CN106885390A - 带有脉管膨胀机的低温制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低温制冷，提供一种带有脉管膨胀机的低温制冷系统，包括压缩机、冷量换热器、制冷流路以及回流流路，压缩机的高压出口通过制冷流路连通冷量换热器的进口，冷量换热器的出口通过回流流路连通压缩机的低压进口，还包括用于制冷制冷流路内制冷工质的至少一个脉管膨胀机，脉管膨胀机包括脉管以及与脉管连通的气库，脉管具有与气库连通的热管以及制冷制冷流路内制冷工质的冷端。本发明中采用脉管膨胀机制冷可以提高制冷系统的适用范围，有效改善制冷系统对制冷工质流量压比的要求限制，实现了小流量的低温制冷或液化，提高了整个制冷系统的制冷效率，同时，由于低温环境下无运动部件，提高了制冷系统工作稳定性与使用寿命。

Description

带有脉管膨胀机的低温制冷系统

技术领域

本发明涉及低温制冷，尤其涉及一种带有脉管膨胀机的低温制冷系统。

背景技术

近年来在诸多领域对低温制冷系统的需求增长迅速，目前的低温制冷装置已应用于航空航天、核能利用、医疗仪器、物理研究等领域并在其中起到重要作用。低温制冷系统中的膨胀机作为系统的核心部件，其流体工质进行的膨胀过程是系统获取低温冷量的重要方式，其效率与可靠性关系到整个低温制冷系统的高效性与稳定性。在膨胀机内进行的膨胀过程使系统内部流体温度降低，膨胀过程的能量回收也提高了系统效率。

目前已有的低温制冷系统主要采用的膨胀机为活塞膨胀机和透平膨胀机。活塞膨胀机作为容积式膨胀机，在容积变化过程中，存在气阀流动阻力、不完全膨胀、摩擦热等冷量损失，导致活塞膨胀机振动大、效率较低、无维护运行时间短。同时受到活塞膨胀机膨胀腔限制，其对工质流量限制较大只能适用于小流量高压比的低温系统，渐渐被透平膨胀机替代。透平膨胀机利用流体速度变化进行能量转化，在通流部分通过喷嘴与工作轮实现流体工质的两次膨胀，但是由于透平膨胀机通流部分的气动情况复杂，所需内部型线精度要求高，导致透平膨胀机存在加工困难、优化复杂等问题。同时作为速度型膨胀机，对工质流速的要求决定其只能适用于比焓降较小而体积流量很大的工况，大大约束了透平膨胀机的适用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有脉管膨胀机的低温制冷系统，旨在用于解决现有的制冷系统中工质流量较大难以适应小型低温制冷的问题。

本发明是这样实现的：

本发明实施例提供一种带有脉管膨胀机的低温制冷系统，包括压缩机、冷量换热器、制冷流路以及回流流路，所述压缩机的高压出口通过所述制冷流路连通所述冷量换热器的进口，所述冷量换热器的出口通过所述回流流路连通所述压缩机的低压进口，还包括用于制冷所述制冷流路内制冷工质的至少一个脉管膨胀机，所述脉管膨胀机包括脉管以及与所述脉管连通的气库，所述脉管具有与所述气库连通的热端以及制冷制冷所述制冷流路内制冷工质的冷端。

进一步地，于所述压缩机与所述脉管膨胀机之间的所述制冷流路上串联有第一换热器，且所述回流流路穿过所述第一换热器。

进一步地，还包括液氮换热管路，所述液氮换热管路穿过所述第一换热器，且所述液氮换热管路上设置有液氮调节阀。

进一步地，所述脉管膨胀机为一个，所述冷端串联于所述制冷流路上。

进一步地，所述脉管膨胀机为至少两个，沿所述制冷流路内所述制冷工质的流向各所述脉管膨胀机的所述冷端依次连通。

进一步地，沿所述制冷流路内所述制冷工质的流向，第一个所述脉管膨胀机的所述冷端的进气阀口与所述制冷流路连通，最后一个所述脉管膨胀机的所述冷端的排气阀口与所述回流流路连通且串联有一第二换热器，所述制冷流路穿过所述第二换热器。

