（1）的高压气管（3）和低压气管（2）连接；一级脉管（5）顶部出口分别接有第三阀门（23）、第四阀门（24）和第八阀门（28），第三阀门（23）和第四阀门（24）分别与氦气压缩机（1）的高压气管（3）和低压气管（2）连接；二级脉管（6）顶部出口分别接有第一阀门（21）、第二阀门（22）和第七阀门（27），第一阀门（21）和第二阀门（22）分别与高压气管（3）和低压气管（4）连接；一级脉管（5）底部和二级脉管（6）底部分别通过第二连管（19b）和第一连管（19a）与一级回热器（4a）底部和二级回热器底部（4b）底部连通。

2.根据权利要求1所述的一种带自动调节气体流量和相位装置的低温脉管制冷机，其特征是所述的一级回热器（4b）和二级回热器（4a）底部上分别贴有第二温度传感器（7b）和第一温度传感器（7a），第二温度传感器（7b）和第一温度传感器（7a）的温度信号输出端通过测温引线（8）连接至驱动控制器（9）的温度信号接收端。

3.根据权利要求1所述的一种带自动调节气体流量和相位装置的低温脉管制冷机，其特征是所述第七阀门（27）独立连接在二级气库（15）与二级脉管（6）之间。

4.根据权利要求1所述的一种带自动调节气体流量和相位装置的低温脉管制冷机，其特征是所述第八阀门（28）独立连接在一级气库（14）与一级脉管（5）之间。

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