CN108931067A - 一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置 - Google Patents

Abstract

蒸汽压缩制冷系统驱动的低温脉管式制冷装置用于解决普通制冷系统只能获取有限的低温、常规的脉管式制冷装置制冷量及其有限等不足，通过模块化方案同时获得制冷和低温等多个温区以满足实际应用的需要，同时提高热声热机体积比功率及系统效率；其要点在于利用常规制冷系统压缩机前后高低压差，采用高低压声波转换发生装置使其两端形成的较大压差和较高的振荡频率，替代压比小、稳定性差、频率低的线性压缩机，从而提高声场频率和脉管进出气压比，提高热声转换效率，并驱动脉管制冷模块产生低温；可以把任何制冷系统进行改造成为低温和常规制冷一体化的装置，进而满足特定的温度需求，从而使微型低温制冷机和民用制冷市场结合。

Description

一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置

技术领域

本发明涉及一种新型的蒸汽压缩制冷系统驱动的低温脉管式制冷装置，具体地说，是涉及一种利用常规的蒸汽压缩式制冷系统作为低温脉管式制冷装置的压力波发生器，驱动脉管式制冷装置来获取所需要的低温和常规制冷一体化的装置。

背景技术

常规的蒸汽压缩制冷系统能够实现所需要的温度湿度控制，进而实现对被冷却空间进行降温或者热泵等诸多功能，但单机和单级压缩都不能到达很低的温度，也即是常规的制冷空调系统不能同时实现制冷和低温两种功能；另外一方面，常规的脉管式制冷低温装置，因其所需要的压力波发生器一般均为线性压缩机，或者是热声发动机，其中的线性压缩机输出功率不大，工作可靠性一般，且价格昂贵，而各种传统的热声热机在进行大规模工程应用的过程中的主要技术障碍是：(一)功率体积比太低，使其尺寸太大；(二)热声转换效率较低，使装置的相对效率(即COP/COP_Carnot)仅5％，也不能实现微型化等多方面的要求；同时，常规的脉管式制冷装置因其工作频率低，压力波发生器所能够提供的声压幅值小，难以实现低温系统的大功率化；况且目前的航空航天、低温医学、气体液化等发展很快，迫切需要多种多样的低温医学设备，因此，这些都为一体化的蒸汽压缩式制冷系统驱动脉管式制冷装置提出了迫切的要求和广阔的应用前景，为微型低温技术的发展提供了很好的机遇。

而解决大冷量输出的低温脉管装置的关键措施是提高声场频率(几十至几百赫兹)，以及提供声压幅值，这可以从以下声强和声功流公式中得以确定。

在热声热机和制冷机中，根据声学的基本知识，表示能量最常用的量——声强的表达式为：

式(1)中有关符号的物理意义可以参考文献[P.M(美).莫尔斯,理论声学(上,下册),科学出版社,1986]。

式(1)表示声波在单位面积上的时间平均声强，对其作截面积分得声功流

其中，表示p₁和U₁之间的相位差，～表示该复数向量的共轭复数，U₁表示声波的体积流速，对于截面均匀的平面声波，U₁等于流速u₁与截面积A的乘积。

从式(1)中可以看出，声强的大小主要处决于角频率项ω，声功率的大小直接取决于压力波、速度波幅值、角频率项ω、压力波和流速波之间的相角，当它们之间的相角一定的时候，那么热声系统的声功率还是直接处决于声压幅值和角频率ω，也即是直接处决于系统的声压幅值和固有工作频率f，因此当系统的声压幅值和工作频率f越大时，其对应的声功率也就越大，所以说提高系统的声压幅值和固有工作频率是降低系统工作尺寸和提高体积比功率的有效手段。

发明内容

本发明需解决的技术问题是：针对实际的蒸汽压缩制冷系统只能获取有限的低温、常规的脉管式制冷装置制冷量及其有限等多方面的不足，而采用模块化的蒸汽压缩制冷系统驱动脉管式制冷装置，同时获取制冷和低温等多个温区的一体化制冷低温装置，进而满足实际需要，另外也是为了提高热声热机体积比功率和系统工作效率的需要。

