CN108775724B - 一种带有四通换向阀的脉管式制冷系统 - Google Patents
一种带有四通换向阀的脉管式制冷系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108775724B CN108775724B CN201810697618.6A CN201810697618A CN108775724B CN 108775724 B CN108775724 B CN 108775724B CN 201810697618 A CN201810697618 A CN 201810697618A CN 108775724 B CN108775724 B CN 108775724B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- heat exchanger
- reversing valve
- way reversing
- vascular
- cold end
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 230000002792 vascular Effects 0.000 claims abstract description 52
- 230000002000 scavenging effect Effects 0.000 claims description 11
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 3
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 3
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 19
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 2
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000010358 mechanical oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 238000005293 physical law Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 1
- 230000017105 transposition Effects 0.000 description 1
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
- F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)
Abstract
本发明公开了一种带有四通换向阀的脉管式制冷系统，包括压缩机、气库，以及依次连接的第一换热器、空管、回热器单元、连接管和脉管单元；还包括四通换向阀，四通换向阀的四个接口分别连接压缩机、气库、脉管单元和第一换热器。四通换向阀包括阀芯，通过电磁驱动阀芯，控制脉管单元与压缩机或气库连通。相比于传统脉管制冷机，本发明通过采用四通换向阀，使得脉管制冷机既能提供冷量，也能提供热量，更方便的进行对温度的调节。
Description
技术领域
本发明涉及低温脉管制冷机领域，尤其涉及一种带有四通换向阀的脉管式制冷系统。
背景技术
伴随着当今科技的快速发展，以及物理定律的极大推进，对低温环境下各物质的研究以及应用变的越来越普遍，如军事中的红外设备、医疗中的核磁共振成像仪、航天技术中的低温环境、以及在越来越多的领域里应用的超导技术，都对低温冷却设备提出了越来越严苛的要求。脉管制冷机由于其低温下无运动部件、机械振动小、结构简单，从而受到广泛关注。
对于当前的应用来说，不止是要求低温冷却设备提供一个稳定的冷量，甚至在某些场合，要求在设备停止运转后能够较快的复温。目前常用的办法是通过关闭制冷系统自然复温的办法。或者在某些方便安装加热棒的地方安装电加热来进行复温。通过关闭制冷系统进行自然复温的方式具有的优势为节约成本，但存在的不足之处在于，由于通常被冷却物体处于杜瓦瓶等真空容器内，真空环境的存在使得导热、对流等热交换模式的换热系数大大降低，在正常工作时为了隔绝冷量的真空环境也同样在需要加热时隔绝了外界环境的热量进入，使得复温过程变的十分漫长。而安装加热棒进行复温可以快速的复温，但加热棒的安装位置需要选择，要为加热棒预留专门的位置，使得结构相对复杂。
因上述不同的复温方式均存在一定的不足，或是由于真空环境的存在而使得复温过程变的异常漫长，或是由于安装加热棒增加了额外的工艺，使得安装变的复杂，因此，为更好的在需要冷却的时候制冷，在需要热量的时候制热，需要一种简单有效的方式可以同时提供这种功能的脉管制冷系统。
在具有制冷制热模式的热泵系统中经常用到四通换向阀，热泵系统中的工质为单向流动，即依次流经压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器，通过四通换向阀改变流向，从而使得冷凝器和蒸发器作用可以相互改变，实现制冷制热功能。但在低温制冷机之中流动是交变流动的场合，其中工质是振荡的往复运动，接近于正弦波的模式，在这种交变系统中未见四通换向阀的使用。
发明内容
本发明提供了一种带有四通换向阀的脉管制冷机，使得脉管制冷机既能提供冷量，也能提供热量，更方便的进行对温度的调节。
