CN108518882A - 一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统，它解决了涡流管制冷技术存在散热率和制冷效率低下的问题，其采用液氮循环对涡流管热管进行冷却，实现有效提高涡流管的散热率和制冷效率的目的，其技术方案为：包括涡流管制冷系统和液氮冷却系统，所述涡流管制冷系统包括带有喷嘴的进气套筒，进气套筒一端套接冷端管并由密封套筒密封，另一端套接热端管并由密封垫片密封，冷端管、进气套筒和热端管形成涡流室；所述热端管远离进气套筒的一端内部设有整流器；所述液氮制冷系统包括缠绕于热端管外部的螺旋液氮冷却管道，螺旋液氮冷却管道循环输送液氮对热端管进行冷却。

Description

一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统

技术领域

本发明涉及涡流管制冷技术领域，特别是涉及一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统。

背景技术

涡流管是一种结构简单的能量分离装置，由喷嘴、涡流室、冷端管、热端管以及气体控制阀五个核心部分组成。利用能量涡流分离原理，工作时将压缩气体由进气管道通入涡流管喷嘴，由于空间的突然增大以及压力差，气体膨胀加速后以极高的速度沿切线方向进入涡流室，气流在涡流室内形成高速涡旋，由于气体控制阀与冷端管孔板之间的压力差，在涡流管内的中心区域形成回流气体，经过涡流变换后分离成总温不相等的两部分气流。其中，处于中心部位的强制涡回流气流温度降低形成低温气流并由冷端管一侧排除出，而处于外层部位的自由涡气流温度升高形成热气流，从热端管经气体控制阀调节排出。常温压缩空气通过涡流管的能量涡流分离形成冷热两股气流从涡流管两侧分别排出，这就是所谓的"涡流效应"或者"兰克效应"。

张春堂等设计了一种涡流管制冷器，其涡流发生器由一端与冷端管相连接的主涡流发生器与套接在主涡流发生器另一端的辅助涡流发生器两部分组成，然后与热端管相连接。通过增加辅助涡流发生器使进入主涡流发生器的气体旋流得到增强并改变气旋角度，增大涡流管内部冷热气流的压差从而增强能量分离效率，达到增强降温效果提高制冷系数的目标。

青岛理工大学刘国涛等设计了一种超音速喷嘴涡流管制冷与纳米流体微量润滑耦合供给系统，该系统的低温气体产生装置采用超音速喷嘴，通过提高涡流管喷嘴出口速度、将涡流管喷嘴流道设置为不同流线线型来提高气体在涡流管喷嘴处涡旋强度、对涡流管热管采用强化换热等措施来提高涡流管的能量分离程度，达到有效提高制冷效率的目的。

北京航空航天大学的袁松梅等设计了一种收缩式阿基米德型线涡流管喷嘴，其喷嘴包括入气口、喷嘴外部流道、流道挡板、喷嘴流道、喷嘴涡流室和外围挡板，喷嘴流道采用收缩式阿基米德型线设计，且采用了双层流道设计。既可以增加空气在涡流室中的旋转速度，从而提升涡流室中内外层气体的换热效率，又可以避免采用单入气口压缩空气的流量和压力在各个喷嘴流道处分布不均的情况，最终达到提高制冷效率的目的。

北京工业大学的马重芳等设计了一种涡流管喷嘴，其喷嘴的流道采用了几何轴对称，气动上沿喷嘴流道的中心轴线按等马赫梯度的设计方法以使气流沿气流轴向速度为等马赫梯度增加，气体流动损失减小；喷嘴进气前流道与喷嘴流道在同一个平面上，沿中线等气体流速设计，即保持进气流道中心线的法向面上的速度与涡流管进口速度一致。一方面可以提高涡流管的制冷温度效应，同时可以提高涡流管达到最大制冷温度效应时的冷流率，从而提高涡流管的单位制冷量和制冷系数。

哈尔滨工程大学宋福元等设计了一种新型涡流管制冷装置，包括涡流室机构、热端管、热阀、包腔座和包腔盖，包腔盖套在包腔座上，涡流室机构包括涡流室和压盖，涡流室的数量不少于三个，涡流室机构安装在包腔座里、且涡流室机构的一端与包腔盖相连，热端管安装在包腔盖里，热阀安装在热端管的一端。可以满足实际对冷端流量和温度的需要，结构尺寸比较小，一定程度上提高了制冷流量。

