CN103808057A - 一种回收声功的级联型脉管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种回收声功的级联型脉管制冷机，其包括依次连接的主级脉管制冷机单元、传输管、辅级脉管制冷机单元和热桥；所述的辅级脉管制冷机单元的辅级级后冷却器通过传输管与主级脉管制冷机单元的主级热端换热器连接以回收声功。本发明通过热桥连接辅级脉管制冷机单元的辅级冷端换热器和主级脉管制冷机单元的主级回热器，实现用回收声功获得的额外制冷量来预冷主级回热器的某部位，以降低主级脉管制冷机单元的工质温度，与传统的脉管制冷机相比，可以显著提高效率。在一些需要大冷量、高效率、长寿命的场合具有良好的应用前景。

Description

一种回收声功的级联型脉管制冷机
技术领域
本发明涉及一种脉管制冷机，尤其涉及一种回收声功的级联型脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机最早由美国的Gifford教授和Longswoth提出，由于其在低温下没有运动部件，避免了滑动密封、机械磨损等问题，可望成为低成本、低振动、可靠性高、长寿命的低温制冷机被广泛运用。随着小孔气库、双向进气、惯性管等调相结构的提出和成功运用，使得脉管制冷机制冷温度不断降低，制冷量和制冷效率也大幅提高，接近甚至在某些工况下超过传统的回热式低温制冷机（如：G-M制冷机、Stirling制冷机等），已在超导器件和红外设备的冷却，以及气体液化等方面得到广泛应用。
然而，上述的各种结构都需要调相元件，使得系统结构相比于Stirling制冷机更加复杂，此外，其脉管冷端声功无一例外需在调相装置内以热量的形式耗散掉，这也直接导致了其制冷系统的理想效率低于卡诺效率（由于Stirling制冷机通过排除器可将冷端声功得以回收，理想效率与卡诺效率相等）。
根据热力学原理，气体工质的声功和诸如电功，轴功和水利机械功等同样重要。在小孔型脉管制冷机中，声功可以制冷；声功可以通过线性发电机用来发电；声功还可以通过水轮机转化为机械功，并且，声功的来源很广泛，可以从斯特林制冷机和热声发动机等各种形式的热机中获得。特别是对于大功率的脉管制冷机系统，在调相元件中耗散的声功占的比例是很大的，如果能有效的将这中能量利用起来，将产生很大的实用价值。
1988年Matsubara提出了一种带热端膨胀机的双活塞型脉管制冷机，可以回收膨胀功。该制冷机可看做是斯特林制冷机的变种，但结构复杂，未能得到广泛应用。
Swift的申请号为US8,468,838B2的专利文献中提出一种用四分之一波长传输管连接的回收声功的级联型脉管制冷机，虽然能够有效的回收声功，但是并没有提出如何有效的利用回收声功后得到的冷量，而如何将回收声功得到的附加冷量有效的利用起来以提高整机效率，是很有意义的。
提高单级脉管制冷机性能的方式有很多，为了提高脉管制冷机的制冷量，降低其所能获得的最低温度，有效的预冷级后冷却器或者回热器中间某部位是其中的一种方式。现有发明中的热耦合型两级脉管制冷机，为了使第一级脉管制冷机获得更好的性能，使用第二级脉管制冷机来预冷第一级脉管制冷机的回热器中间某部位，这种结构虽然能够降低第一级脉管制冷机所能达到的最低温度，提高第一级脉管制冷机的性能，但是两级脉管制冷机需要两个压缩机单元，并且各自的声功都在其对应的调相元件（惯性管、气库）中耗散掉，因而整机的效率是比较低的，不能有效的节约能耗，提高效率。
由上述总结可知，一种可以回收并有效利用脉管制冷机惯性单元以热量耗散掉的声功的新型脉管制冷机结构对于提高脉管制冷机整机效率，满足当前节能减排的要求是非常有意义的。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明改进了传统脉管制冷机结构，提出了一种可以回收声功的级联型脉管制冷机结构，并且合理利用回收声功后得到的冷量，同时满足低温下没有运动部件，可靠性高等优点，可以显著的提高脉管制冷机的效率。
