CN105371538B - 一种气体分配式脉管制冷机回热器装置 - Google Patents

一种气体分配式脉管制冷机回热器装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气体分配式脉管制冷机回热器装置，它包括工作气体分配器、冷却器、并联回热器组、回气总管等；出压缩机的工作气体，经气体分配器分配给回热器组，回热器并联连接在分配器上，工作气体经回热器组后，汇总于回气总管，然后进入脉管。本发明的有益效果在于：多个回热器并联替代原系统单一的回热器结构，可调整回热器位置以提高空间利用率；工作气体经气体分配器分流后进入小回热器，减少了径向导热损失和环流影响，提高了回热器效率；气体分配器置于冷却器内，增大了工作介质冷却面积，提高冷却效果。

Description

一种气体分配式脉管制冷机回热器装置
技术领域
本发明涉及脉管低温制冷领域，特别涉及一种气体分配式脉管制冷机回热器装置。
背景技术
随着军事、航空航天、医药、生物技术、农业、交通等诸多领域对低温环境的需求，小型低温制冷装置，尤其是高频脉管低温制冷机得以迅速发展。空间技术(如红外、射线探测等)对小型低温制冷装置的制冷温度、效率、可靠性、重量和使用寿命等要求日益严格。回热器是脉管制冷机的重要部件之一，对其性能有着重要影响。在脉管制冷机工作的过程中，冷热工作气体交替流经回热器，回热器内填充多孔介质实现热气和冷气的热量交换，起到存储和回收冷能的作用，并在回热器两端建立起较大的温度梯度。回热器的性能直接影响到整个脉管制冷机的性能，尤其在高频状态下，这种影响尤为明显。
研究表明，回热器所引起的能量损失主要是包括填料的换热损失和工质的流动阻力损失，均与回热器的长度和直径有关。对于设计压比比较大的低温制冷机，对流阻损失的要求不是过于严格，回热器设计长度一般较长，以增强换热，提高效率；而对压比较小的制冷装置，对流阻损失和空容积限制较严格，回热器可以设计的短一些，但回热器的容积较小又影响整体效率。一般采用回热器的长度和直径来衡量多孔介质的填充容积，对容积相同的回热器，长径比的不同所引起的制冷机效率存在差异。为保证回热器在具有较高的回热效率的同时总损失最小，设计时需要选择合适的长径比，一般脉管制冷机的回热器最佳长径比为6-8。但限于制冷机的空间利用情况，有时需要设计尽量紧凑的制冷装置，可能在设计时就需要在制冷机的结构尺寸上加以调整，设置在保证回热器容积的前提下，可能需要长径比较小的回热器以提供空间利用率或适应狭小的空间需求。而长径比较小的回热器，因激波及环流的影响，引起较大径向不均匀温差，从而导致整机效率下降。
目前各国在进行回热器的研究中，尤其在涉及回热器性能优化领域，较多集中在回热器填充介质物性参数及性能的优化上，对填充介质的材质、填充方式、填充孔隙率、比表面积等进行大量的研究工作，甚至采用填充介质的结构形式来弱化交变流工质的激波和环流等现象，进而减小回热器内损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种小型脉管制冷机回热器装置，特别是涉及回热器结构优化以提高小型制冷装置空间利用率、减小回热器径向温度不均匀性，减小回热器内环流影响的方法。本发明是在原有脉管制冷系统基础上的改进，目的就是要有效降低回热器内轴向温度分布不均匀、环流等因素所造成的影响，提高回热器性能，且优化后的回热器结构可根据空间调整布局，充分利用空间，减小系统整体体积。本发明所采用的技术方案主要是：一种气体分配式脉管制冷机回热器装置，它包括冷却器及气体分配器，回热器组，回气总管；其特点在于：
所述气体分配器置于所述冷却器内，所述冷却器内设有折流板，用于增加冷却介质与所述气体分配器的接触面积；所述冷却器和所述气体分配器设置为需求形状；
所述回热器组10由多个相同的回热器组成，各个所述回热器的直径和长度均相同，材质均一，且采用相同的填充方法和工艺，使得进入所述回气总管的气体压力和温度一致；所述回热器内设置有导流隔膜，用于将所述回热器划分为若干平行并联的细长空间；
