CN1095466A - 脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

本脉管制冷机的特征在于在一般脉管的热端接 入一个高压气库和一个低压气库，并在高、低压气库 与脉管之间接有控制阀。当压力比较高时，还可再增 设若干不同压力等级的中压气库。上述气库也可用 一根细管代替，细管两头都通入脉管热端，管的两头 各装一单向阀，使管内气体只能沿一个方向流动。由 于进、排气过程是等压的，脉管内高压气体是可逆绝 热膨胀到低压气体，因而制冷系数高，制冷效率接近 100％。该机适合作为膨胀机使用。

Description

本发明涉及气体制冷机，特别是一种脉管制冷机。

目前的小孔脉管制冷机包括高压进气阀、低压排气阀、回热器、冷却器、冷量换热器和层流化元件等，并在脉管尾部设有小孔和气库系统。由于小孔的节流作用，将高压气体的膨胀功耗散成热放入环境，从而使脉管具有制冷效果。如果脉管热端没有这种不可逆损失存在，脉管也就不制冷了。但脉管制冷机中单位质量气体的毛制冷量很低，从而导致理论效率很低。造成这一状况的原因是，在高压进气阀打开时有一个不等压充气过程，这是一个不可逆过程。在低压排气阀打开时有一个不等压排气过程，也是一个不可逆过程，必然造成很大的不可逆损失。这两个过程使得脉管制冷机的理论制冷效率很低，而完善循环的理论制冷效率是100%。脉管在小制冷量场合应用时，这个缺点尚不明显。但在需要大制冷量的场合，这个缺点就十分突出了。

本发明的目的是要避免现有脉管制冷机高、低压阀进排气时的不可逆损失，实现等熵膨胀、获得最大的温降和单位制冷量，从而提高脉管制冷机的理论制冷效率。

本发明的解决方案是：在现有脉管的热端接入一个高压气库和一个低压气库，在高、低压气库与脉管之间接有阀门。

当脉管的压比较高时，需在高、低压气库之间再增设若干不同压力等级的中压气库，中压气库与脉管热端间也接有阀门。

以下结合附图详细描述本发明的实施例。

图1是高、低压气库脉管制冷机一种具体结构的纵剖面图。

图2是高、中、低压气库脉管制冷机的纵剖面图。

图3是高、低压气库制冷机工作过程中脉管内气体分布示意图。

图4是用细管代替气库的结构图。

参见图1，脉管7的冷端71有端盖4、层流化元件5以及高压进气阀1和低压排气阀2，进、排气管21、22通过一个总管3通入脉管冷端71。进、排气一般可通过转阀实现切换。但为了便于说明工作过程，进、排气管上的阀门1、2采用分置式。脉管热端72有端盖9和层流化元件8。图中，在脉管热端设有一个高压气库12和一个低压气库13，在高压气库12与脉管热端的连接管11上装有高压气库阀10;在低压气库13与脉管热端的连接管14上装有低压气库阀15。这里的高、低压气库阀10、15为分置式，也可用一个转阀代替。图中高、低压气库与高、低压气源的压力基本相同。

具有高、低压气库的脉管制冷机工作过程如下：①进、排气阀1、2关闭，低压气库阀15也关闭，此时脉管内为低压气源压力。将高压气库阀10打开，气体从高压气库12流入脉管7热端72，使脉管内气体压力升至接近于高压气库的压力，这是因为气库体积较脉管大得多的缘故。这一过程结束后的气体分布如图3-1所示。②打开进气阀1，其它阀状态不变，高压气体经进气阀1流入脉管7冷端，因高压气源的压力略高于高压气库，将刚刚从高压气库12流入脉管热端的气体又压回高压气库内，这一过程基本上为等压进气过程，气体分布如图3-2。③高压气库阀10关闭，进气阀1关闭，排气阀2仍保持关闭，低压气库阀15打开，脉管热端的气体流入低压气库13，脉管7内压力降至低压气库13的压力。在过程②中进入脉管冷端的气体等熵膨胀到低压气库的压力，温度降低，气体分布如图3-3。④低压排气阀2打开，其它阀状态不变，低压气库13内气体流入脉管热端，将过程③中膨胀后的气体经排气阀2驱赶出脉管7，排入低压气源，气体分布如图3-4。至此完成一个循环，重新回到初始状态。脉管周期性工作，高压气体也就不断地膨胀到低压。如不计气体在脉管内的传热、混合和流动损失，高压气库内的压力即为高压气源进气压力，低压气库内的压力即为低压气源排气压力。上述脉管进、排气的全部过程是等熵过程，故制冷效率为等熵效率。制冷气体所做的膨胀功，靠不可逆的气库向脉管放气和脉管向气库放气将功变成热放入环境。图1中连接管11、14及其上的阀门起到冷却器的作用。图中高、低压气库阀门10、15可以采用分置式，也可合为一体，用二位三通阀代替。阀门的类型可以是电动阀、电磁阀、气动阀或转阀等。

