CN1460169A - 具有流动调节功能的气体波制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明为具有流动调节功能的气体波制冷装置。它由可调节喷嘴、可调节共振腔(它联接可调节喷嘴)、共振管束(它的开口端连接到可调节共振腔)、热隔离接头，涡稳流器(它在共振管束出口的位置横跨共振腔)、波阻尼器(它被连接到共振管束的另一端)、冷却器(包容共振管束的管体)等部件组成。本装置的功能特点是：通过控制共振气体柱在变工况流动条件下所产生的波相互作用现象，达到最有效的制冷效果。因此，对于具有流动条件变化和工况控制要求的工业系统，本装置具有相当强的针对性和适应性。

Description

具有流动调节功能的气体波制冷装置

技术领域

本发明是一种具有流动调节功能的气体波制冷装置，它由流动调节装置、波导阻装置和冷却器组成。这些元件能够有效地调节气体波系的运动，从而使本装置产生有效的制冷功能。

背景技术

众所周知，气体膨胀制冷过程在各种工业过程中被广泛地应用，如气体分离与液化、石油精炼工业过程等。而小型气体膨胀制冷器在高科技领域的应用在近十几年问也得到了迅速的发展，其原因在于特殊的应用场合对气体膨胀制冷器的寿命要求越来越高。所有的气体膨胀制冷过程都是依靠压力降差来驱动的，现有气体膨胀制冷装置的基本特点是在压力降落过程中，使用机械运动部件，如活塞、叶轮或其他机械位移装置，将能量转换成另一种形式排出系统，从而获得温度降落效应。

一般来说，机械式气体膨胀制冷装置依循它们的机械结构尺寸，操作条件和所采用的热力循环系统而变化。通常根据他们的制冷能力和操作范围进行分类。例如，透平和活塞式膨胀机常适用于石油工业中大制冷负荷的应用；而像G-M制冷器、斯特林制冷器、脉管制冷器、吸收制冷器等则多适合于作为红外探测器、红外夜视及导弹制导等装置的低温冷源，通常它们操作于不同的工作环境并且只需要很小的制冷负荷。

目前，几乎所有的气体制冷装置都具备一个共同的特点，即依赖于运动的机械部件来吸收被冷却工质的压力能，达到制冷的效果。在这些气体制冷装置中，机械部件的使用，大大改进了熟力循环的效率，并增加了制冷效果。但是，由于机械运动部件的引入，导致了操作条件的限制，维护费用的增加和运行可靠性的降低。因此，在过去的几十年里，许多努力都集中于研发新的气体膨胀制冷装置，以克服传统设备中由于机械部件运动而产生的缺陷。

气体膨胀制冷技术还面临着一个的新的挑战，即许多高技术工业，如核磁共振系统、超导元件系统、高能量设备等工业的发展，要求气体膨胀制冷装置能够在极高压力和极低温度的环境下正常操作并具有很高的运行可靠性，这便要求研发适应操作条件变化的新型膨胀制冷装置，而传统的装置或是工作，或是运行效率极低。为了取代传统装置，并满足结构简单，投资与运行维护费用低廉等要求，目前，许多相关专利在改进操作效率方面做了大量的研究，例如美国专利：2,765,045；2,825,204；3,200,607；3,314,244；3,541,801；3,526,099；3,559,373；3,653,225；3,828,574；3,889,484；3,904,514；4,383,423；4,444,019；4,504,285；4,531,371；4,625,517；4,722,001；

然而，这些发明并没有能够完全满足上述要求，都具有一定的局限性。其原因在于这些发明在结构上皆不同程度地引入了机械运动部件，故而降低了运行可靠性。在许多工业应用过程中，为避免机械运动部件所造成的运行可靠性下降，通常采用节流阀产生节流制冷效应以降低温度。节流阀是一种等焓操作的元件，在压力降低的过程中，尽管它产生的制冷效率并不高并造成相当大的压力能浪费，但由于它具备结构简单，几乎不需要维护，流动调节方便等优点，因而在气体膨胀制冷和压力调节过程中得到了广泛的应用。

很显然，节流阀的广泛应用是因为没有一种传统的压力膨胀装置可以在高压和两相工质的条件下进行工况调节并产生制冷效应。因此，一种没有运动部件，但却具有节流阀的流动调节功能和高制冷效应的新型气体膨胀装置，将向传统的气体膨胀装置挑战，为工业界带来新的效益。

