CN108168134B - 一种惯性管脉管装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯性管脉管装置，包括压缩机和与压缩机连接的冷头，该冷头包括依次连接的热端换热器、回热器、冷端换热器、惯性管和脉管，所述的压缩机具有至少两个工作腔，所述的热端换热器与其中至少一个工作腔连接，所述的脉管与压缩机中的另外的工作腔连接，在脉管以及与其连接的压缩机的工作腔之间还设有气库；此外，还可以通过将冷头设置成顺次连接的多个冷头，以多个冷头中的空容积来发挥气库的功能。与现有技术相比，本发明具有惯性管损耗小，工作效率高等优点。

Description

一种惯性管脉管装置

技术领域

本发明涉及一种脉管装置，尤其是涉及一种惯性管脉管装置。

背景技术

在一种阶梯活塞型直线压缩机驱动的惯性管脉管制冷机中，冷头由热端换热器、回热器、低温换热器、脉管、惯性管和气库组成。阶梯活塞与阶梯气缸形成两个工作腔，一个工作腔通过热端热器连接于回热器室温端，另一个工作腔连接于气库。脉管的冷端的气体的膨胀功一部分通过惯性管耗散掉，余下的通过惯性管到达气库被连接于气库的工作腔回收。其效率要高于简单的惯性管脉管制冷机。惯性管是一根细长管，气体在里面高速往复流动，惯性管两端的压力波相位相差约180度。阶梯活塞型直线压缩机驱动的惯性管脉管制冷机的逆向循环为发动机，因而可作为利用液化天然气冷量的冷源的脉管发动机。由于惯性管在室温下，气体的粘度大，因而产生很大的损失。

中国专利201310597043.8公开了一种惯性管脉管装置，包括冷头和压缩机，所述的冷头包括室温换热器、回热器、冷量换热器、惯性管和脉管，所述的压缩机具有两个同相工作腔，所述的脉管与压缩机其中一个工作腔连接，所述的室温换热器与压缩机另一个工作腔连接。由于惯性管在低温下，气体粘度较小，同时由于气体声速减低而带来惯性管长度的减小，从而使惯性管的损失减低。理论上，脉管容积大可使惯性管长度减小，损失减低。但该脉管的容积有一个最佳值，过大脉管的损失增大，这限制而使得所需的惯性管的尺寸较长，使得惯性管的损失较大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种惯性管脉管装置及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种惯性管脉管装置，包括压缩机和与压缩机连接的第一冷头，该第一冷头包括依次连接的第一热端换热器、第一回热器、第一冷端换热器、第一惯性管和第一脉管，所述的压缩机具有两个工作腔，所述的第一热端换热器与其中一个工作腔连接，所述的第一脉管与另一个工作腔连接，在第一脉管和与其连接的压缩机的工作腔之间还接入一个气库。

进一步的，所述的压缩机包括阶梯气缸和阶梯活塞，两者之间形成两个工作腔，所述的第一热端换热器连接其中一个工作腔，所述的第一脉管和气库连接另一个工作腔。

进一步的，所述的压缩机为对置式压缩机，所述的阶梯活塞设有两个，并相对设置在阶梯气缸的两端，所述的两个阶梯活塞与阶梯气缸之间形成呈对置式的两个第一工作腔和两个第二工作腔，所述的第一热端换热器连接两个第二工作腔，所述的气库与第一脉管连接两个第一工作腔。

进一步的，在第一热端换热器与压缩机的工作腔之间还接入至少一个第二冷头，所述的第二冷头包括顺次连接的第二热端换热器、第二回热器、第二冷端换热器和第二脉管，其中，第二热端换热器与压缩机的工作腔连接，第二脉管连接第一热端换热器。

更进一步的，在第二脉管热端和第二工作腔之间还设有连通两者的旁通管路。

进一步的，所述的气库被另一个第二冷头取代，所述的第二冷头包括顺次连接的第二热端换热器、第二回热器、第二冷端换热器和第二脉管，其中，第二热端换热器与第一脉管连接，第二脉管与压缩机的工作腔连接。