本发明的目的主要在于以下三个方面：第一针对实际的蒸汽压缩制冷系统只能提供有限的制冷温度要求，且其高低温之间压差和压比较大等多种因素，直接利用其高低压的差值，为后置的脉管式制冷装置提供高声压幅值的压力波驱动源；第二个目的在于，采用模块化的技术方案后，设计的模块就可以把任何制冷系统进行改造成为低温装置，进而满足特定的温度需求；第三是蒸汽压缩式高声压幅值转换模块和后续的脉管式低温装置模块可以发展成为制冷与低温装置的标准模块，用这种技术使微型低温制冷机的研究和民用制冷市场结合起来走上产品更新研究的良性循环道路。

本发明的理论依据：在脉管制冷的循环当中，进排气的压差越大，表明进气压力越高，或者一定的进气压力前提下，排气压力越低，则可以使脉管封闭端气体因受到挤压而升高的温度越高；而排气压力越低，脉管内气体膨胀所产生的制冷效应越强。利用普通冷却系统压缩机两端形成的较大压差和较高的振荡频率，替代压比小、稳定性差、频率低的线性压缩机，从而提高声场频率和脉管进出气压比，提高热声转换效率。而模块化即是以普通蒸汽压缩、高低声压转换装置、脉管制冷装置各为可替代的模块组合。

本发明所采用的技术方案：本一体化装置分为三个模块，第一个模块为普通的蒸汽压缩式制冷系统，第二个模块为蒸汽压缩式制冷系统驱动的高低压声波转换发生装置，第三个模块为各种冷量与温度输出的脉管式制冷模块装置，其中第一个模块为常规的各种蒸汽压缩式制冷系统，功率大小不等，可以包括各种各样的制冷量和制冷温度输出；第二个模块蒸汽压缩式制冷系统驱动的高低压声波转换发生装置，对外输出各种功率和各种频率的高声压幅值声波；第三个脉管式制冷模块装置包括过渡和声压频率匹配的声波导管，以及脉管、热端换热器、回热器、冷端换热器、小孔、气库等脉管制冷装置。

所述发明装置由三大模块组成，普通蒸汽压缩制冷模块、高低压声波间隔转换发生模块、脉管式制冷模块装置及相应的管路、阀门等辅助装置组成。

所述普通蒸汽压缩制冷模块是由常规蒸汽压缩式制冷系统构成。其目的为取压缩机后，冷凝器前的高压气体作为高低压声波间隔转换发生模块的驱动压力，取蒸发器后，压缩机前的低压气体，作为高低压声波间隔转换发生模块的反向驱动压力，利用压缩机前后压差为动力源驱动声波发生模块。其主要分为四大部分：其一是制冷压缩机，为取得其前后高低压差作为后续驱动转换模块的动力源头；其二为冷凝器，高温高压的制冷剂蒸汽在其中液化向环境放热；其三为节流装置，高压液态制冷剂流经狭窄通道流量和压力降低并进入蒸发器；其四为蒸发器，低压液体在其中吸热蒸发变为低压气体。

所述制冷压缩机，为取得其前后高低压差作为后续驱动转换模块的动力源头。低温低压的制冷剂蒸汽被压缩机吸入，经过气缸压缩，成为高温高压气体排出压缩机。在这期间只改变了蒸汽的压力而制冷剂的形态未发生改变，仍然为气体。所述制冷压缩机可以是现有的各种规格和类型的制冷压缩机，压缩机的型号可依据所需压比、功率等参数按照普通冷却系统的标准进行选用。所述冷凝器为换热装置。高温高压的制冷剂蒸汽在其中将热量传递给外界，因冷凝而液化，从而在其中改变了制冷剂的形态，由高温高压蒸汽变成了高压液体。所述冷凝器主要选用管翅式换热器等各种常规的换热装置，依据换热能力以及相应的适应条件选取符合冷凝器选型标准的设备。所述节流装置，制冷剂的高压液体在流经狭窄通道使其流量和压力得到节流而变成低压液体进入蒸发器，此时制冷剂的压力减小，形态基本不发生变化。所述节流装置在满足性能要求的同时，可以控制精度和设备成本要求选取膨胀阀、毛细管等节流装置。所述蒸发器，低压液体在其中与外界进行热量交换，从而使外界温度不断降低，而其内低压液体吸热蒸发变为低压气体。所述蒸发器的结构型式与常规的蒸发器结构型式一致，种类多种多样，根据使用条件及性能选型，一般以管翅式换热器为主。