所述回气总管通过导流板将从所述回热器出来的工作气体输入脉管，或通过连接管将从所述回热器出来的工作气体输入到脉管中；所述回气总管的尺寸和形状与所述冷却器和所述气体分配器相对应；
所述气体分配器9与所述回热器组10通过可拆卸式部件连接，当所述气体分配器与所述回热器接口不连接所述回热器时，通过闷头封堵所述气体分配器；
所述回气总管11与所述回热器组10通过可拆卸式装置相连接，工作介质经所述回气总管汇总后，经连接管或导流板进入脉管工作；所述回热器组10的工作介质通过所述回气总管(11)，将气体均匀分配给所述回热器组10。
本发明所提的导流隔膜为创造性，导流隔膜的材质和数量设计人员可需求设计，但导流隔膜的优化方法亦为本发明权利要求所述内容；
所述气体分配式回热器装置在脉管系统中的具体工作过程如下：
脉管制冷系统工作循环包括四个过程，即充气过程，冷却过程，排气过程和回热过程。工作气体经压缩机压缩后，变为高温高压气体，流经气体分配器后，经与冷却器充分换热后变为高压低温气体；经气体分配器分流的工作气体，增大了与冷却介质的接触面积，从而提高了冷却效果，可显著降低压缩机的功耗；流经并联的回热器组的工作介质，在小直径回热器的引导下流向脉管，减少了回热器内激波和环流等现象，继而减少了回热器的轴向温度不均匀性，减少了轴向换热损失；回热器组的回热器均为相同小回热器，保证流出回热器的工作介质具有相同的工作压力和温度，避免了在回气总管内因压力不均而出现工作气体反冲回回热器的现象；经回气总管汇总的工作介质经导流板或连接管进入脉管，实现气体膨胀和振荡制冷；活塞逆向运动，压缩机内工作气体膨胀，压力减小，脉管内低温气体经回气总管汇集，并均匀分配给小回热器，在回热器内实现蓄冷过程后，变为高温低压气体，经气体分配器和冷却器再次冷却后流回压缩机，再次进入下一个循环。
本发明与现有脉管制冷系统比较，其优点在于：
1.采用多个小回热器并联运行，可以根据空间情况调整回热器布局，可有效提高回热器性能，减小回热器体积，提高空间利用率。或在常规回热器内设置导流隔膜装置，均分回热器填充空间，减小环流现象和轴向温度不均匀性，提高回热器效率。
2.气体分配器设置于冷却器内，有效提高工作气体的冷却效果，可明显降低压缩机的耗功，或在同等耗功、同等气体充注量的情况下获得更低的冷指温度。
3.降低了压缩机进出口工作气体的压力和温度，可有效延长压缩机的使用寿命，提高整机的使用寿命和系统长期安全稳定性。
附图说明
图1为常规单级脉管制冷机系统结构示意图；
图2为本发明带有气体分配器回热器装置的脉管制冷机结构示意图；
图3为本发明冷却器及气体分配器结构示意图；
图4为本发明衍化的回热器优化结构剖面图；
图5为本发明衍化的脉管同轴回热器优化结构剖面图。
图中标号:
1.线性压缩机；2.连接管路；3.冷却器；4.回热器；5.脉管；6.热端换热器；7.惯性管；8.气库；9.冷却器及气体分配器:9.1.冷却介质出口；9.2.冷却介质入口；9.3折流挡板；9.4气体分配器；
10.回热器组:10.1.导流隔膜；10.2.填充多孔介质；
11.回气总管。
具体实施方式
结合附图，以下对本发明的结构原理进一步详细描述。
本发明所述的带有气体分配器的脉管制冷回热器，参照附图2，本发明是在常规脉管制冷装置及系统上的改进，本发明的主要有别于常规脉管系统的部件包括：
(1)冷却器及气体分配器9，其主要包括冷却介质出口9.1、冷却介质入口9.2、折流挡板9.3、气体分配器9.4；
(2)回热器组10，主要包含若干小回热器或在现有回热器4结构上的改进，改进的回热器内增设了可将回热器内填充空间均分的导流隔膜10.1。
(3)回气总管11。
本发明的冷却器和气体分配器9为组合结构，内设折流板9.3和冷却介质流道，如图3所示。折流板9.3主要是通过引流槽改变冷却介质的流向，增加冷却介质与工作气体的接触面积等方法来提高冷却效果；冷却器和气体分配器的结构外形可根据空间及工程需要，设计成需求形状，设计人员可根据具体情况优化布局；气体分配器与小回热器端口可采用法兰、螺纹等可拆卸方法连接，本发明所述连接方法明显优于常规的焊接等不可拆卸方式；本发明便于在施工中对小回热器的数量及布局进行灵活调整，以提高回热器整体性能和提高空间利用；没有连接小回热器的气体分配器端口可采用闷头等措施封堵。
