CN103808056A - 回收声功的脉管和j-t节流复合型低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，包括脉管制冷单元和J-T节流制冷单元，所述脉管制冷单元包括脉管，该脉管内设有与所述脉管内壁滑动且密封配合的活塞，该活塞将脉管内部空间分隔为两部分，分别为压缩腔和脉冲腔；所述J-T节流制冷单元包括压缩机以及与压缩机高压出口连通的高压侧管路，该压缩机高压出口和高压测管路入口，通过一带有进排气阀组的管路与所述压缩腔单向连通。本发明回收脉管热端声功用于提高J-T节流制冷单元的高压压力，相比现有技术，其整机具备更紧凑的结构，更合理的能量利用和更高的整机制冷性能。

Description

回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机

技术领域

本发明涉及一种低温制冷系统，具体是涉及一种回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机。

背景技术

回热式低温制冷技术以斯特林制冷机、G-M制冷机和脉管制冷机为代表，利用气体工质在转变温度以上，压力相对较低时所表现的理想气体性质能够在15K以上温区获得较高的制冷性能，且已成熟应用于地面甚至空间等低温制冷领域。J-T节流利用了气体工质在转变温度以下、压力相对较高时所表现的非理想气体性质得到较高效的制冷效果。因此采用回热式低温制冷机用于预冷J-T节流制冷机，并同时采用氦气作为工质的复合型低温制冷技术，能够实现在15K以下温区，特别是液氦温区的高效制冷。

在空间应用和其他一些体积重量和可靠性要求极高的场合，单位体积（质量）的制冷量和使用寿命成为了选用制冷机的限制条件。在这些苛刻的要求下，采用线性压缩机驱动的斯特林制冷机和斯特林型脉管制冷机与J-T节流制冷机组成的复合型低温制冷机已成为主流技术。

线性压缩机驱动的斯特林制冷机虽可通过高精度的设计制造，获得较长的使用寿命，且其理想制冷COP为卡诺制冷COP，但其存在的冷端运动部件仍是不可靠因素，两级排出器结构复杂，设计加工成本巨大，并且排出器电机和消除振动的装置占制冷机总体积和总重量的比重相当可观。

脉管制冷机结构简单，与J-T节流制冷机组成的复合型制冷系统中只有压缩机和脉管压缩机为运动部件，无冷端运动部件，设计加工相对简单，可靠性容易保证。其缺点是，理想制冷COP为T_C/T_H，小于斯特林制冷机理想制冷COP=T_C/(T_H-T_C)。

目前针对脉管制冷机改进的报道较多，例如申请公布号为CN103216966A的专利文献公开了一种自由活塞式脉管制冷机，包括至少一个制冷单元，所述制冷单元包括依次连接的压缩装置、回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器，所述脉管内置有一个自由活塞系统，所述自由活塞系统包括自由活塞和弹簧，所述自由活塞与脉管间隙配合并通过弹簧与脉管热端换热器相连。上述技术方案在脉管内放置一个自由活塞系统，在脉管中的自由活塞不仅可以取代脉管制冷机中的气体活塞以回收气体的膨胀功从而提高脉管制冷机的本征效率，而且还可以实现相位调节，从而省去了惯性管和气库等结构较为复杂的调相机构，使制冷机的结构更加紧凑。

但是，与其他脉管制冷机相同，上述脉管制冷机存在如下技术问题：脉管热端换热器中存在的声功会在调相机构中耗散成等值的热量，这部分能量均没有得到有效利用，造成资源的浪费，同时也限制了脉管制冷机COP的进一步提高。而且，该方案仍无法解决脉管制冷机在15K以下温区实现高效制冷的难题。

发明内容

本发明提供了一种回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，该制冷系统制冷性能高，且同时具备结构紧凑、寿命长和可靠性高等优点。

一种回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，包括脉管制冷单元和J-T节流制冷单元，所述脉管制冷单元包括脉管，该脉管内设有与所述脉管内壁滑动且密封配合的活塞，该活塞将脉管内部空间分隔为两部分，分别为压缩腔和脉冲腔；所述J-T节流制冷单元包括压缩机以及与压缩机高压出口连通的高压侧管路，该压缩机的高压出口和其高压侧管路入口通过一带有进排气阀组的管路与所述压缩腔单向连通。