所述普通蒸汽压缩制冷系统的四大部件连接如下：从压缩机出发开始，压缩机的排气口和紫铜管用铜焊焊接，通过一定长度及走向的通道性紫铜管，连接到冷凝器的进口端，并使用银焊焊接。之后用紫铜管连接到冷凝器的出口端，银焊焊接。紫铜管的另一端连接节流装置入口。节流装置出口和蒸发器入口、蒸发器出口和压缩机入口均用紫铜管连接并焊接。焊接完成后要求管路系统完全密封。在压缩机出气口和进气口连接的紫铜管出分别连接三通，并接出系统，分别为高压管三通，低压管三通，高低压三通为接入高低压声波间隔转换发生模块的接口。

所述普通蒸汽压缩制冷系统的制冷量大小没有限制，可以满足常规的制冷与低温系统需要，可以是制冷低温系统，也可以是空调系统，也即是各种各样的蒸汽压缩式制冷与低温装置、制冷与空调装置、冷藏冷冻除湿装置、带有制冷系统的通风装置等都可以成为本发明的驱动源，所有的蒸汽压缩式系统均可以成为本发明的驱动装置。

所述高低压声波间隔转换发生模块由两个气缸、连杆机构、4-10个控制管路开闭的通断装置以及一系列管路压力通道组成。主动气缸为制冷剂驱动气缸，从动气缸为脉冲管制冷系统的压力波发生器，用于采集一种常规制冷系统中的高低，压利用压力差驱动活塞连杆，继而带动从动气缸的活塞，完成压力的转换调整。

所述两个气缸分为主动气缸和从动气缸。主动气缸为制冷剂驱动气缸(以下简称主动气缸)，从动气缸为脉冲管制冷系统的压力波发生器(以下简称从动气缸)。由电磁阀控制管路的通断，实现高压低压交替充入主动气缸，主动气缸活塞往复运动的同时，带动从动气缸活塞的往复运动，并在从动缸中创造交变的压力，并进行输出。两个气缸的缸径可变，因而活塞的直径大小亦可变。两个活塞由连杆机构固定在一起，活塞行程可变。行程和直径可变的活塞能够保证提供的压比、频率等具有最大限度的可调性，变化范围更宽。该转换发生模块用于采集一种常规制冷系统中的高低压，并对其按照一定的规律进行整流稳压使其压力波动符合需求，之后将达标的高低脉动压力通过管道及膨胀阀体导入主动气缸，利用压力差驱动活塞连杆。来回往复运动的连杆继而带动从动气缸的活塞，完成进一步的压力调整。

所述高低压声波间隔转换发生模块主动气缸中的工作介质与普通蒸汽压缩制冷模块的工作介质相同，从动气缸的工作介质与脉管式制冷模块装置的工作介质相同。

所述高低压声波间隔转换发生模块中主动气缸与从动气缸的工作频率由其所附带的4-10 个控制管路开闭的通断装置决定，这个工作频率也和脉管式制冷模块的工作频率一致。

所述主动气缸为双作用气缸，在两侧气缸的顶部各开一通孔，通孔连接管道系统和管道通断装置，管道通断装置可以为电磁阀、手动开关、气动开关、液压开关等可以控制管道通断的装置；通孔连接管道系统和管道通断装置后与常规蒸汽压缩制冷系统的高低压端直接通过三通相连接之后，分别通过各自管路连接到常规蒸汽压缩式制冷系统的高压端三通和低压端三通。

所述从动气缸可以是单作用气缸，也可以是双作用气缸，为单作用气缸时在气缸顶开一孔，通脉冲管路后接入脉管制冷系统，而气缸底向周围环境开放，为双作用气缸时在两侧气缸的顶部各开一通孔，通孔连接管道系统和管道通断装置，并将压力导入后续脉管制冷系统。