进一步地，相邻两个所述脉管膨胀机之间的流路上串联有第三换热器，所述制冷流路与所述回流流路均穿过所述第三换热器。

进一步地，还包括第一稳压支路与第二稳压支路，所述第一稳压支路与所述第二稳压支路并联，且所述第一稳压支路串联有第一稳压阀，所述第二稳压支路依次串联有第二稳压阀、稳压灌以及第三稳压阀，所述第一稳压支路与所述第二稳压支路均连通所述压缩机的高压出口与所述压缩机的低压进口。

进一步地，所述压缩机的高压出口依次连通有滤油器与水冷器，所述水冷器的出口与所述脉管膨胀机的所述冷端的进气阀门连通。

进一步地，所述冷量换热器为储液罐。

本发明具有以下有益效果：

本发明的制冷系统中，采用脉管膨胀机的脉管制冷，且脉管膨胀机为一个或者为多个，其可以将制冷流路中的制冷工质降温，而制冷工质则可以进入冷量换热器内实现冷量的吸收利用，整个系统中采用脉管膨胀机制冷可以提高制冷系统的适用范围，有效改善了制冷系统对制冷工质流量压比的要求限制，实现了小流量的低温制冷或液化，提高了整个制冷系统的制冷效率，同时，由于低温环境下无运动部件，提高了制冷系统工作稳定性与使用寿命。另外，由于脉管膨胀机加工简易，优化方便，大大降低了系统成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的带有脉管膨胀机的低温制冷系统的流程图；

图2为本发明实施例提供的带有脉管膨胀机的低温制冷系统具有两个脉管膨胀机的流程图；

图3为图2的带有脉管膨胀机的低温制冷系统的冷量换热器为储液罐的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1以及图2，本发明实施例提供一种脉管膨胀机5低温制冷系统，包括压缩机1、冷量换热器2、制冷流路3以及回流流路4，压缩机1的高压出口通过制冷流路3连通冷量换热器2的进口，且冷量换热器2的出口通过回流流路4连通压缩机1的低压进口，四者形成一个循环流路，而制冷工质则在该循环流路内循环流动，制冷系统还包括至少一个脉管膨胀机5，各脉管膨胀机5主要是用于制冷制冷流路3内的制冷工质，使得制冷流路3内的制冷工质温度较低，进而将温度较低的制冷工质导入冷量换热器2内形成冷量的利用吸收，而对于脉管膨胀机5，包括脉管51以及气库52，脉管51具有热端511与冷端512，气库52与热端511连通，且两者之间设置有气库调节阀521，通过气库调节阀521可以调节气库52进入脉管51内的气体，而冷端512则可以实现制冷流路3内制冷工质的膨胀制冷，制冷流路3内的制冷工质通过冷端的进气阀口进入脉管51的冷端，然后经排气阀口排出。本实施例中，采用脉管膨胀机5的脉管51制冷，且脉管膨胀机5为一个或者为多个，其可以将制冷流路3中的制冷工质降温，而制冷工质则可以进入冷量换热器2内实现冷量的吸收利用，整个系统中采用脉管膨胀机5制冷可以提高制冷系统的适用范围，有效改善了制冷系统对制冷工质流量压比的要求限制，实现了小流量的低温制冷或液化，提高了整个制冷系统的制冷效率，同时，由于低温环境下无运动部件，提高了制冷系统工作稳定性与使用寿命，另外，由于脉管膨胀机5加工简易，优化方便，大大降低了系统成本。对于制冷工质可以采用氦气，在制冷流路3中为高压氦气，而在回流流路4中为液氦，而冷量换热器2可以选用储液罐。

参见图1-图3，优化上述实施例，在压缩机1与脉管膨胀机5之间的制冷流路3上串联有第一换热器31，且回流流路4穿过第一换热器31。本实施例中，制冷系统增设有第一换热器31，制冷流路3与回流流路4均穿过该第一换热器31，具体地，制冷工质由压缩机1的高压出口先进入第一换热器31内，然后经第一换热器31进入脉管51的冷端512，而由冷量换热器2出口导出的制冷工质先进入第一换热器31内再回流至压缩机1的低压进口，且在该过程中第一换热器31内制冷流路3内的制冷工质温度高于回流流路4内制冷工质的温度，两者之间可以形成热交换，通过回流流路4内的制冷工质对制冷流路3内的制冷工质进行预冷，可以提高制冷系统的冷量利用率。