利用气体在周期性流动中的非定常现象来实现制冷效应的装置在下列美国专利中已经报导：3,541,801；3,653,225；3,828,574；4,625,517；4,722,001特别是在美国专利5,412,950中。

但即便在上述发明中，仍然没有一种装置和方法能够同时满足以下的要求，即能够有效地操作而不使用任何机械运动部件；具有简单的结构和极高的运行可靠性；易於实现流动调节；能够操作于各种变工况的操作环境：维护简便，费用低廉。他们或由于运行效率，或由于运行可靠性，或由于流动可调节性，或由于结构简单等，限制了在工业中的广泛应用。虽然其中有几种装置应用了气体波动过程来产生制冷效应，但在不使用复杂的结构和机械运动部件，并具有像普通阀门一样的调节与控制功能的前提下，这些装置仍然不能提供足够的制冷能力或满足其他操作要求。

此外，已有的气体膨胀制冷装置很难具备强大的制冷能力并可以满足工业系统中变流量和高压比的操作要求。由此看来，已有的气体制冷膨胀装置，包括上述诸种发明，它们所遭遇的困难、产生的缺陷，加之工业系统中各种变化的操作条件要求，是本发明致力克服或满足的目标，构成了本发明的技术创新内容。与现有的各种气体膨胀装置和已发明的气体波制冷装置相比，本发明是一种新型的共振气体波制冷装置，能够运作于变流动工作状态。本发明的装置克服了美国专利5412950装置中的工作限制和操作缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要适合高压气流状态下的变工况操作条件，针对压力和流量的变化经常造成气体波制冷装置效率降低或制冷性能丧失的情况，提供一种具有流动调节功能的气体波制冷装置和在变工况操作条件下控制气体波系统的方法，使得本发明装置能够在改变压力和流量的条件下，最小限度地影响内部气体波系的行为。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是该具有流动调节功能的气体波制冷装置及其所产生的制冷方法：

a.这种具有流动调节功能的气体波制冷装置由可调节喷嘴、可调节共振腔(它联接可调节喷嘴)、共振管束(它的开口端连接到可调节共振腔)、热隔离接头，涡稳流器(它在共振管束出口的位置横跨共振腔)、波阻尼器(它被连接到共振管束的另一端)、冷却器(包容共振管束的管体)等部件组成。

b.在变工况条件下的共振制冷方法。它利用共振管束驱动可调节喷嘴和在可调节共振腔内的周期性射流振荡，在变工况条件下维持一种压力反馈系统。由涡稳流器、共振管与共振腔的匹配，在共振管内诱发特定的气体柱共振频率。通过这种可调节喷嘴和可调节共振腔产生的射流振荡与共振管气体柱共振频率耦合，产生共振制冷效应。

同时，本发明装置还可以依照工业系统的操作要求发挥主动调节流动状态的功能。本发明装置还特别适合具有压力降差制冷过程的调节要求，或对上游产生的意外工况变化进行被动的调节响应。

最为重要的，本发明克服了美国专利5412950发明中在变工况操作时不能够有效制冷的缺陷。该缺陷是工况变化引起气体波系统在振荡腔失效所致。与其他发明相比，本发明提供了一种新型的、可满足石化工业和天燃气生产中降温要求的装置，具备以下功能：

1.代替传统的节流阀而获得有效的制冷效应。

2.在通过传统节流点的压力状态发生变化时，能够进行工况调节以适应下游操作条件的要求。

3.当上游的工况发生变化，能够进行响应，并且获得最大的制冷效应。

简而言之，本发明是为满足下列目的而产生的：

1.提供一种新型的气体膨胀制冷装置，能够应用于传统气体膨胀装置在工况发生变化时失效或低效率操作的埸合。

2.提供一种新型的气体膨胀制冷装置，具有压力调节和压力能回收功能，可以有效地应用在工业气体膨胀系统。

3.提供一种新型的波制冷装置，可以在变工况条件下有效地工作，并通过调节气波系统状态获得最大的制冷效果。

4.提供一种能在极高压力差降落的工况条件下，通过多级串联方式获得有效操作的压力波制冷装置。该设备能够调节每级设备的流动状态，以达到最大限度地回收压力能的目地，并获得最佳的制冷效果。同时，这个过程的完成不使用任何运动的机械部件。