所述高低压声波间隔转换发生模块的从动气缸可以连接单个脉管制冷模块装置，也可以连接多个脉管制冷模块装置，还可以连接阵列式脉管制冷模块装置。在连接阵列式脉管制冷模块装置(以下简称阵列脉管)的结构设置当中，由于阵列当中的多套脉管装置需要在不同压力相位下利用从动缸的高低压，所以配置一个多通道高低压分配切换阀，为不同的脉管装置分配其所需不同压力。

所述的连杆机构可以是直连式的连杆机构，直连式机构采用单根连杆，在连杆两端分别固定有从动缸和主动缸活塞，活塞与连杆之间可以采用焊接、套管等方式进行固定。在固定过程中保证活塞轴线与连杆轴线重合，以期活塞连杆在运动路径上保持与轴线重合。直连式连杆机构在主动活塞下行时使得从动活塞上行，主动活塞上行时从动活塞下行，两活塞相对于气缸的运动是互补的。直连式连杆机构所需零部件少，活塞连杆本身均为固定结构，无内部构件摩擦，但布置形式有所限制。

所述的连杆机构可以是曲柄多连杆机构，采取主动活塞和从动活塞之间用多根连杆及转向节连接的方式。在活塞头与连杆的连接处、连杆与连杆的连接处等均利用转向机构，可以采用万向节或者单轴、双轴、三轴转向节等进行铰接。并在需要换向的连杆的中间位置布置固定于固定结构件上的万向节进行连杆的换向。由于多连杆机构的应用，可以使的两活塞相对于气缸的运动是互补的，也可以是同向的。例如主动活塞和从动活塞同时上行、同时下行，或者以个上行另一个下行。由于连杆机构是由多个连杆和铰接结构组成，其结构形式便可根据整个系统空间配置、运动特性要求等进行改变，同时可以通过连杆长度、铰接位置等的选择，对从动缸的压缩功率进行调整。

所述脉管式制冷装置是利用高压气体在脉管空腔中的绝热放气膨胀过程获得制冷效应的。其由切换阀、回热器、负荷换热器、脉管、水冷却器、导流器等组件组成。脉管制冷系统中，以进排气孔的布置端为头端。头端的进排气孔是由一切换阀连接在回热器上，然后由回热器另一端连接脉管的压力腔。压力腔的回热器一端(靠近脉管系统头端)设置有负荷换热器，另一端设置水冷却器。在脉管制冷系统中，回热器累积循环中所得的冷量，并传递给下一次循环的入流气体。

所述脉管式制冷装置还可以增加惯性管和旁通管的脉管制冷机。在气库前加一脉冲管，并在后冷却器前端到惯性管主孔前端增加管路作为旁通管。惯性管和双向进气的结合就可以使回热器内质量流振幅平均值最小，因而回热器的热损失最小。回热器的冷端质量流滞后于压力波，而在回热器热端质量流超前于压力波。工作在高频工况下的惯性管正好能够利用工质的质量惯性为脉管制冷机提供这种相位关系。既可以提高回热器冷端单位质量流所对应的制冷量，又可以避免环路结构以及直流对制冷性能的影响。

本发明的有益效果：本发明在常规蒸汽压缩制冷系统在制取冷量的同时得到低温，实现了单一系统的多温区制冷，使得制冷与低温同步化。可以把任何制冷系统进行改造成为低温装置，进而满足特定的温度需求拓展了制冷系统的应用领域。本发明在普通蒸汽压缩制冷系统中提取压缩机两端的压力，可源源不断地为脉管系统提供高声压幅值的压力波驱动源,即高声场频率和脉管进出气压比，提高了效率。本发明在模块化、高效化的基础上可以达到小型化，则可进一步发展成为制冷与低温装置的标准模块，用这种联合系统技术使微型低温制冷机的研究和民用制冷市场结合起来走上产品更新研究的良性循环道路。

附图说明

图1是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的系统原理示意图；

图2是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的气缸直连式连杆结构示意图；

图3是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的双作用从动气缸结构示意图；

图4是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的阵列脉管制冷装置结构示意图；

图5是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的阵列脉管制冷装置另一示例结构示意图；

图6是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的气缸曲柄多连杆式连杆结构示意图；

图7是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的脉管制冷机原理及循环过程的气体温度分布图；

图8是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的带有惯性管的双向进气脉管制冷机示意图；.

