CN104697231B - 一种级数可调的多级级联型脉管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种级数可调的多级级联型脉管制冷机，包括：压缩机、以及与压缩机依次串联连通的n套脉管制冷机单元、以及同时与n套脉管制冷机单元连接的气库；第n套脉管制冷机单元的脉管热端换热器通过带阀门的管路与气库相连；其余第i套脉管制冷机单元通过阀门调节组件分别与气库以及与第(i+1)套脉管制冷机单元连通；阀门调节组件具有单独将第i套脉管制冷机单元与气库导通的第一工作位、以及单独将相邻两套套脉管制冷机单元导通的第二工作位。本发明根据需要的制冷温区不同，可方便调节脉管制冷机的级数，保证在该温区制冷效率远远高于传统脉管制冷机制冷效率的同时，可有效避免资源浪费。

Description

一种级数可调的多级级联型脉管制冷机
技术领域
本发明属于脉管制冷机技术领域，具体是涉及一种级数可调的多级级联型脉管制冷机。
背景技术
近年来，脉管制冷机由于其冷端无运动部件，可望真正成为低成本、低振动、运行稳定可靠的长寿命低温制冷机。随着脉管制冷机结构的不断改进，其制冷温度不断降低，制冷量和制冷效率也大幅提高，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。
脉管制冷机的发展主要经历了基本型、小孔型、双向进气型以及惯性管型结构，其中基本型脉管的效率较低，后三者通过在脉管热端增加了调相结构，使得回热器获得更好的相位，从而提升了制冷效率。然而这些调相机构无一例外需要消耗来自冷端的声功，这是脉管制冷机理想效率Tc/Th低于逆卡诺效率Tc/(Th-Tc)的根本原因。为弥补脉管制冷机这一缺陷，各国学者纷纷提出了各种声功回收型的脉管制冷机。如日本Matsubara等提出的热端活塞式脉管制冷机；美国Swift等提出的包含反馈传输管结构脉管制冷机，包含惯性管声容反馈结构的脉管制冷机，以及基于1/4波长脉管的声功回收型脉管制冷机；朱绍伟等提出的阶式活塞脉管制冷机等。然而上述结构或增加运动部件，牺牲了脉管制冷机冷端无运动部件及可靠性高的优势，或存在环路直流，降低制冷性能。
由于脉管制冷机的这一理论缺陷没有完全被克服，使得其制冷效率随着制冷温度的升高，越来越偏离卡诺效率，较大程度上限制了其在更高温区(如80K以上)的广泛应用。寻求一种高效率的脉管制冷方法，既可将脉管制冷机的应用拓展至更高温区，又可以保留脉管制冷机可靠性高以及寿命长等优势，因而显得十分重要。
发明内容
本发明提供了一种级数可调的多级级联型脉管制冷机，根据需要的制冷温区不同，可方便调节脉管制冷机的级数，保证在该温区脉管制冷机的效率最高，远远高于传统的脉管制冷机制冷效率，可实现脉管制冷机在各个温区的使用。
一种级数可调的多级级联型脉管制冷机，包括：压缩机、以及与压缩机依次串联连通的n套脉管制冷机单元、以及同时与所述n套脉管制冷机单元连接的气库，所述n为大于等于3的正整数；利用传输管回收前级制冷机脉管冷端的声功，用于驱动后级制冷机，当级数n趋于无穷大时，整机理论效率趋于卡诺效率。
对于第n套脉管制冷机单元，其脉管热端换热器通过带阀门的管路与气库相连；
对于其余第i套脉管制冷机单元，其脉管热端换热器通过阀门调节组件分别与所述气库以及与第(i+1)套脉管制冷机单元中的回热器热端换热器连通，其中i为大于等于1且小于n的正整数；
所述阀门调节组件具有两个工作位，分别为：单独将第i套脉管制冷机单元与气库导通的第一工作位、以及单独将第i套脉管制冷机单元与第(i+1)套脉管制冷机单元分别导通的第二工作位。
