CN105509361B - 带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机 - Google Patents

带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有阻隔流动的声功传输部件多级回热式制冷机，在多级回热式制冷机的不同工作温区的子回热器的连接处布置阻隔流动的声功传输部件，将多级回热式制冷机的若干个子回热器相互隔绝，无质量的交换，且依据各子回热器的工作温区，利用实验测试或者数值模拟，采用现有的方法，确定与之对应的最优充气压力，同时由于该部件具有弹性可以实现来自压缩机的声功的近乎无损的高效传输，使得该多级回热式制冷机的子回热器在任何一个温度区间都工作在最优的工况，从而使整个回热器工作在较大的温度区间(如4‑300K)的同时具有较高的效率，且结构更加紧凑。

Description

带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机
技术领域
本发明涉及一种回热式低温制冷机，尤其是涉及一种带有阻隔流动的声功传输部件的多级脉管制冷机和斯特林/脉管复合型制冷机。
背景技术
回热式低温制冷技术在国防军事、能源医疗、航空航天、低温物理等领域有着不可或缺的重要作用。其中回热器是回热式低温制冷技术的关键，当前的回热式制冷技术在80K温区技术相对成熟，但是对20K以下的温区，当前回热式制冷技术的效率低下，结构复杂。
脉管制冷机由Gifford和Longsworth于1964年提出，它在冷端不存在运动部件，具有高可靠性和长寿命的潜在优势，经过近半个世纪的发展，脉管制冷机目前已广泛应用于航空航天、低温超导等领域。根据驱动源的不同，脉管制冷机主要分为G-M脉管制冷机(也称低频脉管制冷机)和Stirling脉管制冷机(也称高频脉管制冷机)；G-M脉管制冷机由G-M制冷机的压缩机驱动，其工作频率一般为1～2Hz，Stirling脉管制冷机由线性压缩机驱动，其工作频率一般在30Hz。
目前G-M脉管制冷机可以获得的最低温度为1.3K，已实现液氦及以上温区的商业化应用，但是其在液氦温区的效率很低(在4.2K获得1W的制冷量需要输入6～10kW的电功)；而与G-M脉管制冷机相比，Stirling脉管制冷机具有结构紧凑、效率高、重量轻等一系列优势，而且它在35K及以上温区的技术相对成熟，目前已广泛应用于上述温区的航空航天任务中。
R.Stirling于1817年发明了斯特林发动机，A.Kirk将结构进行改进于1874年实现了制冷效应，即斯特林制冷机。经过近两个世纪的发展，斯特林制冷机当前已广泛应用于航空航天，国防军事等领域，且其在35K及以上温区技术相对成熟，但目前仍无法高效长寿命工作于20K及以下温区。
当前，为获得较低的制冷温度(如20K以下)必须采用多级制冷结构，其中制冷机的耦合方式主要有热耦合和气耦合两种方式。虽然热耦合的方式能够使各级之间独立运行在彼此的最佳工况，但是由于存在多段回热器(如两级脉管制冷机采用热耦合方式便存在三段回热器，分别为预冷级回热器，低温级预冷段回热器和低温级回热器，其中预冷级回热器和低温级预冷段回热器工作在相同温度)，与气耦合方式相比，其存在较大的回热器损失，且预冷级与低温级之间需要由热桥进行热传导，热阻的存在进一步降低了其效率。
对于气耦合方式而言，虽然其回热器段数较少，但是由于回热器在不同的温区存在不同的最佳运行压力，而气耦合回热器只能在一个充气压力下工作，导致高温段回热器和低温段回热器性能无法兼顾，从而导致气耦合方式的回热式制冷机效率也不高。
图5展示了不同冷端温度(80K，35K，4K)下的最佳运行压力，从图中可以看出对80K，35K和4K温度而言，对应的最优运行压力分别3MPa，1.5MPa和1Mpa，如上所述不同温区之间最优运行压力不同，气耦合的方式使得回热器在整个温区内只能选择一个充气压力，而且往往选择低温段回热器，从而导致高温段回热器较大的偏离了最佳运行工况，进而造成深低温温区的回热式制冷方式效率极低。
当前气耦合的方式虽然效率不高，但是由于其存在较少的回热器段数减小了回热器损失，同时由于其采用内预冷的方式减少了预冷的热阻，使其成为一种非常具有前景的深低温回热式制冷机耦合方式，其关键技术难题为如何实现整个温区内充气压力与工作温度的耦合。
发明内容
为解决多级回热式制冷机中气耦合方式的难以实现全温区温度与最优充气压力之间匹配的难题，本发明提供了一种带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机，实现了多级回热式制冷机在整个温区内的运行压力与设计工作温度一一最佳耦合(如图5所示)，最终实现多级回热式制冷机的高效制冷，同时结构更加紧凑。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下几种优选的多级回热式制冷机，下述几种多级回热式制冷机的制冷效率均较高，均能高效达到20K及更低的工作温区。