综上，在现有的涡流管制冷技术中，涡流管以其结构简单、维护简便、故障率低、无需电能、机械能和化学能等优势得到广泛应用,然而制冷效率低一直是涡流管研究领域的难题，同时热管内热空气的散热困难，对涡流管的能量分离效果也有一定的制约，因此如何设计一种能有效提高散热率并有效提高制冷效率的涡流管制冷系统是本领域技术人员的重点研究内容。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统，其采用液氮循环对涡流管热管进行冷却，实现有效提高涡流管的散热率和制冷效率的目的；

进一步的，本发明采用下述技术方案：

一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统，包括涡流管制冷系统和液氮冷却系统，所述涡流管制冷系统包括带有喷嘴的进气套筒，进气套筒一端套接冷端管并由密封套筒密封，另一端套接热端管并由密封垫片密封，冷端管、进气套筒和热端管形成涡流室；所述热端管远离进气套筒的一端内部设有整流器；

所述液氮制冷系统包括缠绕于热端管外部的螺旋液氮冷却管道，螺旋液氮冷却管道循环输送液氮对热端管进行冷却。

进一步的，所述冷端管包括冷端管圆盘，冷端管圆盘一端设置流道凸起，冷端管圆盘另一端设置冷端管道。

进一步的，所述流道凸起围绕中心设置多条弧形流道槽。

进一步的，所述弧形流道槽的形状可以为双阿基米德变径螺线线型型、阿基米德-抛物线线型、阿基米德-圆弧线型中的任意一种。

进一步的，所述冷端管圆盘中心设置连通冷端管道和流道凸起的通道。

进一步的，所述冷端管道包括依次连接的第一直管段、扩压段和第二直管段，所述第一直管段与冷端管圆盘连接；所述第一直管段内径尺寸小于第二直管段内径尺寸，所述扩压段的内径尺寸由与第一直管段连接处至与第二直管段连接处渐变增大。

进一步的，所述热端管包括热端管圆盘，热端管圆盘一端与热端管道连接；所述热端管圆盘中部设置与热端管道连通的通道；所述热端管道包括与热端管圆盘连接的锥形扩张段，锥形扩张段与圆柱直管段连接；所述锥形扩张段内径尺寸由与热端管圆盘连接处至与圆柱直管段连接处渐变增大。

进一步的，所述热端管和冷端管对接设置，进气套筒的喷嘴设置于冷端管流道凸起处。

进一步的，所述喷嘴为双变径切向喷嘴或渐开线变径喷嘴。

进一步的，所述双变径切向喷嘴包括两个以进气套筒中心对称的喷嘴体，喷嘴体与进气套筒相切连接，喷嘴体的内径尺寸由与进气套筒连接端至悬置端渐变增大。

进一步的，所述渐开线变径喷嘴包括与进气套筒连接的喷嘴体，喷嘴体的形状为渐开线形，喷嘴体内径尺寸由与进气套筒连接端至悬置端渐变增大。

进一步的，所述气体整流器包括圆柱套筒，圆柱套筒套设于热端管内部，所述圆柱套筒内壁设置多个均匀分布的整流叶片。

进一步的，相对设置的所述整流叶片之间的间隙逐渐减小至最小而后逐渐增大至最大；相对设置的整流叶片之间的间隙始终大于0。

或者，相对设置的所述整流叶片之间的间隙逐渐减小至0而后逐渐增大至最大。

进一步的，所述热端管远离进气套筒的一端设置热端调节阀，所述热端调节阀包括套设于热端管外部的气体控制阀阀体，气体控制阀阀体侧壁设置气体控制阀阀芯。

进一步的，所述液氮制冷系统还包括液氮循环泵，液氮循环泵通过涡流管进液管道与螺旋液氮冷却管道一端连通，螺旋液氮冷却管道另一端通过液氮运输回流管道与液氮槽连通，液氮槽通过液氮循环泵输出管道与液氮循环泵连通。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明改进设计的新型喷嘴结构可以减少喷嘴入口的气体拥堵从而减少能量损失，同时起到提高压缩气体速度的作用，有助于提高能量分离效率。本发明改进设计不同线型的涡流管流道形状能够提高涡流室内的涡流效应，有利于冷热两股气体的能量分离。本发明改进设计的热端调节阀也能有效提高涡流能量分离效果，有效降低冷端管气体的温度。

