CN104764237A - 一种可提高制冷效率的可控直流装置及改进型脉管制冷机 - Google Patents

一种可提高制冷效率的可控直流装置及改进型脉管制冷机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可提高制冷效率的可控直流装置，包括流量控制装置(9)、恒压气库(10)和单向限压阀(11)；所述恒压气库(10)位于所述流量控制装置(9)和所述单向限压阀(11)之间，通过连接管路进行连接。本发明还公开了一种包含上述可控直流装置的改进型脉管制冷机，包括脉管制冷机和可控直流装置，所述可控直流装置两端分别与所述脉管制冷机的回热器侧和脉管侧连接。在脉管制冷机中加入本申请的可控直流装置之后，能够在脉管制冷机中形成稳定的可控直流，具有提高脉管制冷机制冷效率的优点。

Description

一种可提高制冷效率的可控直流装置及改进型脉管制冷机
技术领域
本发明属于制冷机技术领域，涉及一种可提高制冷效率的可控直流装置及改进型脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机是20世纪60年代由美国的Gifford和Longthworth共同提出的，具有紧凑性好、效率高、可靠性高等突出优点，在航天、军事等方面有广泛的应用前景。脉管制冷机的发展经历了基本型脉管制冷机、小孔型脉管制冷机、双向进气型、惯性管型脉管制冷机等几个发展阶段。现在所使用的脉管制冷机大部分为双向进气型、惯性管型以及两者的混合。
理想的脉管制冷机不存在直流，然而理论和实验表明，一定流量的正向、负向直流都具有提高脉管制冷机制冷性能的潜力。浙江大学陈国邦教授等首先在液氦温区GM型脉管制冷机中引入负向直流，降低了脉管中部温度，提高了制冷机性能；王超通过数值分析表明液氦温区GM型脉管制冷机中负向直流可以提高脉管制冷机性能，并通过实验予以证明；揭示脉管制冷机直流产生机理的Gedeon在数值模拟中发现，负向直流对液氮温区的脉管制冷性能也有提升。另一方面，1999年杨鲁伟等在GM型脉管制冷机中将气库与压缩机高压侧相连，产生一股正向直流，在20K温区制冷效率得到了提高，说明正向直流在一定条件下也可以提高脉管制冷机的效率。负向直流的方向定义为：回热器热端‐冷端‐脉管热端；正向直流的方向为：脉管热端‐冷端‐回热器热端。注意到，提高脉管制冷机制冷性能的直流流量很小，大约为交流质量流振幅的千分之一量级。(参考文献：1、Gedeon,D.,DC gas flows in stirling and pulsetube cryocoolers,in Cryocoolers 9,R.G.Ross,R.G.Ross^Editors.1997,Plenum Press Div PlenumPublishing Corp:New York.p.385‐392.2、Chen,G.,et al.,Experimental study on a double‐orificetwo‐stage pulse tube refrigerator.Cryogenics,1997.37(5):p.271‐273.3、Wang,C.,G.Thummesand C.Heiden,Effects of DC gas flow on performance of two‐stage 4 K pulse tube coolers.Cryogenics,1998.38(6):p.689‐695.4、曹强.液氦温区多级斯特林型脉管制冷机理研究[D].浙江大学,2012.)