一种带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机，包括依次相连的两个或两个以上的回热器，至少有一组相邻的两个回热器的连接部位设有阻隔流动的声功传输部件，该阻隔流动的声功传输部件将相邻的两个回热器独立开来，保证各个回热器工作在各自的最佳充气压力下，且可将相邻回热器的声功传输。
作为优选，所述多级回热式制冷机为多级脉管制冷机。
作为进一步优选，所述多级脉管制冷机为二级脉管制冷机，所述阻隔流动的声功传输部件设置在第一级回热器冷端与第二级回热器热端之间。
更进一步优选，所述二级脉管制冷机一包括通过管路依次连通的压缩机、回热器热端换热器、第一级回热器、第一级冷端换热器、第一级脉管、第一级脉管热端换热器、第一级调相机构；通过管路依次连通的第二级回热器、第二级冷端换热器、第二级脉管、第二级脉管热端换热器、第二级调相机构；第一级回热器冷端通过所述的阻隔流动的声功传输部件与第二级回热器热端连接。
为进一步降低脉管制冷机的工作温度，作为优选，作为优选，所述二级脉管制冷机中：第二级调相机构同时与第二级脉管热端换热器和第一级冷端换热器相连换热。所述第一级调相机构和第二级调相机构均由一气库以及设于该气库与相应的脉管热端换热器之间的惯性管组成，同时该气库上布置有与之对应的充气阀。
斯特林/脉管复合型制冷机作为一种近期提出的新型结构，具有效率高和结构紧凑的优点，所以作为优选，所述多级回热式制冷机为斯特林/脉管复合型制冷机，包括至少一个斯特林级制冷机和至少一个脉管级制冷机，所述斯特林级制冷机和脉管级制冷机的连接部位设有所述的阻隔流动的声功传输部件，该阻隔流动的声功传输部件将斯特林级制冷机和脉管级制冷机独立开来，保证各级工作在各自的最佳充气压力下，且可实现级间的声功传输。
作为优选，所述斯特林/脉管复合型制冷机包括压缩机、预冷级斯特林制冷机和低温级脉管制冷机。所述压缩机通过管路与预冷级斯特林制冷机热端连通，所述预冷级斯特林制冷机的冷端通过阻隔流动的声功传输部件与低温级脉管制冷机的热端相连。所述预冷级斯特林制冷机包括气缸、板弹簧、级后冷却器、连杆、排出器、热端密封圈、冷端密封圈、预冷级冷端换热器；其中排出器通过连杆连接到板弹簧并固定在气缸热端，热端密封圈和冷端密封圈分别布置在排出器的热端和冷端，级后冷却器布置在板弹簧和排出器热端之间，预冷级冷端换热器布置在气缸冷端。所述低温级脉管制冷机包括通过管路依次连通的回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器及调相机构。
所述斯特林/脉管复合型制冷机中，所述调相机构由一气库以及设于该气库与相应的脉管热端换热器之间的惯性管组成，同时该气库上布置有与之对应的充气阀。
为进一步降低斯特林/脉管复合型制冷机的工作温度，作为优选，所述调相机构同时与所述脉管热端换热器和预冷级冷端换热器相连。
作为优选，至少一个脉管级制冷机包括至少两个回热器，且至少有一组相邻的两个回热器的连接部位布置有阻隔流动的声功传输部件，该阻隔流动的声功传输部件将相邻的两个回热器独立开来，保证各个回热器工作在各自的最佳充气压力下，且可将相邻回热器的声功传输。即在预冷级斯特林制冷机与低温级脉管制冷机的连接处以及低温级脉管制冷机的各级回热器的连接处至少有一处布置有阻隔流动的声功传输部件。
作为优选，所述阻隔流动的声功传输部件可选择弹性密封材料。在多级回热式制冷机的不同工作温区的子回热器的连接处布置阻隔流动的声功传输部件，将多级回热式制冷机的若干个子回热器相互隔绝，无质量的交换，且依据各子回热器的工作温区，利用实验测试或者数值模拟，采用现有的方法，确定与之对应的最优充气压力，同时由于该部件具有弹性可以实现来自压缩机的声功的近乎无损的高效传输，使得该多级回热式制冷机的子回热器在任何一个温度区间都工作在最优的工况，从而使整个回热器工作在较大的温度区间(如4-300K)的同时具有较高的效率。作为进一步优选，所述阻隔流动的声功传输部件为密封弹性膜片。
本发明的多级回热式制冷机在其子回热器相连的部位布置有阻隔流动的声功传输部件，如密封弹性膜片等材料，阻隔流动的声功传输部件可以实现多级回热式制冷机的不同温区子回热器之间的流动阻隔，使得其两侧的子回热器可以运行在不同的充气压力，同时不阻碍来自压缩机的声功的传输，从而实现多级回热式制冷机在整个温区内的运行压力与设计工作温度一一最佳耦合(如图5所示)，最终实现多级回热式制冷机的高效制冷，同时结构更加紧凑。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明的多级回热式制冷机，在多级回热式制冷机的不同工作温区的子回热器的连接处布置阻隔流动的声功传输部件，将多级回热式制冷机的若干个子回热器相互隔绝，无质量的交换，且依据各子回热器的工作温区，利用实验测试或者数值模拟，采用现有的方法，确定与之对应的最优充气压力，同时由于该部件具有弹性可以实现来自压缩机的声功的近乎无损的高效传输，使得该多级回热式制冷机的子回热器在任何一个温度区间都工作在最优的工况，从而使整个回热器工作在较大的温度区间(如4-300K)的同时具有较高的效率。