继续优化上述实施例，制冷系统还包括有液氮换热管路6，液氮换热管路6穿过上述的第一换热器31，液氮换热管路6上设置有液氮调节阀61。本实施例中，增设有液氮换热管路6，且该液氮换热管路6与第一换热器31配合使用，工作时可以对第一换热器31内的制冷流路3进行热交换，可以提高第一换热器31的预冷效果，当然液氮换热管路6应根据需要才去选择使用，对此在液氮换热管路6上设置有液氮调节阀61，通过液氮调节阀61控制液氮换热管路6的开启或者关闭。

参见图1，进一步地，对于脉管膨胀机5个数的不同，脉管膨胀机5的流路连接方式也不相同，比如当脉管膨胀机5为一个时，该脉管膨胀机5的冷端512串联于制冷流路3上。本实施例中，制冷工质由压缩机1的高压出口经第一换热器31后经冷端512的进气阀门513进入脉管51内制冷后，再经排气阀门514进入冷量换热器2内，脉管膨胀机5直接串联于制冷流路3中。当然还可以在第一换热器31与脉管膨胀机5之间还增设有第四换热器32，第四换热器32的换热流路也为制冷流路3与回流流路4，即在制冷流路3中，制冷工质排出第一换热器31后进入第四换热器32内，再经第四换热器32进入脉管51内，而在回流流路4中，制冷工质先进入第四换热器32内，再经第四换热器32排出至第一换热器31内。

参见图2以及图3，而在另一种实施方式中，脉管膨胀机5为至少两个，其可以为多个，则沿制冷流路3内制冷工质的流向，各脉管膨胀机5的冷端512依次连通。在这种实施方式中，各脉管膨胀机5的冷端512为串联，通过各脉管膨胀机5共同作用对制冷流路3中的制冷工质进行降温处理。而各脉管膨胀机5与制冷流路3以及回流流路4的连通方式又可以采用多种结构形式，其中一种可以为串联，即各冷端512依次串联的脉管膨胀机5均串联于制冷流路3上，其结构形式与上述的一个脉管膨胀机5的结构形式有些类似，只是脉管膨胀机5的数量叠加，当然制冷效果上也进行了加强。

而另外一实施例中，沿制冷流路3内制冷工质的流向，第一个脉管膨胀机5的冷端512的进气阀门513与制冷流路3连通，最后一个脉管膨胀机5的冷端512的排气阀门514则与回流流路4连通且串联有一第二换热器33，而制冷流路3也穿过该第二换热器33。本实施例中，各脉管膨胀机5的冷端512形成的流路与制冷流路3之间为并联，由第一换热器31排出的制冷工质一部分进入各冷端512形成的流路内进行制冷，而另一部分则沿制冷流路3进入冷量换热器2内，当然各冷端512形成的流路内的制冷工质经制冷后进入第二换热器33内，其可以通过第二换热器33可与制冷流路3内的制冷工质进行换热，进而实现制冷流路3内制冷工质的换热作用。

进一步地，相邻两个脉管膨胀机5之间的流路上串联有第三换热器34，制冷流路3与回流流路4均穿过第三换热器34。本实施例中，第三换热器34的结构形式与第一换热器31的结构形式有些类似，其内均具有三种流路，在第三换热器34中，前一脉管膨胀机5内制冷的制冷工质可与制冷流路3中对应位置的制冷工质进行制冷制冷，且第三换热器34内的回流流路4内的制冷工质与制冷流路3内对应位置的制冷工质进行制冷制冷。另外，还可以在制冷流路3上串联有第五换热器35，该第五换热器35靠近冷量换热器2处，回流流路4也穿过该第五换热器35，由冷量换热器2排出的制冷工质与对应位置制冷流路3内的制冷工质进行换热。当然还可以在第五换热器35与冷量换热器2之间的制冷流路3上设置有节流阀36，通过节流阀36可以形成制冷流路3上的制冷工质压力调节。

