CN1065332C - 脉管制冷机 - Google Patents
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Abstract
本脉管制冷机的特征在于在一般脉管的热端接入一个高压气库和一个低压气库,并在高、低压气库与脉管之间接有控制阀。当压比较高时,还可再增设若干不同压力等级的中压气库。上述气库也可用一根细管代替,细管两头都通入脉管热端,管的两头各装一单向阀,使管内气体只能沿一个方向流动。由于进、排气过程是等压的,脉管内高压气体是可逆绝热膨胀到低压气体,因而制冷系数高,制冷效率接近100%。该机适合作为膨胀机使用。
Description
本发明涉及气体制冷机,特别是一种脉管制冷机。
目前的小孔脉管制冷机包括高压进气阀、低压排气阀、回热器、冷却器、冷量换热器和层流化元件等,并在脉管尾部设有小孔和气库系统。由于小孔的节流作用,将高压气体的膨胀功耗散成热放入环境,从而使脉管具有制冷效果。如果脉管热端没有这种不可逆损失存在,脉管也就不制冷了。但脉管制冷机中单位质量气体的毛制冷量很低,从而导致理论效率很低。造成这一状况的原因是,在高压进气阀打开时有一个不等压充气过程,这是一个不可逆过程。在低压排气阀打开时有一个不等压排气过程,也是一个不可逆过程,必然造成很大的不可逆损失这两个过程使得脉管制冷机的理论制冷效率很低,而完善循环的理论制冷效率是100%。脉管在小制冷量场合应用时,这个缺点尚不明显。但在需要大制冷量的场合,这个缺点就十分突出了。
本发明的目的是要避免现有脉管制冷机高、低压阀进排气时的不可逆损失,实现等熵膨胀、获得最大的温降和单位制冷量,从而提高脉管制冷机的理论制冷效率。
本发明的解决方案是:在现有脉管的热端接入一个高压气库和一个低压气库,在高、低压气库与脉管之间接有阀门
当脉管的压比较高时,需在高、低压气库之间再增设若干不同压力等级的中压气库,中压气库与脉管热端间也接有阀门
以下结合附图洋细描述本发明的实施例
图1是高、低压气库脉管制冷机一种具体结构的纵剖面图
图 2是高、中、低压气库脉管制冷机的纵剖面图
图3是高、低压气库制冷机工作过程中脉管内气体分布示意图。
图4是用细管代替气库的结构图。
参见图1,脉管7的冷端71有端盖4、层流化元件5以及高压进气阀1和低压排气阀2,进、排气管21、22通过一个总管3通入脉管冷端71 进、排气一般可通过转阀实现切换。但为了便于说明工作过程,进、排气管上的阀门1、2采用分置式脉管热端72有端盖9和层流化元件8、图中,在脉管热端设有一个高压气库12和一个低压气库13,在高压气库12与脉管热端的连接管11上装有高压气库阀10;在低压气库13与脉管热端的连接管14上装有低压气库阀15、这里的高、低压气库阀10、15为分置式,也可用一个转阀代替。图中高、低压气库与高、低压气源的压力基本相同。
具有高、低压气库的脉管制冷机工作过程如下:①进、排气阀1、2关闭,低压气库阀15也关闭,此时脉管内为低压气源压力将高压气库阀10打开,气体从高压气库12流入脉管7热端72,使脉管内气体压力升至接近于高压气库的压力,这是因为气库体积较脉管大得多的缘故。这一过程结束后的气体分布如图3-1所示:②打开进气阀1,其它阀状态不变,高压气体经进气阀1流入脉管7冷端,因高压气源的压力略高于高压气库,将刚刚从高压气库12流入脉管热端的气体又压回高压气库内,这一过程基本上为等压进气过程,气体分布如图3-2。③高压气库阀10关闭,进气阀1关闭,排气阀2仍保持关闭,低压气库阀15打开,脉管热端的气体流入低压气库13,脉管7内压力降至低压气库13的压力,在过程②中进入脉管冷端的气体等熵膨胀到低压气库的压力,温度降低,气体分布如图3-3。④低压排气阀2打开,其它阀状态不变,低压气库13内气体流入脉管热端,将过程③中膨胀后的气体经排气阀2驱赶出脉管7,排入低压气源,气体分布如图3-4。至此完成一个循环,重新回到初始状态。脉管周期性工作,高压气体也就不断地膨胀到低压。如不计气体在脉管内的传热、混合和流动损失,高压气库内的压力即为高压气源进气压力,低压气库内的压力即为低压气源排气压力。上述脉管进、排气的全部过程是等熵过程,故制冷效率为等熵效率。制冷气体所做的膨胀功,靠不可逆的气库向脉管放气和脉管向气库放气将功变成热放入环境。图1中连接管11、14及其上的阀门起到冷却器的作用,图中高、低压气库阀门10、15可以采用分置式,也可合为一体,用二位三通阀代替。阀门的类型可以是电动阀、电磁阀、气动阀或转阀等。