具体实施方式

为了进一步阐明发明的目的以及技术方案及优点，下面结合附图和实施例对本装置作进一步叙述。

参见图1是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的系统原理示意图，在附图1当中：①—常规蒸汽压缩式制冷系统；②—高低压间隔驱动转换系统；③—脉冲管制冷系统；1—压缩机；2—冷凝器；3—节流装置；4—蒸发器；5-1.高压管电磁阀1；5-2.高压管电磁阀2；6—制冷剂驱动气缸(主动气缸)；7—脉冲管制冷系统压力波发生器(从动气缸)；8—脉冲管制冷系统；9—脉冲管；10-切换阀；11-1.低压管电磁阀1；11-2.低压管电磁阀2。所述压缩机1处于所述模块①的核心位置。压缩机通电后，将制冷剂的低压蒸汽吸入压缩机1，其通过对压缩机气缸体积的缩小，使得制冷剂被压缩为高温高压的气体，并从排气口排出至制冷管路，然后通入冷凝器2当中。高温高压气体在冷凝器2中向周围低温环境放热，使得制冷剂冷凝而改变状态，形成低温高压的液体，此时压强不变。低温高压的液体流经管路进入节流装置3中进行节流降压，形成低温低压的液体制冷剂，制冷剂状态基本不发生变化，仍然为液态。低温低压的制冷机继续行走至蒸发器4当中，在蒸发器4中吸收热量汽化，形成低温低压的制冷剂蒸汽，其压力未发生改变，状态为气态。气态制冷剂通过管路，重新导入压缩机1，被压缩机吸气口吸入并进行压缩，自此完成一个常规蒸汽压缩式制冷循环。所述模块②从压缩机两端管路各导出一管路以提供驱动压力。在压缩机1出口压力在压力幅值的最高处时，即压缩机出口压力最大。此时需要将最高压力通过管路导入到主动气缸即制冷剂驱动气缸6，在气缸活塞一侧提供高压环境。与此同时，压缩机1的进气压力达到最低值，同样将最低压力通过管路导入到主动汽缸6，在活塞另一侧提供低压环境，以创造驱动活塞连杆机构运动的压力差。由于压力差的存在，活塞将向压力小的方向运动。以活塞在汽缸顶为原始状态为例进行说明。当压缩机1的出口压力达到最大时，电高压管电磁阀5-1开启，低压管电磁阀11-1关闭，高压通过电磁阀5-1进入气缸顶部空间。与此同时，高压管电磁阀5-2关闭，低压管电磁阀11-2打开，低压环境通过电磁阀11-2所在管路与气缸底连通。气缸顶腔为高压，气缸底腔为低压。高低压差推动活塞由气缸顶运动至气缸底。当传感器检测到活塞位置已经到达下止点时，控制机构则控制电磁阀进行换向动作，将气缸高压侧与低压侧互换。高压管电磁阀5-1和低压管电磁阀11-1打开，低压从电磁阀11-1导入到气缸顶腔。同时，低压管电磁阀11-2关闭，而高压管电磁阀5-2打开，高压从电磁阀5-2导入气缸底腔。由此，顶腔连通了低压环境，底腔连通高压环境。在活塞两侧压力差的作用下，活塞由气缸底的下止点运动到气缸顶的上止点，由此完成气缸的一次两冲程循环。在传感器检测到活塞处于上止点后，执行电磁阀重新回到5-1、11-2开启，5-2、11-1关闭的状态，活塞继而开始下行，开启下一循环。由于主动气缸6和脉冲管制冷系统压力波发生器气缸即从动气缸7对尾对称放置，并且活塞被连杆连接达到同步运动，则在主动气缸活塞由气缸顶到气缸底的下行运动过程中，从动气缸活塞由气缸底运动到气缸顶，即上行运动，主动缸活塞上行时，从动缸活塞下行。在活塞上行时，气缸顶腔被压缩，较高压力的气体进入脉管，活塞下行时气缸顶腔被扩张，气体重新回到气缸。活塞上行时，气缸顶腔的气体通过脉冲管进入脉管制冷系统8，并在标准化脉冲管制冷系统中完成制冷行为。