采用上述方案，能够充分利用脉管制冷机中声功，同时提高了J-T节流制冷单元的压比，优化了复合型制冷机整机的能量利用过程，提升了整机性能。

下面是对上述技术方案的进一步优选的技术方案：

作为优选，所述脉管制冷单元包括压力波发生器、回热器热端换热器、回热器、脉管冷端换热器和脉管；所述压力波发生器出口通过管路依次与回热器热端换热器、回热器、脉管冷端换热器与脉冲腔相连通；所述活塞通过一弹簧与压缩腔内壁相互连接固定。所述弹簧的作用为支撑活塞，并使活塞在脉冲腔的压力波动作用下沿脉管轴线做往复运动。

作为优选，所述J-T节流制冷单元包括压缩机、第一级间壁式换热器、第一级预冷换热器、节流前间壁式换热器、节流阀和冷端换热器；按照制冷工质流向，压缩机高压出口通过管路依次与进排气阀组的进气阀、压缩腔、进排气阀组的出气阀、第一级间壁式换热器高压侧管路、第一级预冷换热器、节流前间壁式换热器高压侧管路、节流阀和冷端换热器入口连通，冷端换热器出口通过管路依次与节流前间壁式换热器低压侧管路、第一级间壁式换热器低压侧管路和压缩机低压入口连通。

为充分利用脉管制冷机冷量，提高J-T节流制冷单元制冷性能，作为进一步优选，所述第一级预冷换热器与脉管冷端换热器接触换热。

为获得更低的制冷温度和相应更大的制冷量，作为优选，所述脉管制冷单元还包括同时与脉管冷端换热器连通的气耦合回热器、以及依次与气耦合回热器连通的气耦合脉管冷端换热器、气耦合脉管、气耦合脉管热端换热器和气耦合调相机构；所述J-T节流制冷单元还包括第二级间壁式换热器和第二级预冷换热器；所述第一级预冷换热器出口先与第二级间壁式换热器高压侧管路和第二级预冷换热器相连后再与节流前间壁式换热器高压侧管路相连；所述节流前间壁式换热器低压侧管路先与第二级间壁式换热器低压侧管路相连后再与第一级间壁式换热器低压侧管路相连；所述第二级预冷换热器与气耦合脉管冷端换热器接触换热。

在实际使用中，作为优选，所述气耦合调相机构为与气耦合脉管热端换热器连通的惯性管、或与气耦合脉管热端换热器连通的小孔阀与气库的组合。或者，为进一步回收能量，提高整机性能，所述气耦合调相机构为与所述气耦合脉管热端换热器内壁滑动且密封配合的活塞、以及将该活塞与所述气耦合脉管热端换热器固定的弹簧结构。

为提高气耦合脉管换热器处制冷性能，作为优选，所述气耦合调相机构与所述脉管冷端换热器接触换热。此方法有利于解决室温下小声功调相不足的问题，以此提高脉管制冷机性能。

在实际运用中，作为优选，压缩机采用线性压缩机、涡旋式压缩机，可以采用二级甚至更多级压缩的形式。线性压缩机和涡旋压缩机中的浮动涡旋式压缩机均能达到长寿命、无振动等要求，线性压缩机是目前空间应用的主流技术，浮动涡旋式压缩机单机可达120以上压比，能效高，在低温制冷机领域很有潜力。

在实际使用中，作为优选，压力波发生器可采用线性压缩机或带高低压控制阀（一般为旋转阀，作用是将压缩机输出的直流工质在进入脉管制冷机前转变为交变流动的工质）的涡旋式压缩机（包括浮动涡旋式压缩机）。以带控制阀的涡旋压缩机驱动作为压力波发生器的脉管制冷机，一般频率较低，使回热器换热充分，能够达到的温度较低，但制冷效率较低。以线性压缩机作为压力波发生器的脉管制冷机，在较高温区（单级80K左右，两级30K左右）效率较高，单位体积制冷量较大。

为使该制冷机在不同温区提供制冷，作为优选，可采用氦、氮、氖、氢或这些工质的混合物作为制冷工质。

实际使用中，作为优选，弹簧可采用柱弹簧或者牛津型板弹簧结构。其中，牛津型板弹簧结构能够保证活塞与脉管之间的间隙，有利于活塞的长期稳定运行。

实际使用中，作为优选第一级间壁式换热器、第二级间壁式换热器和节流前间壁式换热器可采用管套管式换热器或翅片管换热器，高效的换热器是制冷机整机高效运行的保证。

根据理想型脉管制冷机的基本理论可得，稳态情况下，由回热器处输入的声功W与在回热器热端换热器释放出的热量Q_R数值上相等，脉管冷端换热器处的制冷量Q_C与脉管热端换热器散热量Q_P在数值上相等，而Q_P即为在脉管热端耗散的声功W_P所转变而成的热量，即Q_P=W_P。若采用调相机构，则这部分声功也会在调相机构中耗散成等值的热量。若将这部分声功回收，则脉管制冷机的理想制冷效率为：