如图3所示,脉管内气团可分为高压气源进气气团I、脉管内充当气体活塞的气团II,低压气库进气气团III和高压气库进气气团IV,它们依次从左到右排列,根据工作过程可流出或流入脉管。过程的初始状见图3-4,脉管内有气团II、III,在过程①后,气团IV流入脉管,脉管内压力升到Ph。在过程②后,高压气源流入的气源流入的气团I将气团IV挤出脉管,脉管内压力仍为Ph在过程③中,低压气库进气团III流回低压气库,脉管内压力为P1,在过程④中,高压气源进气团I被挤出脉管,一个工作周期完成。
当脉管进排气压比过高时,图3的过程①中气团IV的长度就要大大加长,过程②中从高压气源来的高压气团I的体积也大大加长,在过程③后,将会有一部分膨胀后的高压气体I流入低压气库,而低压气库在室温端,这样,工作过程就失效了。为此,需设置一个或数个不同压力的中压气库,以解决这一困难图2是具有高、中、低压气库脉管制冷机的剖面图。图中在原有高、低压气库之间再接入一个中压气库18,其压力介于高、低压气库之间,它与脉管7热端间有连接管17、阀门16该机工作过程如下:①进气阀1、排气阀2、低压气库阀15,高压气库阀10均关闭,中压气库阀16打开,气体从中压气库经中压阀16流入脉管7热端,脉管内压力升至中压气库压力。②中压气库阀16关闭,高压气库阀10打开,其它阀状态不变,这时高压气库12内气体经高压气库阀10流入脉管热端,脉管内压力升至高压气库压力。③进气阀1打开,其它阀状态不变,高压气源气体经进气阀1进入脉管冷端,过程②中从高压气库流入脉管的气体又经阀10返回高压气库。④进气阀1、高压气库阀10关闭,中压气库阀16打开,其它阀状态不变,在过程①中从中压气库流入脉管的气体又经阀16流回中压气库18中,脉管压力降至中压气库压力,在过程③中从高压气源流入脉管冷端的气体膨胀到中压气库压力,温度降低。⑤中压气库阀16关闭,低压气库阀15打开,其它阀状态不变,脉管热端气体流入低压气库13,脉管内压力降至低压气库压力。这样,在过程③中从高压气源流入脉管冷端的气体进一步膨胀至低压气库压力,温度进一步降低⑥排气阀2打开,其它阀状态不变,气体从低压气库13经低压气库阀15流入脉管热端,将过程③中从高压气源流入脉管冷端的气体从排气阀2驱出脉管,回到初始状态,脉管制冷机如此周期性循环,高压气源的气体就不断地被膨胀到排气压力。如果不计流动阻力、传热和气体在脉管内的混合,全部过程是等熵过程,该过程的气体分布图与前例原理相同,故省略。
上面以高、中、低压气库为例说明了多级气库脉管制冷机的工作过程。当压比很高时,还可根据需要在高低压气库之间接入多种不同压力的气库,其原理都相同,均属本发明的保护范围。
控制各气库的阀门,可以如图中采用分置式,但最好采用多位多通的电动转阀,一阀可同时控制多支管道,起到与多个阀相同的作用,这样更便于控制,结构也更简单。
如图4,上述各气库12、13和18及连接管也可分别用一根较长的细管40、41和42代替,将细管的两头都通入脉管热端,管的两端各装一个单向阀46、47,使管内的气体只能沿一个方向流动。这样细管既可起到气库作用,也可起到冷却作用。
高、低压气库与普通脉管制冷机相比,由于进、排气过程是等压的,没有不可逆损失,脉管内的高压气体是可逆绝热膨胀到低压气体,因而制冷系数高,制冷效率接近100%。该机适合作为膨胀机使用,具有结构简单,造价低,易于推广的优点。
Claims (3)
1、一种脉管制冷机,包括脉管(7)、层流化元件(5、8)、高压进气阀(1)和低压排气阀(2),其特征在于在所说脉管(7)的热端接入一个高压气库(12)和一个低压气库(13),在高、低压气库与脉管之间接有阀门(10)、(15)。
2、如权利要求1所述的制冷机,其特征在于所说的高低压气库(12)、(13)之间再增设若干不同压力等级的中压气库(18),中压气库与脉管(7)热端间也接有阀门(16)。
3、如权利要求1或2所述的制冷机,其特征在于所说的高、中低压气库(12)、(13)和(18)用一根较长的细管(40)、(41)和(42)代替,细管的两头都通入脉管热端,管的两头各装一个单向阀(46)、(47),使管内的气体只能沿一个方向流动。
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