参见图2是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的气缸连杆结构示意图，在附图2当中：④—制冷剂驱动气缸(主动气缸)；⑤—脉冲管制冷系统压力波发生器(从动气缸)；11—气缸顶腔；12—主动缸缸顶开孔；13—活塞；14—连杆；15—从动缸活塞；16—从动缸缸顶开孔；17—从动缸缸体；18—主动缸缸底开孔；19—气缸底腔；20—主动缸缸体。当活塞13处在气缸上止点时，通过气缸顶开孔12充入高压，气缸底腔19连通低压，则气缸顶腔11处于高压状态，底腔19为低压。高低压差推动活塞13由气缸上止点开始运动，下行至下止点。在此过程中，对称放置的从动气缸活塞15被连杆14连接做上行运动，由气缸底运动到气缸顶。在活塞上行时，气缸顶腔被压缩，高压气体从缸顶开口16进入下一模块脉管制冷系统。次冲程完成后，通过缸外电磁阀换向，使气缸高压侧与低压侧互换。主动缸顶腔 11连通了低压环境，底腔19连通高压环境。在两侧压力差的作用下，活塞13由下止点上行到上止点。与其连接的从动缸活塞15相应由上止点运动到下止点，从动缸顶腔扩大，从缸顶开口16吸入脉管制冷系统中的气体。由此完成主从两气缸的一次两冲程循环。电磁阀继续换向，主动缸活塞13继而开始下行，从动缸活塞15上行，开启下一循环。

参见图3是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的双作用从动气缸结构示意图。在附图3中，⑥—双作用从动气缸；21—从动缸缸盖；22—底腔通孔。当活塞下行时，活塞顶腔缩小形成高压，活塞底腔扩大形成低压，并从底腔通孔22吸入低压工质。活塞上行时，顶腔形成低压，底腔高压。高低压同时存在，即为双作用气缸。

参见图4是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的阵列脉管制冷装置结构示意图。在附图4当中：⑦—脉管制冷系统；23—多通道高低压切换阀；24—阵列脉管制冷装置。通过多通道高低压切换阀，可以将来自从动缸的高压、低压按照一定的顺序分至阵列脉管的各个通道。当活塞在上止点时，气缸顶腔为高压，高压通过电磁阀通入需要高压的脉管装置，与此同时，气缸底腔呈现低压状态，低压电磁阀开启，并通过多通道高低压切换阀，将低压导入到需要低压环境的脉管当中。

参见图5是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的阵列脉管制冷装置另一示例结构示意图。在附图5当中：25—多通道高低压分液阀。在从动缸的两侧分别连接电磁阀以及高低压分液阀，分别在脉管制冷机构的两侧创造高压和低压。在从动缸活塞的驱动下，两侧高低压环境相互交换，完成振荡。

参见图6是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的气缸曲柄多连杆式连杆结构示意图。在附图6当中：26—主动缸活塞连杆；27—铰链1；28—万向节；29—转向连杆；30—铰链2；31—从动缸活塞连杆；32—万向节固定架；33—承托固定结构。以三连杆的工作原理作详细说明。当主动缸活塞13由下止点至上止点运行时，与活塞铰接的主动缸活塞连杆26向左运动，通过转向轴27推动转向连杆29。由于转向杆29以中间某个位置为旋转中心被万向节28和固定架32固定在承托结构33上，则转向杆29应当以万向节28为中心做顺时针转动。此时转向杆29另一端，即铰链30，拖动从动缸活塞连杆31向右运动。从动缸活塞15从上止点运动到下止点，做下行运动。转向杆和万向节的采用，可以使主从动缸的两活塞具有相同的运动方向，也可以增加转向杆使两缸的举例延长并依然具有相反的运动方向。并且多连杆的利用可以使得从动缸、主动缸的布置形式灵活多样。主从动缸轴线可以不重合、甚至不在同一平面内。此布置可以使两缸具有不同的缸径，甚至不同的布置方向。万向节在转向杆的布置位置可以通过杠杆原理改变从动缸活塞和主动缸活塞的运动行程，由此可以匹配各种不同行程的气缸，同时通过杠杆原理，转向杆可以改变转向杆两端的力臂，使得主从动两缸具有不同的压缩比。由此，曲柄多连杆机构的应用可以保证两缸的缸径、压缩比、布置位置均可调，以适应上游普冷系统和下游脉管制冷系统的所需气缸匹配。