本发明设计应用的气体整流器可以人为的制止涡流，为形成中心层回流气流的轴向运动创造了条件，还能够增加涡流层之间的径向梯度，有利于能量传递，能够在不影响制冷效果的同时减小热端管的长度，减小了涡流管的体积。同时，采用扩张式锥形和圆柱式相结合的热管分离室结构能够有效提高涡流管的制冷效率。

本发明的液氮循环冷却系统能够及时高效的降低涡流管热端管的温度，从而能够将热量及时带走，加大涡流管冷热能量分离的效果，同时液氮能够持续循环的对涡流管进行降温冷却，对环境无污染。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为液氮循环冷却涡流管高效制冷系统轴测图；

图2为涡流管制冷系统爆炸图；图2(a)为涡流管制冷系统俯视图，图2(b)为涡流管制冷系统剖视图；

图3为液氮冷却系统轴测图；

图4为液氮槽和橡胶塞装配轴测图；图4(a)为液氮槽和橡胶塞装配剖视图；图4(b)为图4(a)中A-A向剖视图；

图5为进气套筒实施例1轴测图；图5(a)为涡流管进气套筒实施例1俯视图，图5(b)为图5(a)中A-A向剖视图；

图6为进气套筒实施例2轴测图；图6(a)为涡流管进气套筒实施例2俯视图，图6(b)为图6(a)中A-A向剖视图；

图7为热端管轴测图；图7(a)为热端管剖视图，图7(b)为图7(a)中A-A向剖视图；

图8为气体整流器实施例1轴测图；图8(a)为气体整流器实施例1俯视图，图8(b)为图8(a)中A-A向剖视图；

图9为气体整流器实施例2轴测图；图9(a)为气体整流器实施例2俯视图，图9(b)为图9(a)中A-A向剖视图；

图10为热端管调节阀实施例1轴测图；图10(a)为热端管调节阀实施例1剖视图，图10(b)为图10(a)中A-A向剖视图；

图11为热端管调节阀实施例2轴测图；图11(a)为热端管调节阀实施例2剖视图，图11(b)为图11(a)中A-A向剖视图；

图12为冷端管主视图；图12(a)为冷端管俯视图，图12(b)为图12(a)中A-A向剖视图；

图13为密封套筒轴测图，图13(a)为密封套筒俯视图；

图14为冷端管流道槽形状实施例1主视图；

图15为冷端管流道槽形状实施例2主视图；

图16为冷端管流道槽形状实施例3主视图；

图中，1-涡流管制冷系统，2-液氮循环泵，3-液氮槽，4-液氮运输管道。101-涡流管进气套筒，102-第一密封垫片，103-第二密封垫片，104-热端管，105-液氮管道外套筒，106-气体整流器，107-气体控制阀阀体，108-气体控制阀阀芯，109-螺旋液氮冷却管道，110-第三密封垫片111-冷端管，112-密封套筒，113-垫片，201-液氮循环泵，202-液氮槽，203-回流密封橡胶塞，204-液氮运输回流管道，205-出口密封橡胶塞，206-液氮循环泵输出管道，207-涡流管进液管道，10101进气套筒，10102-渐开线变径喷嘴，10401-热端管圆盘、10402-锥形扩张段、10403-圆柱直管段，10601-圆柱套筒，10602-整流叶片，11101-流道凸起、11102-流道槽、11103-冷端管圆盘、11104-第一直管段、11105-扩压段、11106-第二直管段。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中的涡流管制冷技术存在散热率和制冷效率低下的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统。

本发明的液氮循环冷却涡流管高效制冷系统包括涡流管制冷系统和液氮冷却系统两大部分。图1为液氮循环冷却涡流管高效制冷系统轴测图，如图1所示，液氮循环冷却涡流管高效制冷系统由涡流管制冷系统1，液氮循环泵2，液氮槽3，液氮运输管道4四部分组成。