本发明所述的回热器组10，可以设计为多个规格型号完全相同的小回热器并联，以调整整体式回热器4长径比问题及空间利用问题所带来的设计上的不便。本发明所设计的结构可以适应整体式回热器4安装不便或不足的空间，且可以实现原设计的回热器性能或提供更有的解决方法。回热器组中的小回热器必须为完全相同的装置以避免回气总管内工作介质压力不均匀而导致的气体反冲现象。
本发明亦可为在原有整体式回热器结构上的改进，如图4和图5所示。在原有回热器内增设导流隔膜10.1亦可减少回热器内轴向温度不均匀性所产生的导热损失，减少回热器内环流等现象。导流隔膜10.1为本发明的创造性思维和优化方法，导流隔膜的数量和材质为设计、技术人员易于想到的，其内容及改进方法应落入本发明保护的范畴。
本发明所述的回气总管11，与回热器的另一端相连接，其连接方式与气体分配器相同，亦可选择法兰连接或螺纹连接，其内部应为狭小的填充多孔介质的空间或单纯的狭小空间。工作气体汇集于此，并经连接管或者导流板将工作气体输入到脉管，或经连接管或导流板将脉管内气体引流并均匀分配给回热器组。
当线性压缩机1将工作气体压缩，经连接管冲入冷却器和气体分配器9内时，高温高压的气体再次经过冷却并经分配器均匀分配给并联回热器组10的每个小回热器或均匀分配给经导流隔膜10.1优化的整体式回热器4的若干平行空间；流经回热器组10或经优化的整体式回热器的工作气体以相同的压力汇集在回热总管11内，并经连接管或者导流板输送给脉管5进行制冷；当线性压缩机1的活塞逆向运动，压缩机内气体膨胀，压力减少，脉管5内的工作气体逆向流回回气总管11，并在回气总管内经节流降压，温度降低。回气总管逆向将工作气体均匀分配给小回热器10或优化后的回热器内并行空间，工作气体与回热器填充介质进行热交换，将冷量蓄积在回热器内，并经气体分配器汇总后，经再次冷却，流回压缩机1。降低出入压缩机1的温度，进而在不影响质量流量的情况下降低了压缩机的耗功，有利于提高整机性能及运动部件压缩机1的使用寿命。
本发明的实施效果在于，改变回热器的常规设计方法，减少设备体积，提高空间利用率；改善回热器性能，提高整机效率；减少压缩机耗功，提高其使用寿命和整机长期安全可靠性。
以上显示和描述了发明的基本原理和主要特征和发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种气体分配式脉管制冷机回热器装置，它包括冷却器及气体分配器，回热器组，回气总管；其特征在于：
所述气体分配器置于所述冷却器内，组成组合结构冷却器及气体分配器(9)；所述冷却器内设有折流板，用于增加冷却介质与所述气体分配器的接触面积；所述冷却器和所述气体分配器设置为需求形状；
所述回热器组(10)由多个相同的回热器组成，各个所述回热器的直径和长度均相同，材质均一，且采用相同的填充方法和工艺，使得进入所述回气总管的气体压力和温度一致；所述回热器内设置有导流隔膜，用于将所述回热器划分为若干平行并联的细长空间；
所述回气总管通过导流板将从所述回热器出来的工作气体输入脉管，或通过连接管将从所述回热器出来的工作气体输入到脉管中；所述回气总管的尺寸和形状与所述冷却器和所述气体分配器相对应；
所述冷却器及气体分配器(9)与所述回热器组(10)通过可拆卸式部件连接，当所述气体分配器(9.4)与所述回热器接口不连接所述回热器时，通过闷头封堵所述气体分配器(9.4)；
所述回气总管(11)与所述回热器组(10)通过可拆卸式装置相连接，工作介质经所述回气总管汇总后，经连接管或导流板进入脉管工作；所述回热器组(10)的工作介质通过所述回气总管(11)，将气体均匀分配给所述回热器组(10)。
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