CN1288398C - 进气量可控低温制冷装置 - Google Patents

进气量可控低温制冷装置 Download PDF

Info

Publication number
CN1288398C
CN1288398C CN 200510049421 CN200510049421A CN1288398C CN 1288398 C CN1288398 C CN 1288398C CN 200510049421 CN200510049421 CN 200510049421 CN 200510049421 A CN200510049421 A CN 200510049421A CN 1288398 C CN1288398 C CN 1288398C
Authority
CN
China
Prior art keywords
valve
vascular
temperature
vessel
refrigeration
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
Application number
CN 200510049421
Other languages
English (en)
Other versions
CN1664472A (zh
Inventor
甘智华
郁焕礼
邱利民
刘华钊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN 200510049421 priority Critical patent/CN1288398C/zh
Publication of CN1664472A publication Critical patent/CN1664472A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1288398C publication Critical patent/CN1288398C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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
    • 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
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1408—Pulse-tube cycles with pulse tube having U-turn or L-turn type geometrical arrangements
    • 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
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1418—Pulse-tube cycles with valves in gas supply and return lines
    • 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
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1424—Pulse tubes with basic schematic including an orifice and a reservoir
    • F25B2309/14241—Pulse tubes with basic schematic including an orifice reservoir multiple inlet pulse tube

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种进气量可控低温制冷装置。它具有依次连接的压缩机、旁通阀、平面旋转阀、第一压力表、回热器、脉管、小孔阀、第二压力表、气库，在脉管的冷端设有加热片，在回热器和脉管上设有温度计，脉管热端与回热器的进气端之间连接有双向进气阀。本发明可以实现在恒定制冷量的情况下，很大范围的变化制冷温度，也可以起到对低温制冷中发生的直流有很好抑制作用，使制冷温度恒定。提高制冷性能，从而使其在低温测量和直流的抑制中可以得到很好的应用。本发明具原理简单、操作方便，调节控制方便、应用于低温测量时测量范围大、准确度高等优点。