图2为涡流管系统爆炸图,如图2所示,各部件陈列图中。图2(a)为涡流管制冷系统俯视图。

如图2(b)所示,涡流管制冷系统由涡流管进气套筒101，第一密封垫片102，第二密封垫片103，热端管104，液氮管道外套筒105，气体整流器106，气体控制阀阀体107，气体控制阀阀芯108，第三密封垫片110，冷端管111，密封套筒112，垫片113组成。涡流管进气套筒将分别位于其左右的热端管和冷端管连接起来，三者相连接部分形成的腔体形成涡流室。进气套筒靠近冷端管的一端设置有密封套筒，起到密封和定位作用。冷端管从密封套筒的中间孔部分穿出。冷端管端口接入外接管道已将冷端排出的低温气体引入工作区域。热端管从进气套筒的端部通孔部分穿出，气体整流器由热端管的端部放入热管端部区域，热端管调节阀包括气体控制阀阀芯和气体控制阀阀体两部分，气体控制阀阀体通过螺纹与热端管相连。

涡流管系统装配顺序如下：首先，将第一密封垫片102安装到涡流管进气套筒101内并紧贴在右侧内端面，将气体整流器106安装到热端管104右端部区域，将热端管104整体从涡流管进气套筒101左端穿入并使端面与第一密封垫片102紧贴，将螺旋液氮冷却管道109从热端管104右端套入热端管104并与其左端面紧贴，将液氮管道外套筒105套入螺旋液氮冷却管道109并与热端管104左端面紧贴，将气体控制阀阀体107与热端管104通过螺旋紧固定，将气体控制阀阀芯108通过螺纹配合安装到气体控制阀阀体107上，将第三密封垫片110从涡流管进气套筒101左侧装入其中并与热端管104左端面紧贴，将冷端管111从涡流管进气套筒101左侧装入其中并与第三密封垫片110左端面紧贴，将垫片113套入密封套筒112中并与其右端面紧贴，然后将密封套筒112整体穿过冷端管111并通过螺纹配合安装到涡流管进气套筒101上。

图3为液氮冷却系统轴测图。如图3所示,液氮冷却系统由液氮循环泵201，液氮槽202，螺旋液氮冷却管道109，回流密封橡胶塞203，液氮运输回流管道204，出口密封橡胶塞205，液氮循环泵输出管道206，涡流管进液管道207组成。螺旋液氮冷却管道109套接在热端管104外部，液氮管道外套筒105套接在螺旋液氮冷却管道109外，液氮循环泵输出管道206(可以采用金属软管管道)一端通过出口密封橡胶塞205伸入液氮槽202中，一端和液氮循环泵201相连，从液氮循环泵201引出的涡流管进液管道207(可以采用金属软管管道)与螺旋液氮冷却管道109的进液端连接。另一段液氮运输回流管道204(可以采用金属软管管道)的一端与螺旋液氮冷却管道109的出液端相连，其另一端与液氮槽202通过回流密封橡胶塞203相连。

液氮冷却系统装配顺序如下：首先，将液氮循环泵输出管道206通过出口密封橡胶塞205与液氮槽202相连接，将液氮循环泵输出管道206另一端与液氮循环泵201液氮输入端相连接，将涡流管进液管道207与液氮循环泵201液氮输出端相连接，从涡流管完成冷却降温作用的液氮通过液氮运输回流管道204流回液氮槽202，液氮运输回流管道204通过回流密封橡胶塞203与液氮槽202相连接。液氮槽外壳多为铝合金或不锈钢制造，而内槽一般为耐腐蚀性的铝合金。液氮运输管道外表面套有绝热材料多层热合聚乙烯材料管壳以实现液氮运输过程的绝热保温。

图4为液氮槽和橡胶塞装配轴测图。图4(a)为液氮槽和橡胶塞装配俯视图，图4(b)为液氮槽和橡胶塞装配剖视图。如图所示，液氮槽202上端面开有两个孔，液氮循环泵输出管道206通过出口密封橡胶塞205与液氮槽202左端孔相连接，从涡流管完成冷却降温作用的液氮通过液氮运输回流管道204流回液氮槽202，液氮运输回流管道204通过回流密封橡胶塞203与液氮槽202右端孔相连接。