一种带有四通换向阀的脉管式制冷系统，包括压缩机、气库，以及依次连接的回热器单元、连接管、脉管单元；还包括四通换向阀，所述四通换向阀的四个接口分别连接压缩机、气库、脉管单元和回热器单元，所述回热器单元与四通换向阀的一个接口之间通过空管及第一换热器连接。
所述四通换向阀包括阀芯，使用电磁驱动阀芯，可以对连接的四个部件进行连接方式的切换。本装置中通过电磁驱动，可控制脉管单元与压缩机或气库连通。未通电时，四通换向阀内部的阀芯由于弹簧的作用而处于阀体的左侧，脉管单元与压缩机连通；在通电情况下，由于电磁力的作用，使得阀芯克服弹簧力的作用，由左侧移动到右侧，脉管单元与气库连通。
所述的四通换向阀的接口均通过连接管与压缩机、气库、脉管单元连接。
四通换向阀用于切换脉管制冷系统运行工况，使得脉管制冷机具有制冷和制热的双重功能。制冷工况时，电磁驱动阀芯，脉管单元与气库连通；制热工况时，电磁驱动阀芯，使脉管单元与压缩机连通，此工况下，空管和第一换热器、第三换热器构成脉管单元，原脉管单元作为空管连接管。
所述回热器单元包括回热器以及设置在回热器两端的第二换热器与第三换热器；作为优选，所述的第二换热器与第三换热器均为狭缝式换热器，换热器的材料均为金属铜。
所述的回热器内部为具有一定孔隙率的高比热容的金属填料，例如不锈钢丝网填料，或是铅丸填料。
所述的脉管单元包括脉管以及设置在脉管两端的第四换热器与第五换热器，作为优选，所述的第四换热器与第五换热器均为狭缝式换热器。换热器的材料均为金属铜。
作为优选，所述的压缩机为线性压缩机，所述的空管和脉管的材料为不锈钢。
四通换向阀的其中三个接口通过连接管连接压缩机、气库和脉管单元，制冷工况时，脉管单元与气库连通，此时连接管与气库构成调相机构，用于调节压力波和质量流的相位，以提高制冷机的效率。
作为优选，脉管的体积是冷端扫气容积的3-5倍，一般来讲，制冷温度为100K左右，取3倍，制冷温度为4K-20K左右，取5倍。
作为优选，脉管长度为冷端气体运动行程的3倍以上；进一步优选，脉管长度正好为冷端气体运动行程的3倍。
在制冷模式下，空管为传递声功的空管子，在制热模式下，其作为脉管。为保证制热效率，空管的体积是冷端扫气容积的2.5～3.5倍。空管长度为冷端气体运动行程的1～2倍，避免气体直接从冷端传递到热端。
同样，为提高脉管制冷机的制冷制热效率，其分别在冷热状态下工作的两个脉管的尺寸以及容积都有要求。对脉管制冷机来说，其冷端扫气容积对脉管尺寸影响很大，其计算方式如下：
其中，Vc是冷端扫气容积，是冷端质量流，R是理想气体常数，Tc是冷端温度，ω是角频率，P0是平均压力。
而冷端气体运动行程为：
其中，x是冷端气体运动行程，是冷端质量流，ω是角频率，ρ0是密度，A是脉管截面积。
根据Radebaugh提及的经验理论，为了有一个较高的制冷效率，在100K的制冷温度范围内，脉管的体积是冷端扫气容积的三倍，而在4K-20K的制冷温度范围内，脉管的体积应是冷端扫气容积的五倍。而同样的脉管长度应为冷端气体运动行程的三倍左右，以避免由于脉管长度过短带来的冷端冷量传递到热端，降低脉管制冷机效率，或是由于脉管过长从而造成需要的压缩机功率增加。
在制热模式下，原先的空管变成了脉管，由于制热时，对冷端温度没有要求，通常较高温度比较有利，因此，空管长度也相应的为冷端扫气容积的三倍左右效率较高。而且此时，更多的考虑的并非冷端的冷量，因此空管长度适当放短，会有利于产生更多的热量，但也不能低于冷端气体运动行程的一倍，以免丧失脉管的功能，造成效率的急速下降。因此，此空管长度为冷端气体运动行程的一倍左右。
本发明结构简单，便于实现，在脉管制冷机上增加四通换向阀，即能实现脉管制冷机的制冷模式和制热模式的切换，满足物体对冷热量的需求，更方便的调控温度。
附图说明
图1为本发明一种带有四通换向阀的脉管式制冷系统的结构示意图，图为制冷循环；
图2为本发明一种带有四通换向阀的脉管式制冷系统的结构示意图，图为制热循环。
其中：1为压缩机；2为连接管；3为四通换向阀阀芯；4为四通换向阀；5为第一换热器；6为空管；7为第二换热器；8为回热器；9为第三换热器；10为连接管；11为第四换热器；12为脉管；13为第五换热器；14为气库；15为连接管；16为连接管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
如图1所示，一种带有四通换向阀的脉管制冷系统，包括四通换向阀4，四通换向阀4设有上部接口、下部左接口、下部中间接口和下部右接口；下部左接口通过连接管2与压缩机1连通；下部右接口通过连接管15与气库14连通；上部接口依次连接第一换热器5、空管6、第二换热器7、回热器8、第三换热器9、连接管10、第四换热器11、脉管12、第五换热器14以及连接管16后，与下部中间接口连接。
本实施例中，空管6和脉管12所用材料为不锈钢，第一换热器5、第二换热器7、第三换热器9、第四换热器11和第五换热器14的材料均为金属铜。
四通换向阀4中设有阀芯3，使用电磁驱动，可以控制阀芯3的左右移动。当阀芯3左移时，可以连通连接管2和连接管16；当阀芯3向右移动时，可以连通连接管15和连接管16。
本实施例中，压缩机1为对置式线性压缩机，又名压力波发生器，所用工质为氦气，产生交变振荡的压力。
制冷模式下，压缩机1出口通过连接管2和四通换向阀4的下部左接口相连，之后和第一换热器5相连，第一换热器5为狭缝式换热器，其通过冷却水将压缩机出来的高温震荡气体的热量带走。之后气体进入空管6，在制冷模式中，空管6只是一段起连接作用的管子，第二换热器7同样是狭缝式换热器，其通过冷却水将气体的热量带走。回热器8是内部为多孔介质，如本实施例中采用不锈钢丝网，和氦气进行充分的换热。