直流因气体环路结构而产生。典型的气体环路结构为双向进气结构，然而双向进气结构产生的直流存在不稳定和难以控制的问题。直流流量随温度、压力、功率等运行参数发生变化，不稳定。直流流量不随阀门开度(一般为两个非对称阀门并联或串联)变化而有规律地变化。事实上，目前的双向进气结构中直流的流量是未知的。
不稳定和难以控制的直流对往往会削弱制冷性能、带来制冷机运行不稳定。因为直流流量超过最佳流量后，携带的附加焓流会成为冷端热负荷，直接降低制冷量。因此如何利用直流的关键问题在于控制直流的大小和稳定性。GM型脉管制冷机由于压缩机形成高压侧和低压侧，通过管路连接即可解决问题。然而斯特林型脉管制冷机中不存在高压侧和低压侧，该问题变得十分困难。
发明内容
为了改进现有脉管制冷机的性能，本发明的目的是提供一种可提高制冷效率的可控直流装置。
本发明的另一个目的是提供一种包括上述可控直流装置的改进型脉管制冷机。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种可提高制冷效率的可控直流装置，包括流量控制装置、恒压气库和单向限压阀；所述恒压气库位于所述流量控制装置和所述单向限压阀之间，通过连接管路进行连接。
所述流量控制装置为用于控制流量的具有一定阻力的装置，优选为阀门、毛细管、喷嘴、多孔介质形成的阻力元件。
所述单向限压阀可以是高压限压阀，也可以是低压限压阀。相应的，恒压气库内形成的可以是高于系统平均压力的压力(简称高压)，也可以是低于系统平均压力的压力(简称低压)。
所述恒压气库是一刚性容器。
所述可提高制冷效率的可控直流装置的两端可置于相同的温度或不相同的温度。
本发明还提供了一种改进型脉管制冷机，包括脉管制冷机和可控直流装置，所述可控直流装置两端分别与所述脉管制冷机的回热器侧和脉管侧连接。
所述回热器侧包括压缩机、水冷器、回热器和传输管，所述压缩机通过所述传输管与所述水冷器的一端连接，所述水冷器的另一端与所述回热器的一端连接，所述回热器的另一端与冷端换热器通过管道连接。
所述脉管侧包括冷端换热器、脉管、热端换热器、惯性管和气库，所述冷端换热器和所述热端换热器分别位于所述脉管的两端，所述热端换热器的另一端通过所述惯性管与所述气库连接。
所述脉管制冷机为斯特林型脉管制冷机；所述脉管制冷机为小孔型脉管制冷机、双向进气型脉管制冷机、惯性管型脉管制冷机、活塞调相型脉管制冷机、双向进气与惯性管联合调相型脉管制冷机或活塞与惯性管联合调相型脉管制冷机。
所述脉管制冷机为单级结构脉管制冷机或多级结构脉管制冷机，包括同轴型、U型、直线型等各种形式的脉管制冷机。
所述可控直流装置与回热器侧或脉管侧相连的连接管为一定直径、一定长度的等径或变径管。
本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
在脉管制冷机中加入本申请的可控直流装置之后，能够在脉管制冷机中形成稳定的可控直流，具有提高脉管制冷机制冷效率的优点。
本申请通过单向限压阀在恒压气库形成稳定的低压或高压，在脉管制冷机中形成稳定的正向或负向直流，通过流量控制装置调节流量。
本申请的可控直流装置克服了传统双向进气等装置产生的直流难以控制，从而使制冷温度不稳定的缺点。
附图说明
图1是本发明实施例的可控直流装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的改进型脉管制冷机的结构示意图。
其中：1为压缩机、2为水冷器、3为回热器、4为冷端换热器、5为脉管、6为热端换热器、7为惯性管、8为气库、9为流量控制装置、10为恒压气库、11为单向限压阀、12为传输管。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，图1是本发明实施例的可控直流装置的结构示意图。
一种可提高制冷效率的可控直流装置，包括流量控制装置9、恒压气库10和单向限压阀11；所述恒压气库10位于所述流量控制装置9和所述单向限压阀11之间，通过连接管路进行连接。
流量控制装置9为用于控制流量的具有一定阻力的装置，采用可调节阀门、毛细管、喷嘴、多孔介质形成的阻力元件。单向限压阀11可以是高压限压阀，也可以是低压限压阀。相应的，恒压气库内形成的可以是高于系统平均压力的压力(简称高压)，也可以是低于系统平均压力的压力(简称低压)。恒压气库10是一刚性容器，具有一定的体积大小(比如500cc)。可提高制冷效率的可控直流装置的两端可置于相同的温度或不相同的温度。