图5为涡流管进气套筒实施例1轴测图，图5(a)为涡流管进气套筒实施例1俯视图，图5(b)为涡流管进气套筒实施例1剖视图。如图5(b)所示，涡流管进气套筒由进气套筒10101和渐开线变径喷嘴10102组成。渐开线变径喷嘴包括与进气套筒连接的喷嘴体，喷嘴体的形状为渐开线形，喷嘴体一端与进气套筒连接，另一端悬置，悬置端与空气压缩机连接，以使常温压缩空气引入涡流管；喷嘴体内径尺寸由与进气套筒连接端至悬置端渐变增大。传统喷嘴的为简单型单喷嘴，包括普通矩形喷嘴和阿基米德螺线形喷嘴，其进口段是从一个直管进入一个等截面的圆环通道，然后进入喷嘴，由于流通截面在直管与等截面的圆环通道的连接部位管径形状突然发生变化后有突然变化，会造成气流的分离及旋涡，会使得气体能量产生损失。本实施例的渐开线变径喷嘴一方面可以使得从喷嘴流入的压缩气体在进入涡流室之前便形成涡流流动形态，同时变径渐缩式喷嘴可以使得压缩气体在进入涡流室之前进一步实现加速，有助于气体的冷热能量分离效果。减少喷嘴入口的气体拥堵，提高涡流效应。

图6为涡流管进气套筒实施例2轴测图，图6(a)为涡流管进气套筒实施例2俯视图，图6(b)为涡流管进气套筒实施例2剖视图。其组成部分与涡流管进气套筒实施例1相同，只是喷嘴类型为双变径切向喷嘴。双变径切向喷嘴包括两个以进气套筒中心对称的喷嘴体，喷嘴体与进气套筒相切连接，喷嘴体一端与进气套筒连接，另一端悬置，悬置端与空气压缩机连接，喷嘴体的内径尺寸由与进气套筒连接端至悬置端渐变增大。本实施例的双变径切向喷嘴一方面可以减小从喷嘴流入的压缩气体在进入涡流室时因气体拥堵而产生的能量损耗，同时变径渐缩式喷嘴也可以使得压缩气体在进入涡流室之前进一步实现气体加速，有助于提高涡流管的涡流能量分离效果。其中,喷嘴流道应进行抛光处理,减小因为高速高压气体与流道边界摩擦产生过大的能量损失。

图7为热端管分离室轴测图，图7(a)为热端管分离室俯视图，图7(b)为热端管分离室剖视图。其组成部分包括热端管圆盘10401、锥形扩张段10402和圆柱直管段10403.热端管分离室采用扩张式锥形和圆柱式相结合的结构，可以大大减少热端管的长度，减小了涡流管的体积。锥形扩张段10402部分的扩张角度θ在2-4°之间较为适宜。其中,热端管分离室内表面应进行抛光处理,减小因为高速高压气体与内表面的摩擦而产生过大的能量损失。热端管材料应选用导热系数较大的金属材料以增大热端管与外界进行换热从而提高散热效率进而提高能量分离效果。

图8、图8(a)、图8(b分别为气体整流器实施例1轴测图、俯视图和剖视图。气体整流器包括圆柱套筒10601和整流叶片10601组成。相对设置的整流叶片之间的间隙逐渐减小至最小而后逐渐增大至最大；相对设置的整流叶片之间的间隙始终大于0。由于向心加速，气流向热端管方向沿着管道的周边向前移动，旋转前进的涡流在到达热端调节阀之前已经不再旋转，气流不再旋转的位置叫做滞止点。在滞止点附近加入气体整流器，可以人为的制止涡流，为形成中心层回流气流的轴向运动创造了条件，还能够增加涡流层之间的径向梯度，有利于能量传递，能够在不影响制冷效果的同时减小热端管的长度，减小了涡流管的体积。本发明从几何学原理出发设计了两种整流叶片形状不同的气体整流器对气流不再旋转的滞止点进行涡流制止，从而在不影响制冷效果的同时减小热端管的长度和涡流管的体积。