在制冷机内部交变气体振荡的前半个周期，气体将热量传递给回热器8内不锈钢丝网，在交变气体振荡的后半个周期，气体从回热器8丝网内吸收热量，最终使得回热器8出现轴向的温度梯度，靠近第二换热器7的一端温度高，靠近第三换热器9的一端温度低，第三换热器9和第四换热器11通过连接管10相连，三者共同构成脉管制冷机的冷端，提供冷量给被冷却物体。脉管12是一段空管子，同样有很大的轴向温度梯度，其将冷端的焓流传递到第五换热器13。之后通过连接管15和连接管16与气库14相连，连接管15和连接管16通过四通换向阀相连，共同构成惯性管，惯性管和气库14为系统的调相机构，通过调节压力波和质量流之间的相位，来提升脉管制冷机的制冷效率。
在制热模式下，如图2所示，四通换向阀4的阀芯3受电磁驱动，阀芯3右端移动到左端，从而使得从压缩机1出来的气体经过连接管2后与连接管16连通，而从换热器5出来的气体经过四通换向阀4后与连接管15连通。此状态下，空管6等效于脉管。由于四通换向阀4的转置，使得系统流向进行了转换，最终导致回热器8的冷热端也进行了转换，从而使得回热器8的上端靠近第二换热器9的位置变成了回热器8的热端，使得第二换热器9变成了向外提供热量的位置，输送给物体。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，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 (9)
1.一种带有四通换向阀的脉管式制冷系统，包括压缩机、气库，以及依次连接的第一换热器、空管、回热器单元、连接管和脉管单元；其特征在于，还包括四通换向阀，所述四通换向阀的四个接口分别连接压缩机、气库、脉管单元和第一换热器。
2.根据权利要求1所述的带有四通换向阀的脉管式制冷系统，其特征在于，所述四通换向阀包括阀芯，通过电磁驱动阀芯，控制脉管单元与压缩机或气库连通。
3.根据权利要求1所述的带有四通换向阀的脉管式制冷系统，其特征在于，所述四通换向阀的接口均通过连接管与压缩机、气库、脉管单元连接。
4.根据权利要求1所述的带有四通换向阀的脉管式制冷系统，其特征在于，所述的压缩机为线性压缩机。
5.根据权利要求1所述的带有四通换向阀的脉管式制冷系统，其特征在于，所述回热器单元包括回热器以及设置在回热器两端的第二换热器与第三换热器，所述的第二换热器与第三换热器均为狭缝式换热器。
6.根据权利要求5所述的带有四通换向阀的脉管式制冷系统，其特征在于，所述回热器的内部设有不锈钢丝网填料或铅丸填料。
7.根据权利要求1所述的带有四通换向阀的脉管式制冷系统，其特征在于，所述的脉管单元包括脉管以及设置在脉管两端的第四换热器与第五换热器，所述的第四换热器与第五换热器均为狭缝式换热器。
8.根据权利要求7所述的带有四通换向阀的脉管式制冷系统，其特征在于，所述脉管的体积是冷端扫气容积的3～5倍，所述脉管的长度为冷端气体运动行程的3～4倍；所述冷端扫气容积的计算公式如下：
其中，Vc是冷端扫气容积，是冷端质量流，R是理想气体常数，Tc是冷端温度，ω是角频率，P0是平均压力；
所述冷端气体运动行程的计算公式如下：
其中，x是冷端气体运动行程，是冷端质量流，ω是角频率，ρ0是密度，A是脉管截面积。
9.根据权利要求1所述的带有四通换向阀的脉管式制冷系统，其特征在于，所述空管的体积是冷端扫气容积的2.5～3.5倍，所述空管的长度为冷端气体运动行程的1～2倍。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810697618.6A CN108775724B (zh) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | 一种带有四通换向阀的脉管式制冷系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810697618.6A CN108775724B (zh) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | 一种带有四通换向阀的脉管式制冷系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108775724A CN108775724A (zh) | 2018-11-09 |
| CN108775724B true CN108775724B (zh) | 2019-10-18 |
Family
ID=64030574
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810697618.6A Expired - Fee Related CN108775724B (zh) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | 一种带有四通换向阀的脉管式制冷系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108775724B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115127249A (zh) * | 2021-03-29 | 2022-09-30 | 同济大学 | 一种模式可调的脉管冷热机 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2829589B2 (ja) * | 1996-04-05 | 1998-11-25 | 岩谷産業株式会社 | 極低温冷凍機 |