采用本发明的级数可调的多级级联型脉管制冷机，根据制冷温区及所需效率不同，可选择不同套数的脉管制冷机单元，当套数确定后，可通过调整阀门调节组件，保证需要套数的脉管制冷机单元工作，其余脉管制冷机单元停机，保证效率最大化的同时，减低系统损耗。
作为优选，对于第i套脉管制冷机单元，所述阀门调节组件包括设置在第i套脉管制冷机单元与气库之间管路上的第一控制阀、以及设置在第i套脉管制冷机单元与第(i+1)套脉管制冷机单元中的回热器热端换热器之间管路上的第二控制阀。当需要第1～m套脉管制冷机单元工作时，需要同时开启第1～(m-1)套之间的第二控制阀，关闭第一控制阀；同时开启第m套脉管制冷机单元与气库之间的第一控制阀，关闭第m套脉管制冷机单元与第(m+1)套脉管制冷机单元之间的第二控制阀。当需要开启n套脉管制冷机单元时，同时需要开启第n套脉管制冷机单元与气库之间的阀门。
作为另一种优选，所述调节组件为三通控制阀。通过调节阀可实现类似上述阀门调节组件的功能。
作为优选，所述级数可调的多级级联型脉管制冷机还包括：
输入单元：用于已知参数的输入；例如可输入所需的相对卡诺效率η，各套脉管制冷机单元工作的热端温度的Th、各套脉管制冷机单元工作的冷端温度Tc等；输入单元可采用常见的显示屏等；
计算单元：根据已知参数计算需要的套数m，m为大于等于1小于等于n的正整数；计算单元计算所依据的公式可采用：
式中，N[]表示取整函数，η为所需相对卡诺效率，Th为各套脉管制冷机单元工作的热端温度；Tc为各套脉管制冷机单元工作的冷端温度；计算单元输入端与输入单元输出端相连，用于接收输入单元输入的一致参数等；
控制单元，根据计算单元得到套数m，打开第1～m套脉管制冷机单元中的阀门调节组件或阀门；控制单元输入端与计算单元输出端相连，控制单元输出端一般与阀门调节组件和阀门同时相连，根据判断条件进行阀门开闭的控制，例如，当m小于n时：需要第1～m套脉管制冷机单元同时工作，控制单元发出启动指令，第1～(m-1)套之间的第二控制阀开启，第一控制阀关闭；同时开启第m套脉管制冷机单元与气库之间的第一控制阀，关闭第m套脉管制冷机单元与第(m+1)套脉管制冷机单元之间的第二控制阀。当m等于n时：关闭其余第一控制阀的同时，需要同时开启第二控制阀，而且需要开启第n套脉管制冷机单元与气库之间的阀门。
本发明中，所述计算单元和控制单元可选择单元电器元件，也可采用现有的实体电路，同时也可一起集成在PLC上，通过编程实现上述功能。
作为优选，各套脉管制冷机单元工作于同样的热端温度Th与冷端温度Tc下，对于第i套脉管制冷机单元，其中部件j的有效横截面积Ai,j为：
上式中：A1,j为第1套脉管制冷机单元3中部件j的有效横截面积；i为正整数，且满足1≤i≤n；
所述部件j为所述脉管制冷机单元中的各部件。脉管制冷机单元中一般包括回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器等。
作为优选，每套脉管制冷机单元中，回热器和脉管呈直线型布置、U型布置、内外套嵌同轴布置。或者所有n套脉管制冷机单元中，所有回热器和脉管均呈内外套嵌同轴布置，其中第1套脉管制冷机单元位于最外层，第n套脉管制冷机单元位于最内层；针对每一套脉管制冷机单元，回热器位于外层，脉管位于内层。直线型布置整体结构简单；U型布置、内外套嵌同轴布置方式可以进一步节省空间。另外，回热器和脉管呈U型布置、内外套嵌同轴布置时，所述n套脉管制冷机单元中制冷机冷头兼做被冷却对象的支撑连接结构，以减小漏热损失，可进一步提高实际制冷效率。
作为进一步优选，所有回热器热端换热器和脉管热端换热器通过热桥连接，所有冷端换热器通过热桥连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明的级数可调的多级级联型脉管制冷机，根据需要的制冷温区及所需效率不同，可方便调节脉管制冷机的级数，保证在该温区制冷效率远远高于传统脉管制冷机制冷效率的同时，可有效避免资源浪费。