图9、图9(a)、图9(b)分别为气体整流器实施例2轴测图、俯视图和剖视图。其组成部分与气体整流器实施例1相同，只是整流叶片形状不同。相对设置的整流叶片之间的间隙逐渐减小至0而后逐渐增大至最大。

图10为热端管调节阀实施例1轴测图，图10(a)为热端管调节阀实施例1左视图,图10(b)为热端管调节阀实施例1剖视图。热端管调节阀包括气体控制阀阀体107和气体控制阀阀芯108。本实施例热端管调节阀为水平安装的球形阀，对于短涡流管，用水平安装的球形阀气体能量分离的效果更佳。

图11为热端管调节阀实施例2轴测图，图10(a)为热端管调节阀实施例2俯视图,图11(b)为热端管调节阀实施例2剖视图。其组成部分与热端管调节阀实施例1相同，只是气体控制阀形状和方向设置不同。本实施例热端管调节阀为水平安装的球形阀，对于短涡流管，把传统的水平安装的锥形阀调整旋转90°，即采用垂直锥形阀在短涡流管中应用比球形阀制冷效果更佳。

图12为冷端管主视图，图12(a)为冷端管俯视图，图12(b)为冷端管剖视图。其组成部分包括流道凸起11101、流道槽11102、冷端管圆盘11103、第一直管段11104、扩压段11105、第二直管段11106。其中,流道槽应进行抛光处理,减小因为高速高压气体与流道边界摩擦产生过大的能量损失。冷端管材料应选用导热系数较小的金属材料以减小管道内的内低温气体与外界进行换热从而使得气体温度上升。根据边界层流动分离理论，流体沿扩张流道的减速运动会使压力沿流动方向增加，这就是所谓的逆向压力梯度流动。流体在逆向压力梯度下流动时，微型涡流管性能研究由于流体粘性和壁面的阻滞影响，使紧贴壁面原来就缓慢的流动着的流体速度迅速下降，直至为零，其压力又低于下游，故迫使下游流体产生回流，回流与来流碰撞把流体推离壁面就形成了边界层分离。边界层分离发生后将形成涡旋区。由于涡旋损耗动能因而产生了尾涡阻力，使流动损失大为增加。因此，为减少流动损失，有必要对扩压管的扩张角加以限制，扩压段11105部分的扩张角度θ在6-15°之间较为适宜。

图13为密封套筒轴测图，图13(a)为密封套筒俯视图。密封套筒将冷端管和涡流管进气套筒之间密封。

图14为冷端管流道槽形状实施例1主视图。目前普遍认为压缩气体进入喷嘴以后在涡流室内的运动轨迹为阿基米德螺线型，但是研究反应传统的阿基米德螺线型流道的导流效果一般，在涡流室内存在着气体拥堵的问题，而且气体速度未能得到有效的提高，基于以上，本发明在不改变压缩气体在涡流室内的阿基米德螺线运动轨迹的基础上，设计了几种新型的涡流室内流道形状以实现良好的导流和气体增速效果。本实施例以4流道为例，如图所示，4流道在流道凸起内沿中部均匀设置。本实施例冷端管流道槽形状为双阿基米德变径螺线线型。本实施例双阿基米德变径螺线线型由初末半径相同且圆心相同的两条阿基米德螺线组成，两曲线的半径变化率以及螺线角度不同，所以当压缩气体进入双阿基米德变径螺线线型流道槽以后，由于流道管径是渐缩式的，所以气体在螺旋前进的同时气体速度也在逐渐变大，有助于提高涡流管的涡流能量分离效果。最终气体在流道槽末端近似切向的从流道口喷出进入涡流室实现涡流能量分离。

阿基米德螺线方程：

ρ＝a+bθ (1)

将极坐标方程转化为其参数方程：

x＝ρ(θ)cosθ＝(a+bθ)cosθ； (2)

y＝ρ(θ)sinθ＝(a+bθ)sinθ (3)