Description

进气量可控低温制冷装置
技术领域
本发明涉及一种进气量可控低温制冷装置，通过控制制冷系统的进气量来抑制直流的发生和控制制冷机的制冷温度范围。
背景技术
在当今科学技术发展中，低温技术常常起着关键作用。小型低温制冷机作为低温技术的重要分支，在很多方面都起着很重要的作用。然而，低温制冷机中存在的可靠性差等制约着其在实际中的应用，而脉管制冷机的出现解决了这个问题，因为在其内部没有运动部件，可以实现长寿命运行。
脉管制冷机是采用高低压气体对脉管空腔的充放气过程而获得制冷效果的设备，其中脉管是高低压气体在其内部进行压缩膨胀的设备，回热器是储存上一级的制冷量并将其传递给下一次循环的冷量储存设备，其内部填充有丝网等高比热蓄冷材料。其制冷过程如下：
1.高压气体通过平面旋转阀流经回热器以层流形式从脉管冷端进入脉管，迅速挤压脉管内气体向热端移动，同时使之压缩，温度升高，在脉管热端温度达到最高值；
2.布置在脉管热端的散热器将热量带走，温度和压力降低；
3.平面旋转阀切换，使系统接通低压，脉管中的气体以层流形式渐次向气源扩张，气体膨胀降压温度降低。气体通过回热器，将冷量储存在回热器中；
4.平面旋转阀再次切换，气体通过回热器，吸收上一次的冷量，降低温度，并进入脉管压缩，重复上述循环，这样在脉管制冷机运行时在脉管中始终存在着一个温度梯度：冷端低，热端高。
大量试验和理论分析都已经验证通过控制双向进气阀门开度，可以调节脉管内部气流质量流波和压力波之间的相位差。从而改变脉管制冷机的性能，但是实验过程中经常发现在调节双向进气阀开度的过程中，冷端降温过程不稳定，即冷端温度先是很快下降。然后回升，稳定于某一个值，大多数是冷端温度产生不稳定的温度波动，在一个长的时间内不能够稳定下来，这就是由于直流现象引起的。虽然直流的绝对数值很小，但是对于制冷性能的影响很大，使得制冷性能变坏。现在已知有中科院的多路旁通可以改变脉管制冷机的性能，这已经得到了验证，但是由于它是将脉管和回热器相旁通。这两部分均处于真空中，调节不方便或者不能调节。另外还有浙江大学陈国邦教授的双小孔流程，也可以改变制冷性能。
另一个方面，在低温测量中，许多的测量不需要很高的制冷量，但是对于测量的温度范围要求比较大，测量温度的稳定性、精确性比较高，传统的低温制冷机对应于某一个温度有一定的制冷量，在制冷量一定的情况下，调节温度范围比较困难，而且在调解到某一温度下可能会产生直流现象，从而使制冷温度产生很大的波动，使测量精确性大大的降低，这对于低温测量是绝对不可以允许的，这也限制了低温制冷机在低温测量中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种进气量可控低温制冷装置。通过调节制冷装置的进气量，来控制它可以应用于低温测量和对于低温时出现的直流现象。
它具有压缩机，在压缩机的进气口与排气口之间并联依次设有旁通阀、平面旋转阀，平面旋转阀一个端口依次与第一压力表、回热器、脉管、小孔阀、第二压力表、气库相接，在脉管的冷端设有加热片，在回热器和脉管上设有温度计，脉管热端与回热器的进气端之间连接有双向进气阀。
本发明可以实现在恒定制冷量的情况下，很大范围的变化制冷温度，而且可以起到对直流的抑制作用，使制冷温度的稳定。从而使其在低温测量和直流的抑制中可以得到很好的应用。它具有原理简单、操作方便、实用性强，对于需要低温测量的行业有着很好的应用前景，同时，它对于制冷性能的提高也有很大的作用。
附图说明
图1是进气量可控低温制冷装置结构示意图；
图2是传统的没有经过旁通装置调节温度变化示意图；
图3是本发明设有旁通装置调节后的温度变化示意图；
图4是本发明旁通装置调节开度和温度的关系示意图。
具体实施方式
如图1所述，进气量可控低温制冷装置它具有压缩机1，在压缩机1的进气口与排气口之间并联依次设有旁通阀2、平面旋转阀3，平面旋转阀3一个端口依次与第一压力表4、回热器5、脉管8、小孔阀10、第二压力表11、气库12相接，在脉管8的冷端设有加热片7，在回热器5和脉管8上设有温度计6，脉管8热端与回热器5的进气端之间连接有双向进气阀9。