本发明通过控制单元、计算单元和输入单元相结合，通过简单的参数输入，即可实现脉管制冷机单元的自动控制，可满足各种应用场合的需求，特别是针对环境温度不适于人员操作的场合，采用自动化控制，保证制冷效率的同时，提高了人员的安全性。
附图说明
图1a是本发明的级数可调的直线型多级级联型脉管制冷机结构示意图；
图1b为图1a所示脉管制冷机中阀门调节组件的放大结构图；
图2是本发明的级数可调的各级U型多级级联型脉管制冷机结构示意图；
图3是本发明的级数可调的各级同轴型多级级联型脉管制冷机结构示意图；
图4是本发明的级数可调的整体同轴型多级级联型脉管制冷机结构示意图；
图5是不同温区级联级数的相对卡诺效率。
其中：1为压缩机、2为压缩机连接管、3为第1套脉管制冷机单元、4为第2套脉管制冷机单元、5为中间多套脉管制冷机单元、6为第(n-1)套脉管制冷机单元、7为第n套脉管制冷机单元、8为回热器热端换热器、9为回热器、10为冷端换热器、11为脉管、12为脉管热端换热器、13为阀门调节组件、13a为第一控制阀、13b是第二控制阀、14为惯性管、15为气库，16为传输管。
具体实施方式
下面根据附图对本发明作进一步说明：
如图1a和图1b所示，一种级数可调的高效率多级级联型脉管制冷机，包括压缩机1、压缩机连接管2、以及与压缩机连接管2依次串联连接的第1套脉管制冷机单元3、第2套脉管制冷机单元4、中间多套脉管制冷机单元5、第(n-1)套脉管制冷机单元6、第n套脉管制冷机单元7，其中n为大于或等于3的正整数。每两套脉管制冷机单元之间包含两个相互并联的支路，阀门调节组件13、惯性管14所组成的支路与气库15相连通，阀门调节组件13、传输管16所组成的支路与下一套脉管制冷机单元相连通。对于第n套脉管制冷机单元，其脉管热端换热器通过带阀门的管路与气库相连。
阀门调节组件具有两个工作位，分别为：单独将第i套脉管制冷机单元与气库导通的第一工作位、以及单独将第i套脉管制冷机单元与第(i+1)套脉管制冷机单元导通的第二工作位。对于第i套脉管制冷机单元，阀门调节组件包括设置在第i套脉管制冷机单元与气库之间管路上的第一控制阀、以及设置在第i套脉管制冷机单元与第(i+1)套脉管制冷机单元中的回热器热端换热器之间管路上的第二控制阀。以第1套脉管制冷机单元3为例，阀门调节组件包括设置在第1套脉管制冷机单元3与气库15之间管路上的第一控制阀13a、以及设置在第1套脉管制冷机单元3与第2套脉管制冷机单元4中的回热器热端换热器之间管路上的第二控制阀13b。
第1套脉管制冷机单元3至第n套脉管制冷机单元7包括依次连通的回热器热端换热器8、回热器9、冷端换热器10、脉管11以及脉管热端换热器12。其中，第1套脉管制冷机单元3至第(n-1)套脉管制冷机单元6的脉管热端换热器12通过上述两支路分别与下一套脉管制冷机单元的回热器热端换热器8连通和与气库15连通，第一控制阀13a位于惯性管14所在支路上，第二控制阀13b位于两套相邻脉管制冷机单元之间的传输管16所在支路上。其中第n套脉管制冷机单元7的脉管热端换热器12通过带阀门的惯性管与气库15连接。
本实施例中，各套脉管制冷机单元工作于同样的热端温度Th与冷端温度Tc下，对于第i套脉管制冷机单元，其中部件j的有效横截面积Ai,j为：
上式中：A1,j为第1套脉管制冷机单元3中部件j的有效横截面积；i为正整数，且满足1≤i≤n；
上述部件j一般为脉管制冷机单元中的各部件。脉管制冷机单元中部件一般包括回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器等。