图15为冷端管流道槽形状实施例2主视图。本实施例以6流道为例，其组成部分与冷端管流道槽形状实施例1相同，只是流道形状和数目不同。本实施例冷端管流道槽形状为阿基米德-抛物线线型。本实施例中，抛物线为内侧流道而阿基米德螺线为外侧流道。同样的流道管径为渐缩式，气体在螺旋前进的同时气体速度也在逐渐变大，抛物线的顶点与内侧圆边界相交，在抛物线的顶点作法线与外侧阿基米德螺线组成的横截面处流道的通流面积达到最小，气体速度达到最大，最终从涡流管流道口处喷出进入涡流室实现涡流能量分离。

抛物线标准方程：y²＝2p(x-p/2) (4)

抛物线极坐标方程：

其中，p为焦点F(p/2，0)F到准线的距离，θ为抛物线上的点P(x,y)与焦点F(p/2，0)所连直线与x轴正方向之间的夹角。

图16为冷端管流道槽形状实施例3主视图。本实施例以4流道为例，其组成部分与冷端管流道槽形状实施例1、2相同，只是流道形状和数目不同。本实施例冷端管流道槽形状为阿基米德-圆弧线型。本实施例中圆弧曲线为内侧流道而阿基米德螺线为外侧流道。压缩气体在流道槽内实现旋涡加速，最终从涡流管流道口处喷出进入涡流室实现涡流能量分离。

本方案具体工作过程如下：

本发明的液氮循环冷却涡流管高效制冷系统包括涡流管制冷系统和液氮冷却系统两大部分。当使用该液氮循环冷却涡流管高效制冷系统时，首先开启液氮循环泵，使液氮冷却系统处于工作状态，对涡流管制冷系统的热端管进行预冷却。然后打开与涡流管制冷系统喷嘴相连接的外部空气压缩机,通过空气压缩机的降温、过滤、干燥作用后的相对纯净的压缩气体通过涡流管制冷系统喷嘴进入涡流管制冷系统进行气体能量热量分离,经过涡流管能量分离后的低温气体从涡流管冷端管排出，然后通过冷端管端口接入的外接管道低温气体引入加工区域实现冷却降温作用。

涡流管制冷系统工作原理：

涡流管制冷系统是一种结构简单的能量分离装置，由喷嘴、涡流室、冷端管、热端管以及气体控制阀五个核心部分组成。利用能量涡流分离原理，工作时将压缩气体由进气管道通入涡流管喷嘴，由于空间的突然增大以及压力差，气体膨胀加速后以极高的速度沿切线方向进入涡流室，气流在涡流室内形成高速涡旋，由于气体控制阀与冷端管孔板之间的压力差，在涡流管内的中心区域会形成回流气体。由于外部气流的边界角速度很小，但近中心区域气流角速度很大。在惯性力的作用下最终使所有气流的角速度趋于相等。因此，气流在向热端管方向流动的过程中，内层气流速度逐渐降低而外层气流速度则逐渐增大，从能量转移的角度来讲，能量从内层气流传向外层气流，内层气流膨胀作功从而温度降低，而外层气流的温度则升高。与此同时，外层气流热量也向内层气流中心传递，但比功的传递慢很多，内层气流供给外层气流的动能足以补偿由于摩擦和传热所产生的热流。所以，内层气流温度逐渐降低而外层气流获得的动能比其失去的热量多，这些动能在热端管中由于摩擦最终转化为内能，使外层气流的温度升高。最终，压缩气体经过涡流变换后分离成总温不相等的冷热两部分气流。其中，处于中心部位的强制涡回流气流温度降低形成低温气流并由冷端管一侧排除出，而处于外层部位的自由涡气流温度升高形成热气流，从热端管经气体控制阀调节排出。常温压缩空气通过涡流管的能量涡流分离形成冷热两股气流从涡流管两侧分别排出，这就是所谓的"涡流效应"或者"兰克效应"。

在现有的涡流管制冷技术中，涡流管以其结构简单、维护简便、故障率低、无需电能、机械能和化学能等优势得到广泛应用,然而制冷效率低一直是涡流管研究领域的难题，同时热管内热空气的散热困难，对涡流管的能量分离效果也有一定的制约，因此如何设计一种能有效提高散热率并有效提高制冷效率的涡流管制冷系统是本领域技术人员的重点研究内容。