本发明压缩机1是用来提供给系统运行所需要的高低压力和系统所需制冷工质的装置。对于压缩机的要求没有限制，只要可以和系统相匹配即可。可以根据压缩机型号和应用场合等因素来确定。样品压缩机为：LEYBOLD COOLPAK4000。
旁通阀2为这个制冷机中的关键调节部件，它的作用是用来调节制冷系统的进气量，将高低压相连通，使高压气体部分不直接进入系统，而是分出进入低压管路。减少了高压进气的气量，从而控制了系统的进气量，来调节制冷性能。材料主要采用可以承受高压、韧性比较好的金属材料。在实验样品中采用了铜为主要材料。
平面旋转阀3是控制整个低温制冷系统的高低压切换的装置，使高低压工质气体以一定的时序进入系统，达到制冷效果。
脉管8是通过工质气体周期性压缩和膨胀来产生制冷量的装置；回热器5的作用是累积上一次循环所得的冷量，并传递给下一次循环流入气体而使脉管冷端温度逐步降低下去，本发明中采用的是自制的脉管和回热器，实际中可以根据应用场合等因素来选择它们的尺寸参数。
本发明各部件之间采用密封圈密封，使系统不发生泄漏。密封圈采用橡胶等柔韧性弹性比较大的非金属材料。本发明中密封圈采用了橡胶制成。螺栓、螺母(如果采用法兰连接)，起连接作用。其要求是不仅能够达到连接所需要的强度，同时，尽管采用导热系数较小的材料，可以使用不锈钢等强度大，导热系数相对较小的金属材料，也可以采用连接强度一般，而导热系数小的塑料等非金属材料。样品中，为了制作方便采用各种标准不锈钢螺栓螺母，垫片采用导热性能差的橡胶制成。
本发明通过调节旁通装置的开度，控制从压缩机中进入制冷机中的气体工质的质量流量，可以有效地抑制脉管制冷机中的直流现象的发生，并且可以在制冷量不变的情况，大幅度的调节制冷温度，为其在提高制冷机性能和低温测量的应用提供了可能，本发明可以有以下两个应用。
一、提高制冷机性能
脉管制冷机在调节阀门开度或者负荷变化的过程中，由于阀门开度的不同，使得制冷机系统在一个周期内，各横截面处正半周和负半周的气流质量流量不平衡从而产生了直流，这种直流不但不产生制冷效应，反而成为制冷机冷端的附加热流。当制冷温度稳定时，如果外界参数发生变化，脉管冷端的温度长时间波动，不能稳定下来，也就可以判断产生了直流，此时可以打开旁通阀门，使高压气体部分进入低压管路，随着低压气体排出系统，也就是高压管路中只有部分气体进入系统，从而变化了进入制冷机系统的进气量。来达到抑制直流的作用，减小或者消除脉管冷端的制冷温度的波动。多次的实验证明这种方法是有效的。图2，3是单级脉管制冷机的对比示意图。条件是：室温：14℃；进水温度：15.2℃；出水温度20℃；充气压力：1.355Mpa(表压)；传感器平均压力：P1＝P2＝1.35Mpa，P3＝1.36Mpa；频率：1.8Hz；加热丝功率：25.05W。从图2中我们可以看出冷头的温度在慢慢的上升，最后由于直流的逐渐增大，使冷头温度急剧上升。图3是同一条件下，我们调节旁通阀以后得到的稳定冷头温度，从图中可以看出来，温度虽然有一些提高，但是制冷温度可以长时间的稳定下来，从而在一定程度上改变了制冷性能。
二、扩大低温测量范围
本发明也可以增加测量低温下物体的温度范围，增加其测量的精确度。在相同的负荷变化情况下，通过调节旁通阀门开度的大小，可以大大的增加温度的变化范围，这对于那些要求温度范围变化大的测量系统是适用的。另外对于那些由于设备条件所限，例如：加热丝有电流的限制，但是仍需要测量的温度范围比较大的情况也是很合适的一种测量辅助设备。
试验条件：加热丝加热功率为30W，其余的条件与上述试验条件相同。从图4我们可以看出，当旁通阀门开度为0时，其制冷温度为45.93K，而将阀门开度开为两圈的时候，他的测量范围扩大到了101.68K，也就是说在温度测量时，加热丝功率为30W时，测量的温度上限是45.93K，而采用了旁通阀门来控制时，测量温度的范围可以扩大到了101.68K，同时，在30W时，消耗的压缩机功为3.746KW，而打开了旁通的时候，耗功减少了0.2KW，为3.52KW。