每套脉管制冷机单元中，回热器和脉管可采用多种布置方式，例如可采用呈直线型布置、U型布置、内外套嵌同轴布置。如图1a所示，采用直线型布置，整体结构简单，安装简便；如图2、图3所示，采用U型布置、内外套嵌同轴布置整体结构紧凑，特别适于安装空间受限的场合。另外，回热器和脉管呈U型布置、内外套嵌同轴布置时，n套脉管制冷机单元中制冷机冷头兼做被冷却对象的支撑连接结构，以减小漏热损失，可进一步提高实际制冷效率。
或者如图4所示，所有n套脉管制冷机单元中，所有回热器和脉管均呈内外套嵌同轴布置，其中第1套脉管制冷机单元3位于最外层，第n套脉管制冷机单元7位于最内层；针对每一套脉管制冷机单元，回热器9位于外层，脉管11位于内层。采用这种技术方案时，整体占用空间少。
上述技术方案中，所有回热器热端换热器8及脉管热端换热器12通过热桥连接，所有冷端换热器10通过热桥连接。实际安装时，既可以采用现有的导热部件将多个回热器热端换热器8、脉管热端换热器12相连，将所有的冷端换热器10相连，也可直接将所有回热器热端换热器8加工成一体结构，或者将冷端换热器加工成一体结构。
实际应用时，根据制冷温区的不同，以及所要达到的效率目标，根据以下公式选择需要的制冷机单元套数：
其中m表示所需脉管制冷机单元的总套数，N[]表示取整函数，η为所需相对卡诺效率。图5所示为计算得到的不同温区级联级数的相对卡诺效率。以150K制冷温度为例，如需相对卡诺效率达到0.75，则根据上式可计算出所需级数为：
如需相对卡诺效率达到0.85，则根据上式可计算出所需级数为：
以233K制冷温度为例，如需相对卡诺效率达到0.5，则根据上式可计算出所需级数为：
如需相对卡诺效率达到0.7，则根据上式可计算出所需级数为：
在此过程中，阀门调节控制过程为：初始状态定为：所有阀门调节组件13中连通传输管支路的第二控制阀13b、以及第n套脉管制冷机单元中阀门全部打开，所有阀门调节组件13中连通惯性管支路的第一控制阀13a全部关闭。当根据制冷温度及所需相对卡诺效率计算得到所需级数m之后，将连接于第m级之后的阀门调节组件13中连通传输管的第二控制阀13b关闭，同时开启该阀门调节组件13中连通惯性管的第一控制阀13a，同时关闭第n套脉管制冷机单元中的阀门。
当使用于需要自动控制的场合时，可通过设置输入单元、计算单元和控制单元实现自动控制。其中输入单元用于已知参数的输入；例如可输入所需的相对卡诺效率η，各套脉管制冷机单元工作的热端温度Th、各套脉管制冷机单元工作的冷端温度Tc等；输入单元可采用常见带有输入窗口的显示屏等；计算单元用于根据已知参数计算需要的套数m，m为大于等于1小于等于n的正整数；计算单元计算所依据的公式可采用：
式中，N[]表示取整函数，η为所需相对卡诺效率，Th为各套脉管制冷机单元工作的热端温度；Tc为各套脉管制冷机单元工作的冷端温度；计算单元输入端与输入单元输出端相连，用于接收输入单元输入的一致参数等；控制单元，根据计算单元得到套数m，打开第1～m套脉管制冷机单元中的阀门调节组件或阀门；控制单元输入端与计算单元输出端相连，控制单元输出端一般与阀门调节组件和阀门同时相连，根据判断条件进行阀门开闭的控制，例如，当m小于n时：需要第1～m套脉管制冷机单元同时工作，控制单元发出启动指令，第1～(m-1)套之间的第二控制阀13b开启，第一控制阀13a关闭；同时开启第m套脉管制冷机单元与气库之间的第一控制阀13a，关闭第m套脉管制冷机单元与第(m+1)套脉管制冷机单元之间的第二控制阀13b。当m等于n时：关闭其余第一控制阀13a的同时，需要同时开启第二控制阀13b，而且需要开启第n套脉管制冷机单元7与气库之间的阀门。上述计算单元和控制单元可直接集中在一控制板中。

Claims (9)