针对上述问题，为解决现有涡流管制冷技术的瓶颈，本发明提供了一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统。本发明基于涡流管的制冷原理对结构进行了创新，对喷嘴形状、涡流室流道形状、热端调节阀结构以及分离室形状进行了改进设置，增加设计了整流器，同时，采用液氮循环对涡流管热管进行冷却，实现有效提高涡流管的散热率和制冷效率的目的。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统，其特征是，包括涡流管制冷系统和液氮冷却系统，所述涡流管制冷系统包括带有喷嘴的进气套筒，进气套筒一端套接冷端管并由密封套筒密封，另一端套接热端管并由密封垫片密封，冷端管、进气套筒和热端管形成涡流室；所述热端管远离进气套筒的一端内部设有整流器；

所述液氮制冷系统包括缠绕于热端管外部的螺旋液氮冷却管道，螺旋液氮冷却管道循环输送液氮对热端管进行冷却。

2.如权利要求1所述的制冷系统，其特征是，所述冷端管包括冷端管圆盘，冷端管圆盘一端设置流道凸起，冷端管圆盘另一端设置冷端管道；所述流道凸起围绕中心设置多条弧形流道槽；所述热端管和冷端管对接设置，进气套筒的喷嘴设置于冷端管流道凸起处；

所述弧形流道槽的形状可以为双阿基米德变径螺线线型型、阿基米德-抛物线线型、阿基米德-圆弧线型中的任意一种。

3.如权利要求2所述的制冷系统，其特征是，所述冷端管圆盘中心设置连通冷端管道和流道凸起的通道；所述冷端管道包括依次连接的第一直管段、扩压段和第二直管段，所述第一直管段与冷端管圆盘连接；所述第一直管段内径尺寸小于第二直管段内径尺寸，所述扩压段的内径尺寸由与第一直管段连接处至与第二直管段连接处渐变增大。

4.如权利要求1所述的制冷系统，其特征是，所述热端管包括热端管圆盘，热端管圆盘一端与热端管道连接；所述热端管圆盘中部设置与热端管道连通的通道；所述热端管道包括与热端管圆盘连接的锥形扩张段，锥形扩张段与圆柱直管段连接；所述锥形扩张段内径尺寸由与热端管圆盘连接处至与圆柱直管段连接处渐变增大。

5.如权利要求1所述的制冷系统，其特征是，所述喷嘴为双变径切向喷嘴或渐开线变径喷嘴。

6.如权利要求5所述的制冷系统，其特征是，所述双变径切向喷嘴包括两个以进气套筒中心对称的喷嘴体，喷嘴体与进气套筒相切连接，喷嘴体的内径尺寸由与进气套筒连接端至悬置端渐变增大；所述渐开线变径喷嘴包括与进气套筒连接的喷嘴体，喷嘴体的形状为渐开线形，喷嘴体内径尺寸由与进气套筒连接端至悬置端渐变增大。

7.如权利要求1所述的制冷系统，其特征是，所述气体整流器包括圆柱套筒，圆柱套筒套设于热端管内部，所述圆柱套筒内壁设置多个均匀分布的整流叶片。

8.如权利要求7所述的制冷系统，其特征是，相对设置的所述整流叶片之间的间隙逐渐减小至最小而后逐渐增大至最大；相对设置的整流叶片之间的间隙始终大于0；

或者，相对设置的所述整流叶片之间的间隙逐渐减小至0而后逐渐增大至最大。

9.如权利要求1所述的制冷系统，其特征是，所述热端管远离进气套筒的一端设置热端调节阀，所述热端调节阀包括套设于热端管外部的气体控制阀阀体，气体控制阀阀体侧壁设置气体控制阀阀芯。

10.如权利要求1所述的制冷系统，其特征是，所述液氮制冷系统还包括液氮循环泵，液氮循环泵通过涡流管进液管道与螺旋液氮冷却管道一端连通，螺旋液氮冷却管道另一端通过液氮运输回流管道与液氮槽连通，液氮槽通过液氮循环泵输出管道与液氮循环泵连通。