COP=Q_C/(W-W_P)=Q_C/(Q_R-Q_P)=Q_C/(Q_R-Q_C)

由理想回热器可得Q_C/Q_R=T_C/T_H，代入上式可得回收声功后脉管制冷机的理想COP=T_C/(T_H-T_C)，即为卡诺制冷COP，与斯特林制冷机理想COP相同。由此可知，采用本发明的技术方案，能够大大提高制冷系统的COP，提高制冷性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1.活塞、弹簧、和进排气阀组利用脉管中交变压力波将压缩机排出的高压气体工质进一步压缩，回收了脉管中的声功，使脉管单元的理想制冷效率提升至卡诺制冷效率，为实际设计制造中提升脉管单元的效率提供了理论依据；

2.活塞和弹簧替代了现有技术中的惯性管和气库等调相机构，使脉管制冷单元结构更加紧凑。

3.与斯特林和J-T节流复合型制冷机相比，本发明完全没有低温运动部件，且从脉管回收的声功能够用于提高J-T节流制冷单元的压比，减轻了压缩机的负荷，提升了J-T节流制冷单元的性能。与不回收声功的脉管和J-T节流复合型制冷机相比，本发明整机效率更高，结构更加紧凑。

附图说明

图1为本发明的回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机示意图。

图2为本发明的回收声功的两级脉管和J-T节流复合型低温制冷机示意图。

其中：1：压缩机、2：进排气阀组、3：第一级间壁式换热器、4：第一级预冷换热器、5：节流前间壁式换热器、6：节流阀、7：冷端换热器、8：压力波发生器、9：回热器热端换热器、10：回热器、11：脉管冷端换热器、12：脉管、13：活塞、14：弹簧、15：压缩腔换热器、16：压缩腔、17：脉冲腔、18：气耦合回热器、19：气耦合脉管冷端换热器、20：气耦合脉管、21：气耦合脉管热端换热器、22：气耦合调相机构、23：第二级间壁式换热器、24：第二级预冷换热器。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，包括脉管制冷单元和J-T节流制冷单元。

脉管制冷单元包括压力波发生器8、回热器热端换热器9、回热器10、脉管冷端换热器11、脉管12、压缩腔换热器15。脉管12内腔设有活塞13，活塞13与脉管12间隙配合，活塞13将脉管12内部空间分隔为两部分，分别为压缩腔16和脉冲腔17，活塞13通过弹簧14与压缩腔换热器15壁面相连，弹簧14作用为支撑活塞13，并使活塞在脉冲腔17的压力波动作用下沿脉管12轴线做往复运动。

J-T节流制冷单元包括压缩机1、进排气阀组2、第一级间壁式换热器3、第一级预冷换热器4、节流前间壁式换热器5、节流阀6和冷端换热器7。

上述部件的连接关系为：

J-T节流制冷单元中：按照制冷剂流向，压缩机1的高压出口通过管路依次与进排气阀组2的进气阀、压缩腔换热器15、压缩腔16、进排气阀组2的排气阀、第一级间壁式换热器3高压侧管路、第一级预冷换热器4，节流前间壁式换热器5高压侧管路、节流阀6和冷端换热器7入口连通，冷端换热器7出口通过管路依次与节流前间壁式换热器5低压侧管路、第一级间壁式换热器3低压侧管路和压缩机1低压入口连通；

脉管制冷单元中：压力波发生器8出口通过管路依次与回热器热端换热器9和回热器10相连通，回热器10通过脉管冷端换热器11与脉冲腔17相连通。

第一级预冷换热器4与脉管冷端换热器11接触换热。

本实施方式中工质的运行过程为：

对于J-T节流制冷单元，制冷剂的稳态运行过程为：制冷剂由压缩机1压缩至高压并排出后由进排气阀2的进气阀吸入压缩腔16，再次压缩后依次流经第一级间壁式换热器3的高压侧管路、第一级预冷换热器4和节流前间壁式换热器5的高温侧管路，进入节流阀6处等焓节流至低压并达到气体工质两相区后进入冷端换热器7，经冷端换热器7与外界换热完全气化后的气体工质依次流经节流前间壁式换热器5的低压侧管路和第一级间壁式换热器3的低压侧管路后返回压缩机1。第一级预冷换热器所需预冷量由脉管制冷单元脉管冷端换热器11处的制冷量提供。