一种回收声功的级联型脉管制冷机，包括主级脉管制冷机单元和辅级脉管制冷机单元，所述的主级脉管制冷机单元包括主级压缩机、与主级压缩机出气口依次连通的主级级后冷却器、主级回热器、主级冷端换热器、主级脉管和主级热端换热器；所述的辅级脉管制冷机单元包括与主级热端换热器远离主级脉管的一端依次连通的辅级回热器、辅级冷端换热器、辅级脉管、辅级热端换热器和调相元件；所述的辅级冷端换热器通过一热桥对主级回热器或者主级级后冷却器进行冷却。
所述的辅级脉管制冷机单元是为了回收主级热端换热器出口的声功，将低品位的热能转换为制冷量，预冷主级回热器或者主级级后冷却器，提高整机制冷效率。所述的压缩机为整机提供总输入功，保证制冷机运行。
为进一步提高系统性能，作为优选，所述的辅级回热器与所述的主级热端换热器之间通过一传输管连通，该传输管的长度为室温下氦工质波长的四分之一或三分之一。
传输管为确定内外径、长度的铜管或者不锈钢管，具体尺寸大小需要靠软件如Sage确定，长度一般为室温下氦工质波长的四分之一或三分之一。传输管的作用跟惯性管相似，为调相元件，因为主级热端换热器出口的相位为体积流领先于压力波，不适合驱动辅级脉管制冷机单元，传输管通过其调相作用，使得辅级脉管制冷机单元进口的相位与压缩机出口相位一致，即辅级回热器冷端体积流落后于压力波的相位，使之能够更好的满足辅级脉管制冷机单元工作要求。
所述的主级级后冷却器、主级冷端换热器、主级热端换热器、辅级级后冷却器、辅级冷端换热器、辅级热端换热器为锥形狭缝式换热器。
所述的辅级回热器与所述传输管相连的一端设有辅级级后冷却器。
所述的热桥为一导热元件，用于热量或者冷量的传输。
所述的主级回热器可包括若干段，以方便用一个或者多个热桥在某个部位与辅级冷端换热器连接，主级回热器、与辅级冷端换热器连接的部位用数值模拟计算确定，其形状可以变化，例如为两段不同直径或者锥形体。为实现回收能量的利用，作为优选，所述的热桥与主级回热器的连接处将主级回热器分成两部分，分别为：与主级级后冷却器相连的主级回热器第一段、和与主级冷端换热器相连的主级回热器第二段；所述的主级回热器第一段占主级回热器总长度的1/3～3/4。主级回热器第一段和主级回热器第二段可采用一体设置，也可分开加工，最后通过连接件将两者相互固定即可。热桥与主级回热器的连接处的位置，需要根据辅级脉管制冷机单元所能产生的冷量以及主级回热器内的温度分布有关，实际制作时，需要利用计算机优化得到。
根据制冷温度的不同，为满足不同场合的要求，作为优选，所述的主级回热器第一段与主级回热器第二段外径比为4:3～2。两者同时可采用分体设置或者一体设置，根据不同需要确定。另外，所述的主级回热器也可采用外径逐渐缩小的锥形结构。
所述的调相元件可采用惯性管、带气库的惯性管或者带气库的小孔阀等，可根据实际需要确定。作为进一步优选，所述的调相元件为带气库的惯性管结构。
所述的调相元件包括与辅级热端换热器相连的辅级传输管、以及与辅级传输管另一端依次连通的二级辅级级后冷却器、二级辅级回热器、二级辅级冷端换热器、二级辅级脉管、二级辅级脉管热端换热器和二级辅级调相元件；所述的二级辅级冷端换热器通过二级热桥对所述的主级回热器进行冷却。
对于不回收声功的脉管制冷机而言，卡诺效率为Tc/（Th-Tc），不回收声功达到的最大COP局限在Tc/Th。其中Tc为冷端换热器温度，Th为级后冷却器温度。
回收声功以后，利用辅级脉管制冷机单元得到在一定温度下额外的制冷量预冷主级级后冷却器或者主级回热器中间某部位，使得Th减小，COP（Tc/Th）增大，可增大了整机效率，降低空负荷下脉管制冷机的最低温度。
与现有技术相比，本发明主要创新点在于：
本发明通过一定长度的传输管连接了两个脉管制冷机单元，调节了辅级脉管制冷机单元进口压力波和体积流之间的相位，使之能够更好的驱动辅级脉管制冷级单元的工作，将制冷机本在惯性单元中耗散的声功加以回收，可以在一定温度下得到额外的制冷量，预冷主级脉管制冷机的回热器或者级后冷却器，从而大幅提高了制冷机的效率，理论效率可以达到卡诺效率，有望突破单级脉管制冷机当前达到的最低温度，并在有大冷量需求的场合有很大的运用空间。
附图说明
图1为本发明的一种回收声功的级联型脉管制冷机的实施方式示意图。
图2为本发明的第二种回收声功的级联型脉管制冷机的实施方式示意图。