参见图7是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的脉管制冷机原及循环过程的气体温度分布图。在附图7当中：34—切换阀；35—回热器；36—冷端口换热器；37—脉管；38—水冷却器；39—导流器；40—回热器填料。

充气过程。切换阀34切换至进气阀开启状态，温度为Ta的高压气体通过进气阀流进回热器35，被回热器35内的回热填料40冷却到接近Tc温度，通过冷端换热器36和导流器39，以层流形式进入脉管37，把管内气体推向封闭端。气体受到挤压后，压力和温度上升，使脉管封闭端的气体温度达到最高值Ta’。

换热过程。布置在脉管封闭端的水冷却器38将热量带走，使管内气体的温度降低到Ta，进气阀关闭。

排气过程。切换阀34切换至排气阀开启状态，与低压气源接通，脉管14内气体膨胀，产生制冷效应，气体温度降到Tc’。

回热过程。膨胀后的低压气体反向流过回热器，吸收回热填料40中的热量，气体被复热升温至接近Ta，返回从动气缸缸顶入口。至此一个循环结束。

接着，切换阀34再次切换，与气源高压连通，重复上述循环。

参见图8是本发明一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置的带有惯性管的双向进气脉管制冷机示意图。在附图8当中：41—从动气缸；42—后冷却器；43—回热器44—冷端换热器；45—脉管；46—热端换热器；47—主孔；48—惯性管；49—气库；50—次孔；51—第二进气旁通管路。为了减少脉管制冷机回热器中的损失，本发明采用的惯性管和双向进气发的调相结构，可以获得最优的制冷性能。首先采用惯性管来进行相位的调节功能。惯性管调节的循环过程如下。

气体活塞15压缩脉管内的气体。由于这股压缩的气体压力高于气库49内的平均压力，部分气体经过惯性管48流入气库49直至脉管内的压力降到其平均压力为止，与此同时压缩气体热通过脉管热端换热器46释放到环境。气体活塞15下行，气体在脉管内绝热膨胀。此时脉管内气体压力低于气库内平均圧力，部分气体由气库49流经惯性管48进入脉管直至其压力上升到气库平均压力为止，从而迫使膨胀后的低压冷气体流经脉管冷端换热器44，与此同时从待冷却物体吸收热量实现制冷效应，然后开始下一个循环。此惯性管48的加入，使得制冷机制冷所需的压力波和质量流相位由惯性管48和气库49提供，取代了传统制冷机中用来调节压力波和质量流相位的冷端排出器。同时，本例选型的脉管在惯性管的基础上，在后冷却器42前端到惯性管主孔47前端增加旁通管路51作为第二进气。此时由于第二进气51 的存在，使得部分气体直接从压缩机41进入脉管热端47，从而旁通了部分原来经过回热器的气流。这股旁通的质量流用来压缩和膨胀脉管热端47的高温气体，减少了流经回热器43 的质量流，从而使得回热器损失也相应减少。这部分流经第二进气51的质量流在相位上和回热器压力降相同，即与流经回热器43在其长度方向上的平均质量流几乎保持同相。由交变流理论可知，质量流相位通常领先于压力波，所以流经第二进气51的质量流在相位上也会领先相应的压力波。这股从第二进气51引入的气流迫使脉管热端质量流相位滞后于压力波，从而在脉管热端获得满足最佳性能所需的相移量。惯性管和双向进气的结合就可以使回热器内质量流振幅平均值最小，因而回热器的热损失最小。回热器的冷端质量流滞后于压力波，而在回热器热端质量流超前于压力波。工作在高频工况下的惯性管正好能够利用工质的质量惯性为脉管制冷机提供这种相位关系。既可以提高回热器冷端单位质量流所对应的制冷量，又可以避免环路结构以及直流对制冷性能的影响。

Claims (10)