更进一步的，在第二脉管的热端与第二回热器的热端之间还设有连通两者的旁通管路。

进一步的，所述的气库可以与压缩机工作腔的死容积叠加结合。

进一步的，所述的气库可以为连接第一脉管与压缩机工作腔的连接管，此时，连接管的容积与气库容积等效。

与现有技术相比，本发明通过在脉管与压缩机的工作腔之间加设气库，这样可以增强惯性管的调相能力，使脉管的容积设计成最佳，又因为脉管与气库的容积足够大从而使惯性管的长度减小，从而达到减少声功损耗，提高工作效率的目的。除此之外，本发明还可以通过额外设置多个冷头来取代气库，以多个冷头的空容积来发挥气库的功能。借助气库以及多个冷头的设置，本发明能有效降低惯性管长度以减小损耗，提高制冷效率。

附图说明

图1为本发明的实施例1的惯性管脉管装置的结构示意图；

图2为本发明的实施例2中的惯性管脉管装置的结构示意图；

图3为本发明的实施例3中的惯性管脉管装置的结构示意图；

图4为本发明的实施例4中的惯性管脉管装置的结构示意图；

图5为本发明的实施例5中的惯性管脉管装置的结构示意图；

图6为本发明的实施例6中的惯性管脉管装置的结构示意图；

图7为本发明的实施例7中的惯性管脉管装置的结构示意图；

图8为本发明的实施例8中的惯性管脉管装置的结构示意图；

图中，1-压缩机，11-阶梯活塞，12-阶梯气缸，13-第一工作腔，14-第二工作腔，2-第一冷头，21-第一热端换热器，22-第一回热器，23-第一冷端换热器，24-惯性管，25-第一脉管，251-第一级气体均匀器a，252-第一级气体均匀器b，26-气库，3-第二冷头，31-第二热端换热器，32-第二回热器，33-第二冷端换热器，34-第二脉管，34a-第二脉管气体均匀器，35-旁通管路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种惯性管第一脉管装置，如图1所示，包括压缩机1和第一冷头2，压缩机1包括阶梯活塞11和阶梯气缸12，两者之间形成第一工作腔13和第二工作腔14；第一冷头2由依次连接的第一热端换热器21、第一回热器22、第一冷端换热器23、惯性管24、第一气体均匀器a251、第一脉管25和第二气体均匀器b 252，气库26通过第二气体均匀器b 252与第一脉管25连接。第一热端换热器21连接第二工作腔14，气库26还连接第二工作腔13。其中，惯性管24处于低温下。

本实施例的惯性管第一脉管装置用作制冷机系统。当机器运行时，阶梯活塞11做往复运动，压缩机1的第一工作腔13和第二工作腔14的容积周期性变化，产生周期性地压力波，气体在机器内往复流动，也即产生声功。经过设计的第一工作腔13和第二工作腔14的扫气容积，以及惯性管13的直径和长度需满足声功可从第二工作腔14输入，在第一热端换热器21处向环境放热，流经第一回热器22，在第一冷端换热器23产生冷量。剩余声功经惯性管24传输到达第一脉管25、气库26。此时压力波的相位与第一冷端换热器23处的压力波相位相差约180度。即当第二工作腔13处于压缩过程时，第一工作腔14处于膨胀过程，即可回收膨胀功，减少压缩机的输入功。惯性管的基本特征是气流流过惯性管压力相位基本反转，从而使压力的相位角在第一工作腔和第二工作腔不一样。

阶梯活塞的驱动现在一般采用直线电机，当然也可以采用其他的驱动方式，如热声机、回转电机，或其他。

惯性管24处于低温下，减小气体粘性，进而减小摩擦损失，进而减小声功在惯性管中传输的损失。同时，惯性管在低温，气体的声速减低，惯性管长度减小，从而减小了声功的传输损失。气体的导热系数在低温下减小，也减小了传热损失。惯性管的另一个重要作用是对第一回热器22调相，使气体流量与压力波在回热器冷端有一个最佳的相位差，提高回热效率，进而提高制冷效率。减小声功在惯性管中传递的损失的进一步手段是加大第一脉管25的容积从而使惯性管进一步减短。而第一脉管25有最佳容积，过大则由于气体的膨胀压缩引起的与壁面的不可逆传热损失增大，过小则使冷端气团与热端气团的距离过小而引起过大的轴向导热损失。增加气库26的作用是让第一脉管25可采用最佳容积，不足的容积由气库补充。，这样第一脉管25即可采用最佳容积，惯性管24的长度又可缩短，进而减小声功传递的损失，使得声功回收能力更佳。