1.一种级数可调的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，包括：压缩机、以及与压缩机依次串联连通的n套脉管制冷机单元、以及同时与所述n套脉管制冷机单元连接的气库，所述n为大于等于3的正整数；
对于第n套脉管制冷机单元，其脉管热端换热器通过带阀门的管路与气库相连；
对于其余第i套脉管制冷机单元，其脉管热端换热器通过阀门调节组件分别与所述气库以及与第(i+1)套脉管制冷机单元中的回热器热端换热器分别连通，其中i为大于等于1且小于n的正整数；
所述阀门调节组件具有两个工作位，分别为：单独将第i套脉管制冷机单元与气库导通的第一工作位、以及单独将第i套脉管制冷机单元与第（i+1）套脉管制冷机单元导通的第二工作位。
2.根据权利要求1所述的级数可调的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，对于第i套脉管制冷机单元，所述阀门调节组件包括设置在第i套脉管制冷机单元与气库之间管路上的第一控制阀、以及设置在第i套脉管制冷机单元与第(i+1)套脉管制冷机单元中的回热器热端换热器之间管路上的第二控制阀。
3.根据权利要求1所述的级数可调的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，所述阀门调节组件为三通控制阀。
4.根据权利要求2或3所述的级数可调的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，包括：
输入单元：用于已知参数的输入；
计算单元：根据已知参数计算需要的套数m，m为大于等于1小于等于n的正整数；
控制单元，根据计算单元得到套数m，打开第1～m套脉管制冷机单元中的阀门调节组件或阀门；
所述计算单元计算所依据的公式为：
上式中，N[]表示取整函数，η为所需相对卡诺效率，Th为各套脉管制冷机单元工作的热端温度；Tc为各套脉管制冷机单元工作的冷端温度。
5.根据权利要求1所述的级数可调的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，各套脉管制冷机单元工作于同样的热端温度Th与冷端温度Tc下，对于第i套脉管制冷机单元，其中部件j的有效横截面积Ai,j为：
上式中：A1,j为第1套脉管制冷机单元（3）中部件j的有效横截面积；i为正整数，且满足1≤i≤n；
所述部件j为所述脉管制冷机单元中的各部件。
6.根据权利要求1所述的级数可调的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，每套脉管制冷机单元中，回热器和脉管呈直线型布置、U型布置、内外套嵌同轴布置。
7.根据权利要求1所述的级数可调的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，所有n套脉管制冷机单元中，所有回热器和脉管均呈内外套嵌同轴布置，其中第1套脉管制冷机单元位于最外层，第n套脉管制冷机单元位于最内层；针对每一套脉管制冷机单元，回热器位于外层，脉管位于内层。
8.根据权利要求6或7所述的级数可调的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，所有回热器热端换热器、脉管热端换热器通过热桥连接，所有冷端换热器通过热桥连接。
9.根据权利要求6所述的级数可调的多级级联型脉管制冷机，其特征在于，回热器和脉管呈U型布置、内外套嵌同轴布置时，所述n套脉管制冷机单元中制冷机冷头兼做被冷却对象的支撑连接结构。
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