图2为本发明实施例的改进型脉管制冷机的结构示意图，包括脉管制冷机和上述可控直流装置，所述可控直流装置两端分别与所述脉管制冷机的回热器侧和脉管侧连接。可控直流装置的两端(图1中的A端与B端)可以是室温部件、多级结构中的某一中间级温度处、回热器/脉管中部的某等温点，也可置于两不等温点。两不等温点：比如A端置于室温回热器侧，而B端置于多级结构中的某一中间级温度的脉管。或者：单向限压阀11的B端可与回热器侧连接，也可与脉管侧连接；相应地，可控直流装置的A端与另一侧连接。图2中给出了一种实施方式，A端与脉管侧的气库连接，B端与回热器侧的传输管连接。
所述回热器侧包括压缩机1、水冷器2、回热器3和传输管12，所述压缩机1通过所述传输管12与所述水冷器2的一端连接，所述水冷器2的另一端与所述回热器3的一端连接，所述回热器3的另一端与冷端换热器4通过管道连接。所述脉管侧包括冷端换热器4、脉管5、热端换热器6、惯性管7和气库8，所述冷端换热器4和所述热端换热器6分别位于所述脉管5的两端，所述热端换热器6的另一端通过所述惯性管7与所述气库8连接。所述脉管制冷机为斯特林型脉管制冷机；所述脉管制冷机为小孔型脉管制冷机、双向进气型脉管制冷机、惯性管型脉管制冷机、活塞调相型脉管制冷机、双向进气与惯性管联合调相型脉管制冷机或活塞与惯性管联合调相型脉管制冷机。
所述脉管制冷机为单级结构脉管制冷机或多级结构脉管制冷机，包括同轴型、U型、直线型等各种形式。
本发明采用可控直流装置应用于脉管制冷机，单向限压阀11为低压限压阀，具有单通性，只允许压力低于一定值的气体从恒压气库10流入传输管12，获得低压质量流，从而在恒压气库10中形成一定容积的低压气体。通过流量控制装置9与气库8连通，通过环路在脉管制冷机内部在一周期内形成稳定的反向直流。具体环路为：恒压气库10经单向限压阀11的直流流经传输管12、水冷器2、回热器3、冷端换热器4、脉管5、热端换热器6、惯性管7、气库8、流量控制装置9，回到恒压气库10；在脉管制冷机中形成如图2中箭头所示的直流。直流流量与流量控制装置9开度成正比。进一步标定阀门，通过压差与阀门开度即可算得流量。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可提高制冷效率的可控直流装置，其特征在于：包括流量控制装置(9)、恒压气库(10)和单向限压阀(11)；所述恒压气库(10)位于所述流量控制装置(9)和所述单向限压阀(11)之间，通过连接管路进行连接。
2.根据权利要求1所述的可提高制冷效率的可控直流装置，其特征在于：所述流量控制装置(9)为用于控制流量的具有一定阻力的装置。
3.根据权利要求1所述的可提高制冷效率的可控直流装置，其特征在于：所述流量控制装置(9)为阀门、毛细管、喷嘴或多孔介质形成的阻力元件。
4.根据权利要求1所述的可提高制冷效率的可控直流装置，其特征在于：所述单向限压阀(11)是高压限压阀或低压限压阀。
5.根据权利要求1所述的可提高制冷效率的可控直流装置，其特征在于：所述恒压气库(10)是一刚性容器。
6.一种包含权利要求1至5任一所述的可控直流装置的改进型脉管制冷机，其特征在于：包括脉管制冷机和可控直流装置，所述可控直流装置两端分别与所述脉管制冷机的回热器侧和脉管侧连接。
7.根据权利要求6所述的改进型脉管制冷机，其特征在于：所述回热器侧包括压缩机(1)、水冷器(2)、回热器(3)和传输管(12)，所述压缩机(1)通过所述传输管(12)与所述水冷器(2)的一端连接，所述水冷器(2)的另一端与所述回热器(3)的一端连接，所述回热器(3)的另一端与冷端换热器(4)通过管道连接。
8.根据权利要求6所述的改进型脉管制冷机，其特征在于：所述脉管侧包括冷端换热器(4)、脉管(5)、热端换热器(6)、惯性管(7)和气库(8)，所述冷端换热器(4)和所述热端换热器(6)分别位于所述脉管(5)的两端，所述热端换热器(6)的另一端通过所述惯性管(7)与所述气库(8)连接。
9.根据权利要求6所述的改进型脉管制冷机，其特征在于：所述脉管制冷机为斯特林型脉管制冷机；所述脉管制冷机为小孔型脉管制冷机、双向进气型脉管制冷机、惯性管型脉管制冷机、活塞调相型脉管制冷机、双向进气与惯性管联合调相型脉管制冷机或活塞与惯性管联合调相型脉管制冷机。
10.根据权利要求6所述的改进型脉管制冷机，其特征在于：所述脉管制冷机为单级结构脉管制冷机或多级结构脉管制冷机，包括同轴型、U型或直线型脉管制冷机。
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