对于脉管预冷单元，其运行过程为：

压力波发生器8产生压力波动，输入脉管单元中，由于脉管制冷机本身的制冷特性，致使脉管冷端换热器11产生温降，回热器10中建立温度梯度，致使脉管冷端换热器11处产生的温降逐渐积累，最终达到提供相应制冷量时的稳定状态。

本实施方式中，系统安装完毕后，对制冷机整机内部抽真空至10^-1Pa左右，然后充入高纯氦气，保持5分钟左右再对系统内部抽真空至10^-1Pa左右。如此反复抽真空充气3～4次后，最终充入工作压力的高纯工质，即可保证系统中工质的纯度。关闭进排气阀组2功能，使进排气管路截断，打开压力波发生器8的驱动电源，调节至最佳工作频率和输入功并等待其达到稳定后，需保证第一级预冷换热器4温度低于工质转变温度，打开压缩机1的驱动电源并使进排气阀2正常工作，调压缩机1至适当工作频率和输入功，在冷端换热器7温度下降过程中不断调节压缩机1和压力波发生器8的工况，以保证第一级预冷换热器4的温度稳定在转变温度以下，直至冷端换热器7温度稳定在工质两相区温度，此时即可在冷端换热器7处获得所需制冷温度的制冷量。

实施例2

如图2所示，一种回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，本实施例中脉管制冷单元采用气耦合两级节构，与实施例1不同之处在于：

J-T节流制冷单元还包括第二级间壁式换热器23和第二级预冷换热器24。第一级预冷换热器4出口先与第二级间壁式换热器23高压侧管路和第二级预冷换热器24相连后再与节流前间壁式换热器5高压侧管路相连；节流前间壁式换热器5低压侧管路先与第二级间壁式换热器23低压侧管路相连后再与第一级间壁式换热器3低压侧管路相连。脉管制冷单元还包括同时与脉管冷端换热器11连通的气耦合回热器18，且气耦合回热器18通过气耦合脉管冷端换热器19与气耦合脉管20连通，气耦合脉管依次与气耦合脉管热端换热器21和气耦合调相机构22连通。

第一级预冷换热器4与脉管冷端换热器11接触换热，第二级预冷换热器24与气耦合脉管冷端换热器19接触换热。

本实施方式中，系统安装完毕后，对制冷机整机内部抽真空至10^-1Pa左右，然后充入高纯氦气，保持5分钟左右再对系统内部抽真空至10^-1Pa左右。如此反复抽真空充气3～4次后，最终充入工作压力的高纯工质，即可保证系统中工质的纯度。关闭进排气阀组2功能，使进排气管路截断，打开压力波发生器8的驱动电源，调节至最佳工作频率和输入功并等待其达到稳定后，需保证第二级预冷换热器24温度低于工质转变温度，打开压缩机1的驱动电源并使进排气阀2正常工作，调压缩机1至适当工作频率和输入功，在冷端换热器7温度下降过程中不断调节压缩机1和压力波发生器8的工况，以保证第二级预冷换热器24的温度稳定在转变温度以下，直至冷端换热器7温度稳定在工质两相区温度，此时即可在冷端换热器7处获得所需制冷温度的制冷量。

以图2为例，并进行假设：工质为氦-4；第一级中脉管12充气压力为2MPa，第一级中脉管12热端压力波波峰与波谷的比值能够达到1.1；压缩机1能够将0.1MPa的低压工质压缩至1.9MPa；第一级间壁式换热器3、第二级间壁式换热器23和节流前间壁式换热器5的换热效率为0.97；压缩机压缩过程无熵产，且排气温度为300K；冷端换热器7的制冷温度为0.1MPa下氦-4的饱和温度；第一级预冷换热器4的预冷温度为80K，第二级预冷换热器24的预冷温度为20K。

通过模拟计算可得：

若不采用回收声功装置，则J-T节流循环高压侧压力为压缩机1出口压力1.9MPa，此时冷端换热器7处可获得5.15kW/kg的制冷量，压缩机1的理想功耗为1840kW/kg，第一级预冷换热器4所需脉管制冷机提供的预冷量为26.44kW/kg，第二级预冷换热器24所需脉管制冷机提供的预冷量为19.08kW/kg。

若采用回收声功的结构，则J-T节流循环压缩机1出口的工质在压缩腔16内进一步增压至2.1MPa，此时冷端换热器7处可获得5.721kW/kg的制冷量，提升11.11%；压缩机1的理想功耗仍为1840kW/kg；第一级预冷换热器4所需脉管制冷机提供的预冷量为26.59kW/kg，仅增加0.6%，第二级预冷换热器24所需脉管制冷机提供的预冷量为20.15kW/kg，仅增加5.6%。而仅由压缩机1压缩至2.1MPa，则压缩机1的理想功耗将增加至1903kW/kg，而此增幅仅为理想功耗的增幅，将因压缩机1的各类不可逆因素而放大。