如图3所示，脉管内气团可分为高压气源进气气团Ⅰ，脉管内充当气体活塞的气团Ⅱ，低压气库进气气团Ⅲ和高压气库进气气团Ⅳ，它们依次从左到右排列，根据工作过程可流出或流入脉管。过程的初始状见图3-4，脉管内有气团Ⅱ、Ⅲ，在过程①后，气团Ⅳ流入脉管，脉管内压力升到Ph。在过程②后，高压气源流入的气源流入的气团Ⅰ将气团Ⅳ挤出脉管，脉管内压力仍为Ph。在过程③中，低压气库进气团Ⅲ流回低压气库，脉管内压力为P1，在过程④中，高压气源进气团Ⅰ被挤出脉管，一个工作周期完成。

当脉管进排气压比过高时，图3的过程①中气团Ⅳ的长度就要大大加长，过程②中从高压气源来的高压气团Ⅰ的体积也大大加长，在过程③后，将会有一部分膨胀后的高压气体Ⅰ流入低压气库，而低压气库在室温端，这样，工作过程就失效了。为此，需设置一个或数个不同压力的中压气库，以解决这一困难。图2是具有高、中、低压气库脉管制冷机的剖面图。图中在原有高、低压气库之间再接入一个中压气库18，其压力介于高、低压气库之间，它与脉管7热端间有连接管17、阀门16。该机工作过程如下：①进气阀1、排气阀2、低压气库阀15，高压气库阀10均关闭，中压气库阀16打开，气体从中压气库经中压阀16流入脉管7热端，脉管内压力升至中压气库压力。②中压气库阀16关闭，高压气库阀10打开，其它阀状态不变，这时高压气库12内气体经高压气库阀10流入脉管热端，脉管内压力升至高压气库压力。③进气阀1打开，其它阀状态不变，高压气源气体经进气阀1进入脉管冷端，过程②中从高压气库流入脉管的气体又经阀10返回高压气库。④进气阀1、高压气库阀10关闭，中压气库阀16打开，其它阀状态不变，在过程①中从中压气库流入脉管的气体又经阀16流回中压气库18中，脉管压力降至中压气库压力，在过程③中从高压气源流入脉管冷端的气体膨胀到中压气库压力，温度降低。⑤中压气库阀16关闭，低压气库阀15打开，其它阀状态不变，脉管热端气体流入低压气库13，脉管内压力降至低压气库压力。这样，在过程③中从高压气源流入脉管冷端的气体进一步膨胀至低压气库压力，温度进一步降低。⑥排气阀2打开，其它阀状态不变，气体从低压气库13经低压气库阀15流入脉管热端，将过程③中从高压气源流入脉管冷端的气体从排气阀2驱出脉管，回到初始状态。脉管制冷机如此周期性循环，高压气源的气体就不断地被膨胀到排气压力。如果不计流动阻力、传热和气体在脉管内的混合，全部过程是等熵过程，该过程的气体分布图与前例原理相同，故省略。

上面以高、中、低压气库为例说明了多级气库脉管制冷机的工作过程。当压比很高时，还可根据需要在高低压气库之间接入多种不同压力的气库，其原理都相同，均属本发明的保护范围。

控制各气库的阀门，可以如图中采用分置式，但最好采用多位多通的电动转阀，一阀可同时控制多支管道，起到与多个阀相同的作用，这样更便于控制，结构也更简单。

如图4，上述各气库12、13和18及连接管也可分别用一根较长的细管40、41和42代替，将细管的两头都通入脉管热端，管的两端各装一个单向阀46、47，使管内的气体只能沿一个方向流动。这样细管既可起到气库作用，也可起到冷却作用。

高、低压气库与普通脉管制冷机相比，由于进、排气过程是等压的，没有不可逆损失，脉管内的高压气体是可逆绝热膨胀到低压气体，因而制冷系数高，制冷效率接近100%。该机适合作为膨胀机使用，具有结构简单，造价低，易于推广的优点。

Claims (3)

1、一种脉管制冷机，包括脉管(7)、层流化元件(5、8)、高压进气阀(1)和低压排气阀(2)，其特征在于在所说脉管(7)的热端接入一个高压气库(12)和一个低压气库(13)，在高、低压气库与脉管之间接有阀门(10)、(15)。

2、如权利要求1所述的制冷机，其特征在于所说的高低压气库（12）、（13）之间再增设若干不同压力等级的中压气库（18），中压气库与脉管（7）热端间也接有阀门（16）。

3、如权利要求1或2所述的制冷机，其特征在于所说的高、中低压气库（12）、（13）和（18）用一根较长的细管（40）、（41）和（42）代替，细管的两头都通入脉管热端，管的两头各装一个单向阀（46）、（47），使管内的气体只能沿一个方向流动。

Images