在本发明的气体波制冷装置中，使用了一种在变工况操作条件下，控制装置内气体波系行为的方法，以达到有效制冷的目地。这个过程是通过可调节喷嘴在振荡腔内的运动来实现的。本发明装置主要由流动缓冲腔、稳流腔、共振管束、热隔离件、波阻尼器和冷却器等元件组成。

可调节喷嘴能够通过改变它的流通截面来适应流动的变化。可调节的振荡腔含有一个可调节装置，当喷嘴的出口通过流截面发生变化时，可以维持稳定的射流振荡。稳流腔用来减少共振管束在各自的出口处的混合。共振管束用来调节振荡腔内的射流振荡效应，并且利用共振波的相互作用，将入射气流的动能转换成制冷的热效应。热隔离件用来连接共振管束和振荡腔，作为减小热传导回流从共振管束返回振荡腔内的波阻器，用于调制周期骓波的振幅，并减小波系对共振管入口处的影响和加热。冷却器用于强化共振管表面的传热效果。

简而言之，本发明装置是针对在变工况操作下产生最好的制冷效应这一目的而设计的。变工况操作通常发生在气体波制冷装置由于意外的原因而被迫要求在非设计工况下操作。在美国专利5,412,950装置的试验中，观察到以下的现象，即在工作条件发生变化时，造成振荡腔内高速射流持续的不稳定振荡，从而导致气体波制冷装置制冷性能严重下降。

实际上，在气体波制冷装置的操作中，高压气流首先通过喷嘴将自身携带的压力能转换成为动能。当射流进入共振腔以后，射流本身的结构和稳定状态将由许多内在的因素控制，其中包括剪切层分离区域的长度，卷吸区域的长度，和剪切层在下游的扩散程度。这些参数决定了射流在共振腔内的偏转行为。随着射流的偏转并与安放在下流不稳定区域的共振管束发生碰撞，导致一种压力波以高速射击流向上游传播的反馈模式。而这种压力波反馈现象将迫使射击流在共振腔内产生横向的运动，并且持续地扫过共振管束的入口，反过来又又造成了这种压力波反馈现象的持续。当气体波制冷装置在稳定状态下操作时，上述的压力波反馈过程完全依赖于下列关键参数，即共振管束入口的截面，射击流的干扰距离，共振腔的结构和稳流器的形状。这些参数的组合控制着共振腔内射流的周期运动及其在共振管束内产生的制冷效应。

通常，气体波制冷装置的稳定操作状态是按照系统的操作条件而设计的。在这种设计状态，气体波制冷装置能够达到所要求的设计制冷效果。而在工业系统中，由于生产负荷和其他因素的变化，偶尔会造成上游压力的波动。这种压力的波动往往会影响气体波制冷装置的操作，使其偏离其设计工作点，并导致制冷性能的下降。这种过程的产生主要是由于上游压力的波动影响到共振腔内的射击流结构所导致的。当这种情况发生时，变工况下的高速射流结构在共振腔内的重组通常会减弱和破坏已形成的共振反馈结构，一旦这种破坏形成，气体波制冷装置的效率将明显下降，因为由共振管束所提供的能量转换过程不再存在。为了维护气体波制冷装置的正常操作，在本发明中，气体波制冷装置采用了可调喷嘴和共振腔结构，这种结构的使用可使装置在工况变化时仍保持稳定的操作。通过可调节喷嘴和共振腔沿垂直于射流方向的移动，使气体波制冷装置在变工况条件下，仍保持原有的射击流结构，从而补偿和抵消工况变化对共振腔内射流的影响。另外，这种同时调节喷嘴和共振腔的方法，有助于恢复射流和共振腔相互作用的模式，达到稳定气体波制冷装置操作性能的目地。另外，波阻尼器和冷却器的使用有助于减缓射流对工况改变的敏感性，有利于维护其自持振荡过程。