附图说明
图1为本发明的带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机的一种实施方式的结构示意图。
图2为本发明的带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机的另一种实施方式的结构示意图。
图3为本发明的带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机的第三种实施方式的结构示意图。
图4为本发明的带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机的第四种实施方式的结构示意图。
图5为不同工作温度下回热器充气压力对制冷机效率的影响。
具体实施方式
实施例1
如图1所示：一种带有阻隔流动的声功传输部件两级高频脉管制冷机包括：压缩机C、回热器热端换热器HX1、第一级回热器RG1、第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3、第一级惯性管I1、第一级气库R1、第一级充气阀V1、阻隔流动的声功传输部件MIAT1、第二级回热器RG2、第二级冷端换热器HX4、第二级脉管PT2、第二级脉管热端换热器HX5、第二级惯性管I2、第二级气库R2、第二级充气阀V2。
上述各部件的连接方式如下：压缩机C通过管路依次与回热器热端换热器HX1、第一级回热器RG1、第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3、第一级惯性管I1、第一级气库R1、第一级充气阀V1连通；第二级回热器RG2冷端通过流道依次与第二级冷端换热器HX4、第二级脉管PT2、第二级脉管热端换热器HX5、第二级惯性管I2、第二级气库R2、第二级充气阀V2连通；第一级回热器RG1冷端通过阻隔流动的声功传输部件MIAT1与第二级回热器RG2热端连接，实现第一级回热器RG1和第二级回热器RG2之间的流动阻隔和声功传输。
本实施方式的带有阻隔流动的声功传输部件的回热器的两级高频脉管制冷机的运行过程为：
经过压缩机C压缩的高温高压气体流经回热器热端换热器HX1后冷却至室温，然后与第一级回热器RG1中的回热填料进行换热，温度降低，气体依次通过第一级冷端换热器HX2、第一级脉管PT1、第一级脉管热端换热器HX3、第一级惯性管I1进入第一级气库R1，稳定运行后在第一级冷端换热器HX2处产生制冷效应。第二级回热器RG2靠近热端的气体在第一级冷端换热器HX2的制冷效应的预冷下，温度降至第一级冷端换热器HX2的温度，同时第一级回热器RG1冷端的声功通过阻隔流动的声功传输部件MIAT1传输至第二级回热器RG2热端，驱动第二级回热器RG2中的气体依次通过第二级冷端换热器HX4、第二级脉管PT2、第二级脉管热端换热器HX5、第二级惯性管I2进入第二级气库R2，稳定运行后在第二级冷端换热器HX4处产生制冷效应。
实施例2
如图2所示，一种带有阻隔流动的声功传输部件的回热器的二级高频脉管制冷机，与实施例1的区别在于：第二级充气阀V2、第二级气库R2、第二级惯性管I2与第二级脉管热端换热器HX5同时与第一级冷端换热器HX2相连，通过降低第二级气库R2和第二级惯性管I2的工作温度以获得更大的调相角度，最终进一步提高该脉管制冷机制冷效率。
实施例3
如图3所示，一种带有阻隔流动的声功传输部件两级斯特林/脉管复合型制冷机包括：压缩机C、气缸SC、板弹簧FB、连杆RD、级后冷却器AC、排出器DS、热端密封圈HS、冷端密封圈CS、预冷级冷端换热器CHX1、阻隔流动的声功传输部件MIAT、回热器RG、冷端换热器CHX2、脉管PT、脉管热端换热器HHX、惯性管I、气库R、充气阀V。
上述各部件的连接方式如下：板弹簧FB、连杆RD、级后冷却器AC、排出器DS、热端密封圈HS、冷端密封圈CS和预冷级冷端换热器CHX1置于气缸SC内，排出器DS通过连杆RD与板弹簧FB连接固定在气缸SC热端，热端密封圈HS和冷端密封圈CS分别布置在排出器DS的热端和冷端，级后冷却器AC布置在板弹簧FB和排出器DS热端之间，预冷级冷端换热器CHX1布置在气缸SC冷端，压缩机C通过管路与气缸SC热端连通；回热器RG通过管路依次与冷端换热器CHX2、脉管PT、脉管热端换热器HHX、惯性管I、气库R和充气阀V连接；预冷级冷端换热器CHX1通过阻隔流动的声功传输部件MIAT与回热器RG相连。