该装置也可以工作在冷发动机模式下，此时第一热端换热器21从高环境温热源吸热，第一冷端换热器23向低温热源放热，产生压力波动，推动活塞11运动，进而带动发电机或其他功利用部件做功。

该装置也可以工作在热发动机模式与热泵模式下，但惯性管的温度高于室温，效果没有传统的惯性管在室温下的好。

实施例2

图1中，气库26夹在第一工作腔13与脉管25之间。可看作是脉管通过气库与第一工作腔相连接。脉管25与气库26也可直接连接于第一工作腔13，如图2所示，这可以看做是脉管和气库并联连接在第一工作腔上，这样效果也是一样的。

实施例3

一种惯性管第一脉管装置，如图3所示，包括压缩机1和第一冷头2，气库26与压缩机集成在一起，以减小体积，从而实现紧凑设计。该种结构采用两个压缩机对置的方式，可以减小压缩机振动。除了本实施例中的压缩机1为对置式结构外，其余结构、声功传递与回收过程与实施例1相同。(更进一步的，所述的压缩机1为对置式压缩机，所述的阶梯活塞11设有两个，并相对设置在阶梯气缸12的两端，所述的两个阶梯活塞11与阶梯气缸12之间形成呈对置式的两个第一工作腔13和两个第二工作腔14，所述的两个第一工作腔13、两个第二工作腔14分别各自接通，所述的热端换热器直接连接两个第二工作腔14，所述的气库连接两个第一工作腔13)。

实施例4

一种惯性管脉管装置，如图4所示，包括压缩机1和冷头，冷头为两个冷头，包括第一冷头2和第二冷头3。压缩机1包括阶梯活塞11和阶梯气缸12，两者之间形成第一工作腔13和第二工作腔14；第一冷头2由第一热端换热器21、第一回热器22、第一冷端换热器23、惯性管24、第一气体均匀器a 251、第一脉管25、第二气体均匀器b 252顺次连接而成；第二冷头由第二热端换热器31、第二回热器32、第二冷端换热器33和第二脉管34。第二冷头3设置在第一冷头2和第二工作腔14之间之间。其它与图1相同。

本实施例在实施例1的基础上增加了第二冷头3。其目的是让第二工作腔14的压缩功先在第二冷头制冷，在第二冷端换热器33处获得制冷量，其制冷温度可与第一冷端换热器温度不同，从而增大应用场合。

在该实施例的基础上，可以在第二冷头后顺次增加第三冷头、第四冷头甚至第n冷头(n为大于4的整数)。

实施例5

为了增加第二冷头的调相能力，可以增加旁通管路35，如图5所示，旁通管路35将第二冷头的脉管热端与第二热端换热器或工作腔14相连，利用双向进气原理，对第二回热器32调相，从而使第二回热器32的冷端的气流于压力间的相位差接近最佳，提高回热效率，进而提高制冷效率。

实施例6

一种惯性管脉管装置，如图6所示，包括压缩机1和冷头，冷头为两个冷头，包括第一冷头2和第二冷头3。压缩机1包括阶梯活塞11和阶梯气缸12，两者之间形成第一工作腔13和第二工作腔14；第一冷头2包括第一热端换热器21、第一回热器22、第一冷端换热器23、惯性管24、第一气体均匀器a 251、第一脉管25、第一气体均匀器b252；

第二冷头3包括第二热端换热器31、第二回热器32、第二冷端换热器33、第二脉管34及第二脉管气体均匀器34a。第一热端换热器21连接第二工作腔14，第二脉管34与第一工作腔13相连。第二热端换热器31通过第一气体均匀器b 252与第一脉管25相连接。其中，惯性管24处于低温下。