图3为主级回热器的一种变形，将直径相同的回热器分为了不同直径大小的两段。
图4为主级回热器的另一种变形，将直径相同的回热器变为了锥形结构。
上述附图中：C1为主级压缩机，HX1为主级级后冷却器，RG1为主级回热器，RG11为主级回热器第一段，RG12为主级回热器第二段，HX2为主级冷端换热器，PT1为主级脉管，HX3为主级热端换热器，TP为传输管，HX4为辅级级后冷却器，GR2为辅级回热器，TB为热桥，HX5为辅级冷端换热器，PT2为辅级脉管，HX6为辅级热端换热器，R为调相元件。
具体实施方式
实施例1：
采用图1所示的结构，一种回收声功的级联型脉管制冷机，包括主级脉管制冷机单元PTU1和辅级脉管制冷机单元PTU2，主级脉管制冷机单元PTU1包括主级压缩机C1、主级级后冷却器HX1、主级回热器RG1、主级冷端换热器HX2、主级脉管PT1、主级热端换热器HX3。辅级脉管制冷机单元PTU2包括辅级级后冷却器HX4、辅级回热器RG2、辅级冷端换热器HX5、辅级脉管PT2、辅级热端换热器HX6和调相元件R。主级热端换热器HX3通过传输管TP与辅级级后冷却器HX4连接。辅级冷端换热器HX5通过热桥TB对主级回热器RG1进行冷却。主级回热器RG1由主级回热器第一段RG11和主级回热器第二段RG12两部分组成。
上述部件的连接关系如下：
主级压缩机C1出口通过管路依次与主级级后冷却器HX1、主级回热器第一段RG11、主级回热器第二段RG12、主级冷端换热器HX2、主级脉管PT1和主级热端换热器HX3相连；主级热端换热器HX3的出口通过传输管TP与辅级级后冷却器HX4、辅级回热器RG2、辅级冷端换热器HX5、辅级脉管PT2、辅级热端换热器HX6和调相元件R相连通；同时，辅级冷端换热器HX5产生的冷量通过热桥TB对主级回热器RG1进行冷却。
主级压缩机C1为整机提供总输入功，保证制冷机运行。
主级回热器RG1包括两段，以方便用一个热桥TB在某个部位与辅级冷端换热器HX5连接，这个连接部位靠模拟计算确定。实际计算时，在满足制冷效果（连接部位的温度大于辅级冷端换热器HX5的温度）的前提下，通过计算机优化最终确定热桥TB在主级回热器RG1上的具体连接部位。
传输管TP，为确定内外径、长度的铜管或者不锈钢管，具体尺寸大小需要靠软件如Sage确定，长度一般为室温和常压下氦工质波长的四分之一或三分之一。传输管的作用跟惯性管相似，为调相元件。主级热端换热器HX3出口的相位为体积流领先于压力波，不适合驱动辅级脉管制冷机单元，传输管通过其调相作用，使得辅级脉管制冷机单元进口的相位与主级压缩机C1出口相位一致，即此处体积流落后于压力波的相位，使之能够更好的满足辅级脉管制冷机单元PTU2工作要求。
热桥TB为一导热元件，实现辅级脉管制冷机单元PTU2对主级脉管制冷机单元PTU1中主级回热器RG1的冷却。
辅级脉管制冷机单元PTU2是为了回收主级热端换热器HX3出口的声功，将低品位的热能转换为制冷量，预冷主级回热器RG1或者主级级后冷却器HX1。
调相元件R为带气库的惯性管。
该发明还可以在辅级热端换热器HX6出口连接传输管，再依次连接N个辅级脉管制冷机单元，依次类推，可以组成由N段传输管连接N个辅级脉管制冷机单元，最后再连接一个惯性单元的系统，其中N一般为大于等于2小于等于10的整数，这里所述的每个辅级脉管制冷机单元，包括辅级级后冷却器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器，这些辅级脉管制冷机单元中的辅级冷端换热器分别都用热桥与主级回热器的相同或者不同部位连接，由于离主级脉管制冷机单元越远的辅级脉管制冷机单元能够回收的声功越小，制冷温度也达不到很低，热桥可以连接在离主级级后冷却器稍近的部位。
如图3和图4所示，主级回热器RG1可采用两端直径相同的圆柱形结构、或者采用变径形式，比如主级回热器第二段RG12的直径比主级回热器第一段RG11小（如图3），或者将整个主级回热器RG1设计成锥形（如图4）。
主级级后冷却器HX1、主级冷端换热器HX2、主级热端换热器HX3、辅级级后冷却器HX4、辅级冷端换热器HX5、辅级热端换热器HX6均采用锥形狭缝式换热器。