本实施方式的带有阻隔流动的声功传输部件两级斯特林/脉管复合型制冷机的运行过程为：
经过压缩机C压缩的高温高压气体流经级后冷却器AC后冷却至室温，然后与排出器DS中的回热填料进行换热，温度降低，通过控制压缩机C与排出器DS之间的运动，实现低温高压气体在冷端膨胀，温度进一步降低，在预冷级冷端换热器CHX1处产生制冷效应，回热器RG内的气体经过预冷级冷端换热器CHX1的冷却作用，初始温度降至预冷级冷端换热器CHX1的温度，同时预冷级冷端换热器CHX1处的声功通过阻隔流动的声功传输部件MIAT传输至回热器RG内，驱动回热器RG中的气体依次通过冷端换热器CHX2、脉管PT、脉管热端换热器HHX、惯性管I进入气库R，稳定运行后在冷端换热器CHX2处产生制冷效应。
实施例4
如图4所示，一种带有阻隔流动的声功传输部件两级斯特林/脉管复合型制冷机，与实施例3的区别在于：充气阀V、气库R、惯性管I与脉管热端换热器HHX同时与预冷级冷端换热器CHX1相连，通过降低气库R和惯性管I的工作温度以获得更大的调相角度，最终进一步提高该脉管制冷机制冷效率。

Claims (10)

1.一种带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机，包括依次相连的两个或两个以上的回热器，其特征在于，至少有一组相邻的两个回热器的连接部位设有阻隔流动的声功传输部件，该阻隔流动的声功传输部件将相邻的两个回热器独立开来，保证各个回热器工作在各自的最佳充气压力下，且可将相邻回热器的声功传输。
2.根据权利要求1所述的带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机，其特征在于，所述多级回热式制冷机为多级脉管制冷机。
3.根据权利要求2所述的带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机，其特征在于，所述多级脉管制冷机为二级脉管制冷机，所述阻隔流动的声功传输部件设置在第一级回热器冷端与第二级回热器热端之间。
4.根据权利要求3所述的带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机，其特征在于，所述二级脉管制冷机中：第二级调相机构同时与第二级脉管热端换热器和第一级冷端换热器相连换热。
5.根据权利要求1所述的带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机，其特征在于，所述多级回热式制冷机为斯特林/脉管复合型制冷机，包括至少一个斯特林级制冷机和至少一个脉管级制冷机，所述斯特林级制冷机和脉管级制冷机的连接部位设有所述的阻隔流动的声功传输部件，该阻隔流动的声功传输部件将斯特林级制冷机和脉管级制冷机独立开来，保证各级工作在各自的最佳充气压力下，且可实现级间的声功传输。
6.根据权利要求5所述的带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机，其特征在于，至少一个脉管级制冷机包括至少两个回热器，且至少有一组相邻的两个回热器的连接部位布置有阻隔流动的声功传输部件，该阻隔流动的声功传输部件将相邻的两个回热器独立开来，保证各个回热器工作在各自的最佳充气压力下，且可将相邻回热器的声功传输。
7.根据权利要求5所述的带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机，其特征在于，所述多级回热式制冷机包括压缩机、预冷级斯特林制冷机和低温级脉管制冷机，所述压缩机通过管路与预冷级斯特林制冷机热端连通，所述预冷级斯特林制冷机的冷端通过阻隔流动的声功传输部件与低温级脉管制冷机的热端相连。
8.根据权利要求7所述的带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机，其特征在于，所述低温级脉管制冷机中的调相机构同时与低温级脉管制冷机中脉管热端换热器和预冷级斯特林制冷机中预冷级冷端换热器相连换热。
9.根据权利要求1～8任一权利要求所述的带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机，其特征在于，所述阻隔流动的声功传输部件由弹性密封材料制成。
10.根据权利要求9所述的带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机，其特征在于，所述阻隔流动的声功传输部件为密封弹性膜片。
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