| JP2001324232A (ja) * | 2000-05-15 | 2001-11-22 | Daikin Ind Ltd | パルス管冷凍機 |
| JP4360020B2 (ja) * | 2000-08-24 | 2009-11-11 | アイシン精機株式会社 | 蓄冷式冷凍機 |
| AU2003217905A1 (en) * | 2002-03-05 | 2003-09-22 | Shi-Apd Cryogenics, Inc. | Fast warm up pulse tube |
| CN2804728Y (zh) * | 2005-03-22 | 2006-08-09 | 浙江大学 | 进气量可控低温制冷装置 |
| CN100386578C (zh) * | 2006-04-28 | 2008-05-07 | 浙江大学 | 带冷端气库的脉管制冷机 |
| JP4763021B2 (ja) * | 2008-03-25 | 2011-08-31 | 住友重機械工業株式会社 | パルス管冷凍機及び蓄冷型冷凍機 |
| CN108168134B (zh) * | 2016-12-07 | 2020-10-02 | 同济大学 | 一种惯性管脉管装置 |
| CN107328130B (zh) * | 2017-01-22 | 2020-07-28 | 同济大学 | 采用主动调相机构的多级脉管制冷机系统及其调节方法 |
-
2018
- 2018-06-29 CN CN201810697618.6A patent/CN108775724B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108775724A (zh) | 2018-11-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Matsubara et al. | Novel configuration of three-stage pulse tube refrigerator for temperatures below 4 K | |
| WO2017118241A1 (zh) | 一种机械振动隔离的无液氦消耗极低温制冷系统 | |
| US6263677B1 (en) | Multistage low-temperature refrigeration machine | |
| Richardson et al. | A review of pulse tube refrigeration | |
| US5791149A (en) | Orifice pulse tube refrigerator with pulse tube flow separator | |
| CN108775724B (zh) | 一种带有四通换向阀的脉管式制冷系统 | |
| JP7186133B2 (ja) | 多段式パルス管冷凍機、および多段式パルス管冷凍機のコールドヘッド | |
| CN208124665U (zh) | 一种低温制冷机的多温度冷源获取装置 | |
| JP3593713B2 (ja) | パルス管冷凍機 | |
| CN104534721A (zh) | 一种采用多级热耦合v-m型脉冲管制冷机的制冷系统 | |
| JP3280922B2 (ja) | スターリング冷凍機利用恒温液循環装置 | |
| US10018381B2 (en) | Cryogenic refrigerator | |
| CN208075640U (zh) | 热控装置 | |
| CN209445626U (zh) | 直线脉管冷指与杜瓦集成耦合的抗冷缩装置 | |
| US7174721B2 (en) | Cooling load enclosed in pulse tube cooler | |
| TWI759219B (zh) | 史特靈冷凍櫃 | |
| CN100427848C (zh) | 一种热声驱动脉管制冷机系统 | |
| CN108954891A (zh) | 基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机 | |
| CN108954888A (zh) | 脉管制冷机预冷的低温j-t节流制冷机 | |
| CN110145884A (zh) | 一种低温制冷机的多温度冷源获取装置 | |
| RU2273808C2 (ru) | Холодильная машина с пульсационной трубой | |
| JPH08313095A (ja) | 蓄冷式冷凍機 | |
| JPH0674584A (ja) | 極低温冷凍機およびその運転方法 | |
| US20220325922A1 (en) | Regenerative cryogenic machine | |
| JP2000220902A (ja) | 冷却装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20191018 |