实施例2：
采用图2所示的结构，与实施例1的区别在于，回收声功的级联型脉管制冷机，可以除去传输管TP，除去主级热端换热器HX3或者辅级级后冷却器HX4，其它结构不变，这种结构方式也能够回收部分声功。
该发明还可以在没有传输管的基础上，依次连接N个辅级脉管制冷机单元，依次类推，可以组成有N个辅级脉管制冷机单元的系统，其中N一般为大于等于2小于等于10的整数，每个辅级脉管制冷机单元，包括辅级级后冷却器、辅级回热器、辅级冷端换热器辅级、脉管、辅级热端换热器，顺次连接的两个辅级脉管制冷机单元中，N-1级的辅级脉管制冷机单元的辅级热端换热器和N级辅级脉管制冷机单元的辅级级后冷却器中去除任意一个。这些辅级脉管制冷机单元中的辅级冷端换热器分别都用热桥与主级回热器的相同或者不同部位连接，由于离主级脉管制冷机单元越远的辅级脉管制冷机单元能够回收的声功越小，制冷温度也达不到很低，热桥可以连接在离主级级后冷却器稍近的部位。
这种结构在温度略高的温区（如150K以上）是比较好的，因为这个温区对相位的要求没有那么高。对于在这个温区的大功率应用场合也有良好的应用前景。

Claims (9)

1.一种回收声功的级联型脉管制冷机，包括主级脉管制冷机单元和辅级脉管制冷机单元，所述的主级脉管制冷机单元（PTU1）包括主级压缩机（C1）、与主级压缩机（C1）出气口依次连通的主级级后冷却器（HX1）、主级回热器（RG1）、主级冷端换热器（HX2）、主级脉管（PT1）和主级热端换热器（HX3）；其特征在于，所述的辅级脉管制冷机单元（PTU2）包括与主级热端换热器（HX3）远离主级脉管（PT1）的一端依次连通的辅级回热器（RG2）、辅级冷端换热器（HX5）、辅级脉管（PT2）、辅级热端换热器（HX6）和调相元件（R）；所述的辅级冷端换热器（HX5）通过一热桥（TB）对主级回热器（RG1）或者主级级后冷却器（HX1）进行冷却。
2.根据权利要求1所述的回收声功的级联型脉管制冷机，其特征在在于，所述的辅级回热器（RG2）与所述的主级热端换热器（HX3）之间通过一传输管（TP）连通，该传输管的长度为室温下氦工质波长的四分之一或三分之一。
3.根据权利要求2所述的回收声功的级联型脉管制冷机，其特征在在于，所述的辅级回热器（RG2）与所述传输管（TP）相连的一端设有辅级级后冷却器（HX4）。
4.根据权利要求3所述的回收声功的级联型脉管制冷机，其特征在在于，所述的主级级后冷却器（HX1）、主级冷端换热器（HX2）、主级热端换热器（HX3）、辅级级后冷却器（HX4）、辅级冷端换热器（HX5）、辅级热端换热器（HX6）为锥形狭缝式换热器。
5.根据权利要求1所述的回收声功的级联型脉管制冷机，其特征在在于，所述的热桥（TB）与主级回热器（RG1）的连接处将主级回热器（RG1）分成两部分，分别为：与主级级后冷却器（HX1）相连的主级回热器第一段（RG11）、和与主级冷端换热器（HX2）相连的主级回热器第二段（RG12）；所述的主级回热器第一段（RG11）占主级回热器（RG1）总长度的1/3～3/4。
6.根据权利要求5所述的回收声功的级联型脉管制冷机，其特征在在于，所述的主级回热器第一段（RG11）与主级回热器第二段（RG12）外径比为4:3～2。
7.根据权利要求5所述的回收声功的级联型脉管制冷机，其特征在在于，所述的主级回热器（RG1）为外径逐渐缩小的锥形结构。
8.根据权利要求1～7任一权利要求所述的回收声功的级联型脉管制冷机，其特征在在于，所述的调相元件（R）为带气库的惯性管结构。
9.根据权利要求1～7任一权利要求所述的回收声功的级联型脉管制冷机，其特征在于，所述的调相元件（R）包括与辅级热端换热器（HX6）相连的辅级传输管、以及与辅级传输管另一端依次连通的二级辅级级后冷却器、二级辅级回热器、二级辅级冷端换热器、二级辅级脉管、二级辅级脉管热端换热器和二级辅级调相元件；所述的二级辅级冷端换热器通过二级热桥对所述的主级回热器（RG1）进行冷却。
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