本实施例在实施例1的基础上增加了第二冷头3。第二冷头3与第一脉管25相连。第二冷头3的所包含的空容积可以发挥气库的功能。经过惯性管24和脉管25传输的声功可用于驱动第二冷头3，可以在第二冷端换热器33处获得冷量。剩余声功被第一工作腔13回收。第一冷端换热器23和第二冷端换热器33处的温度可不同，这样可增加应用场合。

在该实施例的基础上，可以在第二冷头后顺次增加第三冷头、第四冷头甚至第n冷头(n为大于4的整数)。

实施例7

为了增加第二冷头的调相能力，可增加旁通管路35，如图7所示，旁通管路35将第二冷头的第二脉管热端与第二回热器的热端相连，利用双向进气原理，对第二回热器32调相，从而使第二回热器32的冷端的气流于压力间的相位差接近最佳，提高回热效率，进而提高制冷效率。

实施例8

如图8所示，与实施例1相比，本实施例的主要区别点是在于气库与第一工作腔的死容积叠加在一起，从而使系统更为紧凑。

图1的气库也可用第一脉管与第一工作腔间的连接管取代，这时，连接管的容积要与气库容积等效。

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使用发明。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，本发明不限于上述实施例，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)

1.一种惯性管脉管装置，包括压缩机和与压缩机连接的第一冷头，该第一冷头包括依次连接的第一热端换热器、第一回热器、第一冷端换热器、第一惯性管和第一脉管，所述的压缩机具有两个工作腔，所述的第一热端换热器与其中一个工作腔连接，所述的第一脉管与另一个工作腔连接，其特征在于，在第一脉管和与其连接的压缩机的工作腔之间还接入一个气库。

2.根据权利要求1所述的一种惯性管脉管装置，其特征在于，所述的压缩机包括阶梯气缸和阶梯活塞，两者之间形成两个工作腔，所述的第一热端换热器连接其中一个工作腔，所述的第一脉管和气库连接另一个工作腔。

3.根据权利要求2所述的一种惯性管脉管装置，其特征在于，所述的压缩机为对置式压缩机，所述的阶梯活塞设有两个，并相对设置在阶梯气缸的两端，所述的两个阶梯活塞与阶梯气缸之间形成呈对置式的两个第一工作腔和两个第二工作腔，所述的第一热端换热器连接两个第二工作腔，所述的气库与第一脉管连接两个第一工作腔。

4.根据权利要求1所述的一种惯性管脉管装置，其特征在于，在第一热端换热器与压缩机的工作腔之间还接入至少一个第二冷头，所述的第二冷头包括顺次连接的第二热端换热器、第二回热器、第二冷端换热器和第二脉管，其中，第二热端换热器与压缩机的工作腔连接，第二脉管连接第一热端换热器。

5.根据权利要求4所述的一种惯性管脉管装置，其特征在于，在第二脉管热端和第二热端换热器之间还设有连通两者的旁通管路。

6.根据权利要求4所述的一种惯性管脉管装置，其特征在于，在第二冷头后顺次增加第三冷头、第四冷头至第n冷头，其中，n为大于4的整数。

7.根据权利要求1所述的一种惯性管脉管装置，其特征在于，所述的气库被另一个第二冷头取代，所述的第二冷头包括顺次连接的第二热端换热器、第二回热器、第二冷端换热器和第二脉管，其中，第二热端换热器与第一脉管连接，第二脉管与压缩机的工作腔连接。

8.根据权利要求7所述的一种惯性管脉管装置，其特征在于，在第二脉管的热端与第二回热器的热端之间还设有连通两者的旁通管路。

9.根据权利要求1所述的一种惯性管脉管装置，其特征在于，所述的气库与工作腔的死容积叠加结合。

10.根据权利要求1所述的一种惯性管脉管装置，其特征在于，所述的气库是连接第一脉管与工作腔的连接管，此时，连接管的容积与气库容积等效。

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