1.一种蒸汽压缩制冷系统驱动的脉管式制冷装置，其特征在于：所述发明装置分为三个模块，第一个模块为普通的蒸汽压缩式制冷系统，第二个模块为蒸汽压缩式制冷系统驱动的高低压声波转换发生装置，第三个模块为各种冷量与温度输出的脉管式制冷模块装置，其中第一个模块为常规的各种蒸汽压缩式制冷系统，功率大小不等，可以包括各种各样的制冷量和制冷温度输出；第二个模块蒸汽压缩式制冷系统驱动的高低压声波转换发生装置，对外输出各种功率和各种频率的高声压幅值声波；第三个脉管式制冷模块装置包括过渡和声压频率匹配的声波导管，以及脉管、热端换热器、回热器、冷端换热器、小孔、气库等脉管制冷装置。

2.根据权利要求1所述的普通蒸汽压缩制冷模块，其特征在于：所述普通蒸汽压缩制冷系统，取压缩机后，冷凝器前的高压气体作为高低压声波间隔转换发生模块的驱动压力，取蒸发器后，压缩机前的低压气体，作为高低压声波间隔转换发生模块的反向驱动压力，利用压缩机前后压差为动力源驱动声波发生模块。

3.根据权利要求1所述的高低压声波间隔转换发生模块，其特征在于：所述高低压声波间隔转换发生模块由两个气缸、连杆机构、4-10个控制管路开闭的通断装置以及一系列管路压力通道组成，主动气缸为制冷剂驱动气缸，从动气缸为脉冲管制冷系统的压力波发生器，用于采集一种常规制冷系统中的高低，压利用压力差驱动活塞连杆，继而带动从动气缸的活塞，完成压力的转换调整。

4.根据权利要求3所述的高低压声波间隔转换发生模块，其特征在于：所述的高低压声波间隔转换发生模块通过电磁阀控制管路的通断，实现高压低压交替充入主动气缸，主动气缸活塞往复运动的同时，带动从动气缸活塞的往复运动，并在从动缸创造交变的压力，并进行输出，两个气缸的缸径可变，活塞的直径大小亦可变，两个活塞由连杆机构固定在一起，活塞行程可变。

5.根据权利要求4所述的从动气缸，其特征在于：所述从动气缸可以是单作用气缸，也可以是双作用气缸，为单作用气缸时在气缸顶开一孔，而气缸底向周围环境开放，双作用气缸时在两侧气缸的顶部各开一通孔，通孔连接管道系统和管道通断装置，并将压力导入后续脉管制冷系统。

6.根据权利要求3所述的所述连杆机构，其特征在于：所述的连杆机构是直连式的连杆机构，直连式机构采用单根连杆，在连杆两端分别固定有从动缸和主动缸活塞，活塞与连杆之间可以采用焊接、套管等方式进行固定。

7.根据权利要求3所述的所述连杆机构，其特征在于：所述的连杆机构也可以是曲柄多连杆机构，曲柄连杆机构采取主动活塞和从动活塞之间用多根连杆及转向节连接的方式，在活塞头与连杆的连接处、连杆与连杆的连接处等均利用转向机构，可以采用万向节或者单轴、双轴、三轴转向节等进行铰接，并在需要换向的连杆的中间位置布置固定于固定结构件上的万向节进行连杆的换向。

8.根据权利要求1所述的脉管制冷系统，其特征在于：所述脉管制冷系统是利用高压气体在脉管空腔中的绝热放气膨胀过程获得制冷效应的，其由切换阀、回热器、负荷换热器、脉管、水冷却器、导流器等组件组成。

9.根据权利要求1所述的脉管制冷系统，其特征在于：所述脉管制冷系统还可以是带有惯性管及旁通管的双向进气脉管制冷机，在气库前加一脉冲管，并在后冷却器前端到惯性管主孔前端增加管路作为旁通管。

10.根据权利要求1所述的脉管制冷系统，其特征在于：所述高低压声波间隔转换发生模块的从动气缸可以连接单个脉管制冷模块装置，也可以连接多个脉管制冷模块装置，还可以连接阵列式脉管制冷模块装置，并通过多通道高低压切换阀，可以将来自从动缸的高压、低压按照一定的顺序分至阵列脉管的各个通道。