Claims (1)

1.一种进气量可控低温制冷装置，其特征在于它具有压缩机(1)，在压缩机(1)的进气口与排气口之间并联依次设有旁通阀(2)、平面旋转阀(3)，平面旋转阀(3)一个端口依次与第一压力表(4)、回热器(5)、脉管(8)、小孔阀(10)、第二压力表(11)、气库(12)相接，在脉管(8)的冷端设有加热片(7)，在回热器(5)和脉管(8)上设有温度计(6)，脉管(8)热端与回热器(5)的进气端之间连接有双向进气阀(9)。
CN 200510049421 2005-03-22 2005-03-22 进气量可控低温制冷装置 Expired - Fee Related CN1288398C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200510049421 CN1288398C (zh) 2005-03-22 2005-03-22 进气量可控低温制冷装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200510049421 CN1288398C (zh) 2005-03-22 2005-03-22 进气量可控低温制冷装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1664472A CN1664472A (zh) 2005-09-07
CN1288398C true CN1288398C (zh) 2006-12-06

Family

ID=35035677

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 200510049421 Expired - Fee Related CN1288398C (zh) 2005-03-22 2005-03-22 进气量可控低温制冷装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN1288398C (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5165645B2 (ja) * 2009-07-03 2013-03-21 住友重機械工業株式会社 ダブルインレット型パルスチューブ冷凍機
CN101852507A (zh) * 2010-05-25 2010-10-06 浙江大学 一种低温制冷机用压缩机的主动式配气系统及其方法
CN105783319B (zh) * 2016-01-08 2018-01-02 浙江大学 回热式制冷机预冷的低温j‑t节流制冷机
CN105509375B (zh) * 2016-01-08 2017-10-24 浙江大学 采用阻隔流动的声功传输部件的回热器及脉管制冷机
CN105509361B (zh) * 2016-01-08 2017-10-24 浙江大学 带有阻隔流动的声功传输部件的多级回热式制冷机

Also Published As

Publication number Publication date
CN1664472A (zh) 2005-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhu et al. Comprehensive experimental study on a transcritical CO2 ejector-expansion refrigeration system
He et al. Comparative study on the series, parallel and cascade cycles of a multi-mode room temperature magnetic refrigeration system
CN102635990B (zh) 制冷量控制装置，使用该装置的试验设备及控制方法
Zheng et al. Experimental investigation on a transcritical CO2 ejector expansion refrigeration system with two-stage evaporation
Kim et al. Experimental investigation of two-stage active magnetic regenerative refrigerator operating between 77 K and 20 K
Trevizoli et al. Experimental assessment of the thermal–hydraulic performance of packed-sphere oscillating-flow regenerators using water
Zhao et al. Design criteria of different heat exchangers for the optimal thermodynamic performance of regenerative refrigeration systems
Tagliafico et al. A dynamic 1-D model for a reciprocating active magnetic regenerator; influence of the main working parameters
CN1288398C (zh) 进气量可控低温制冷装置
Panda et al. Influence of characteristics of flow control valves on the cooling performance of a GM cryocooler
US20130291566A1 (en) Pulse Tube Refrigerator with an Automatic Gas Flow and Phase Regulating Device
CN2804728Y (zh) 进气量可控低温制冷装置
CN106438515B (zh) 作动筒类低温性能试验台液压系统
CN108426384B (zh) 实现冷量分配的两级热耦合型高频脉管制冷机的设计方法
Zhang et al. Numerical investigation and experimental development on VM-PT cryocooler operating below 4 K
El Achkar et al. Experimental study on refrigeration performance optimisation of reciprocating room temperature magnetic refrigerator
Zhu et al. 4 K pulse tube refrigerator and excess cooling power
Hoffmann et al. Static and dynamic modeling and identification of a magnetic refrigerator
Wei et al. The effect of the aftercooler on the regenerator temperature non-uniformity in a high-capacity pulse tube cryocooler
Tian et al. Instability of automotive air conditioning system with a variable displacement compressor. Part 1. Experimental investigation
Tagliafico et al. Dynamic 1D model of an active magnetic regenerator: a parametric investigation
Bocanegra et al. The role of external heat exchangers in the performance of active magnetic refrigerator
CN206503788U (zh) 活塞式蓄能器低温性能试验冷却循环系统
Biswas et al. Experimental and numerical investigation on performance of a double inlet type cryogenic pulse tube refrigerator
Satoh et al. Cooling performance of a small GM cryocooler with a new ceramic magnetic regenerator material

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20061206

Termination date: 20110322