再次参见图1-图3，进一步地，制冷系统还包括有第一稳压支路7与第二稳压支路8，第一稳压支路7与第二稳压支路8并联，且第一稳压支路7串联有第一稳压阀71，第二稳压支路8依次串联有第二稳压阀81、稳压罐82以及第三稳压阀83，第一稳压支路7与第二稳压支路8均连通压缩机1的高压出口与压缩机1的低压进口。本实施例中，制冷系统中增设有第一稳压支路7与第二稳压支路8，两者均与制冷流路3并联，当第一稳压阀71打开，第二稳压阀81与第三稳压阀83关闭时，压缩机1的高压出口排出的高压气体一部分进入第一稳压支路7内且直接回流至压缩机1的低压进口，而另一部分进入制冷流路3内进行制冷，通过第一稳压支路7可以对制冷流路3内形成稳压作用，当然在必要的情况下，还可以关闭第一稳压阀71，打开第二稳压阀81与第三稳压阀83，一部分高压气体会分流至第二稳压支路8内，通过第二稳压支路8上的稳压罐82对制冷流路3形成稳压作用，还可以调节第一稳压阀71，使得第一稳压支路7与第二稳压支路8共同稳压制冷流路3内的制冷工质。通常，压缩机1的高压出口还依次连通有滤油器11与水冷器12，水冷器12的出口与脉管膨胀机5的冷端512的进气阀门513连通，通过滤油器11与水冷器12分别对高压气体进行过滤调温。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有脉管膨胀机的低温制冷系统，包括压缩机、冷量换热器、制冷流路以及回流流路，所述压缩机的高压出口通过所述制冷流路连通所述冷量换热器的进口，所述冷量换热器的出口通过所述回流流路连通所述压缩机的低压进口，其特征在于：还包括用于制冷所述制冷流路内制冷工质的至少一个脉管膨胀机，所述脉管膨胀机包括脉管以及与所述脉管连通的气库，所述脉管具有与所述气库连通的热端以及制冷所述制冷流路内制冷工质的冷端。

2.如权利要求1所述的带有脉管膨胀机的低温制冷系统，其特征在于：于所述压缩机与所述脉管膨胀机之间的所述制冷流路上串联有第一换热器，且所述回流流路穿过所述第一换热器。

3.如权利要求2所述的带有脉管膨胀机的低温制冷系统，其特征在于：还包括液氮换热管路，所述液氮换热管路穿过所述第一换热器，且所述液氮换热管路上设置有液氮调节阀。

4.如权利要求1所述的带有脉管膨胀机的低温制冷系统，其特征在于：所述脉管膨胀机为一个，所述冷端串联于所述制冷流路上。

5.如权利要求1所述的带有脉管膨胀机的低温制冷系统，其特征在于：所述脉管膨胀机为至少两个，沿所述制冷流路内所述制冷工质的流向各所述脉管膨胀机的所述冷端依次连通。

6.如权利要求5所述的带有脉管膨胀机的低温制冷系统，其特征在于：沿所述制冷流路内所述制冷工质的流向，第一个所述脉管膨胀机的所述冷端的进气阀口与所述制冷流路连通，最后一个所述脉管膨胀机的所述冷端的排气阀口与所述回流流路连通且串联有一第二换热器，所述制冷流路穿过所述第二换热器。

7.如权利要求6所述的带有脉管膨胀机的低温制冷系统，其特征在于：相邻两个所述脉管膨胀机之间的流路上串联有第三换热器，所述制冷流路与所述回流流路均穿过所述第三换热器。

8.如权利要求1所述的带有脉管膨胀机的低温制冷系统，其特征在于：还包括第一稳压支路与第二稳压支路，所述第一稳压支路与所述第二稳压支路并联，且所述第一稳压支路串联有第一稳压阀，所述第二稳压支路依次串联有第二稳压阀、稳压灌以及第三稳压阀，所述第一稳压支路与所述第二稳压支路均连通所述压缩机的高压出口与所述压缩机的低压进口。

9.如权利要求1所述的带有脉管膨胀机的低温制冷系统，其特征在于：所述压缩机的高压出口依次连通有滤油器与水冷器，所述水冷器的出口与所述脉管膨胀机的所述冷端的进气阀门连通。

10.如权利要求1所述的带有脉管膨胀机的低温制冷系统，其特征在于：所述冷量换热器为储液罐。