结合脉管制冷机的效率分析可得结论：在压缩机1和压力波发生器8两者输入功不变的情况下，从脉管中回收的功可用于压缩J-T节流制冷机中的工质，提高J-T节流循环高压压力，有利于提升J-T节流制冷机的制冷性能，采用回收声功的结构能够提高冷端换热器7处的制冷量，从而提升整机的制冷效率。

Claims (10)

1.一种回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，包括脉管制冷单元和J-T节流制冷单元，其特征在于，所述脉管制冷单元包括脉管（12），该脉管（12）内设有与所述脉管（12）内壁滑动且密封配合的活塞（13），该活塞将脉管（12）内部空间分隔为两部分，分别为压缩腔（16）和脉冲腔（17）；所述J-T节流制冷单元包括压缩机（1）以及与压缩机（1）高压出口连通的高压侧管路，该压缩机的高压出口和其高压侧管路入口通过一带有进排气阀组（2）的管路与所述压缩腔（16）单向连通。

2.根据权利要求1所述的回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，其特征在于，所述脉管制冷单元包括压力波发生器（8）、回热器热端换热器（9）、回热器（10）、脉管冷端换热器（11）和脉管（12）；所述压力波发生器（8）出口通过管路依次与回热器热端换热器（9）、回热器（10）、脉管冷端换热器（11）与脉冲腔（17）相连通；所述活塞通过一弹簧（14）与压缩腔（16）内壁相互连接固定。

3.根据权利要求1所述的回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，其特征在于，所述J-T节流制冷单元包括压缩机（1）、第一级间壁式换热器（3）、第一级预冷换热器（4）、节流前间壁式换热器（5）、节流阀（6）和冷端换热器（7）；

按照制冷工质流向，压缩机（1）高压出口通过管路依次与进排气阀组（2）的进气阀、压缩腔（16）、进排气阀组（2）的出气阀、第一级间壁式换热器（3）高压侧管路、第一级预冷换热器（4）、节流前间壁式换热器（5）高压侧管路、节流阀（6）和冷端换热器（7）入口连通，冷端换热器（7）出口通过管路依次与节流前间壁式换热器（5）低压侧管路、第一级间壁式换热器（3）低压侧管路和压缩机（1）低压入口连通。

4.根据权利要求3所述的回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，其特征在于，所述第一级预冷换热器（4）与脉管冷端换热器（11）接触换热。

5.根据权利要求4所述的回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，其特征在于，所述脉管制冷单元还包括同时与脉管冷端换热器（11）连通的气耦合回热器（18）、以及依次与气耦合回热器（18）连通的气耦合脉管冷端换热器（19）、气耦合脉管（20）、气耦合脉管热端换热器（21）和气耦合调相机构（22）；

所述J-T节流制冷单元还包括第二级间壁式换热器（23）和第二级预冷换热器（24）；所述第一级预冷换热器（4）出口先与第二级间壁式换热器（23）高压侧管路和第二级预冷换热器（24）相连后再与节流前间壁式换热器（5）高压侧管路相连；所述节流前间壁式换热器（5）低压侧管路先与第二级间壁式换热器（23）低压侧管路相连后再与第一级间壁式换热器（3）低压侧管路相连；

所述第二级预冷换热器（24）与气耦合脉管冷端换热器（19）接触换热。

6.根据权利要求5所述的回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，其特征在于，所述气耦合调相机构（22）为与气耦合脉管热端换热器（21）连通的惯性管、或与气耦合脉管热端换热器（21）连通的小孔阀与气库的组合。

7.根据权利要求5所述的回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，其特征在于，所述气耦合调相机构（22）为与所述气耦合脉管热端换热器（21）内壁滑动且密封配合的活塞、以及将该活塞与所述气耦合脉管热端换热器（21）固定的弹簧结构。

8.根据权利要求5所述的回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，其特征在于，所述气耦合调相机构（22）与所述脉管冷端换热器（11）接触换热。

9.根据权利要求1～8任一权项所述的回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，其特征在于，所述压缩机（1）采用线性压缩机、涡旋式压缩机。

10.根据权利要求1～8任一权项所述的回收声功的脉管和J-T节流复合型低温制冷机，其特征在于，所述压力波发生器（8）采用线性压缩机、带高低压控制阀的涡旋式压缩机。

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