附图说明

通过给出的结构图，可以对本发明具有流动调节功能的气体波制冷装置的主要特点有更加清楚的了解。

图1.本发明具有流动调节功能的气体波制冷装置的侧剖视图；

图2.本发明具有流动调节功能的气体波制冷装置的底部剖视图；

图3.本发明具有流动调节功能的气体波制冷装置的顶部全视图；

图4.本发明具有流动调节功能的气体波制冷装置的立体视图。

具体实施方式

图1全面地展示了本发明具有流动调节功能的气体波制冷装置的主要结构特点，本发明具有流动调节功能的气体波制冷装置主要由上盖板(1)、进气导管(2)、缓冲腔(3)、下盖板(4)、喷嘴(5)[具有收缩或缩放形流道，与流动缓冲腔(3)相连]、涡稳流器(6)、排气导管(7)、振荡腔(8)[它一端与喷嘴(5)相连，而另一端与共振管束相连]、流动调节器(9)、中央操作板(10)、热隔离接头(11)[安装在中央操作板和共振管束(14)之间]、波阻尼器(12)[联在共振管束(14)的另一端]、冷却器(13)[包容所有共振管束(14)的外表面]、共振管束(14)、调节杆(15)[与流动调节器(9)相连]、螺纹轴座(16)[当调节杆(15)转动时，支撑调节杆的上下转动]、调节保持坐(17)、密封体(18)、衬套(19)，手轮(20)，固定螺杆(21)。

参阅图2和图3可见，上盖板(1)和下盖板(4)将中央操作板(10)夹在中间，并通固定螺件将其固定在一起形成气体波制冷装置的机体。中央操作板(10)内，含有缓冲腔(3)、喷嘴(5)、和可调节振荡腔(8)，中央操作板(10)直接通过热隔离接头(11)与共振管束(10)的一端相连，这样形成共振管束扇形分布的形状。进气导管(2)连接在中央操作板(10)的一端，引导高压气流进入缓冲腔(3)，流动调节器(9)从垂直于射流的方向装入共振腔(8)，它能够依照流动调节的要求逐渐地进入共振腔(8)。流动调节器(9)的上表面与流动调节杆(15)相连，转动流动调节杆(15)能够造成流动调节器(9)的上下运动。流动调节杆(15)通过螺纹轴座(16)、密封体(18)和衬套(19)，最终与手轮(20)相连，排气导管(7)通过下盖板(4)形成出流通道。出流通管又与中央操作板(10)上的涡稳流器(6)相通，共振管束(14)的开口端通过热隔离接头(11)与中央操作板(10)相连，而共振管束(14)的另一端接入波阻器(12)，形成扩大空间。共振管束(14)通过冷却器形成的辐射开头进出口安装在冷却器(13)的侧壁，分别让冷却流体进入或离开冷却器，将共振管束(14)的热量带走。衬套(19)通过螺纹与调节保持座(17)相连，压紧密封体(18)，密封住调节柱(15)的外表面，将内部的工作气流与环境隔离开。再参考图1，当高压的气体进入本发明气体波制冷装置时，它首先通过进气导管(2)进入缓冲腔(3)。在缓冲腔(3)内，从进口导管(2)带入的涡流和涡将被抑制，并且流动静压得以恢复。由于进气导管(2)和喷嘴(5)的出口处于同一轴线，这样将减小射流动因改变方向而造成的撞击损失。并且有利于流动总压的恢复。当带压力的气体从喷嘴(5)流出时，其所挟带的压力能被转换成动能，并在振荡腔(8)内形成稳定的高速射流结构。原理上，当高速射流进入振荡腔(8)后，由于流动截面的增大，伴随着剪切层形成流动分离。高速射流的进一步发展完全由共振腔(8)的下游边界条件决定。在本发明中，则由共振腔(8)的侧壁形状、喷嘴(5)的出口到下游共振管束(14)的距离以及共振管束(14)的长度来决定，而共振腔(8)的几何形状将严重地影响射流的稳定性。

因此，为了激发高速射流的不稳定性，在共振腔(8)内形成周期性的自持振荡，这些参数应当根据选定的操作条件而决定。为了在振荡腔(8)内产生不稳定射流，共振腔(8)的偏转壁面起到了关键的作用。它能够造成射流向某一侧壁的偏转。当高速射流产生偏转效应时，在共振腔(8)内便形成了中性不稳定状态。由于射流的运动很容易由下游的扰动而被引起，所以当下游不存在扰动边界和扰动流时，高速射流将维持所产生的稳定附壁效应。而装在共振腔(8)下游的共振管束(14)能够产生不稳定的下游压力扰动，引起附壁射流的不稳定性。

在本发明的气体波制冷装置中，当射流的附壁效应产生时，它将同时与处在下游的共振管束(14)相互作用，由于瞬态的质量聚集，这种相互作用将产生很强的压力波，同时向上、下游两个方向传播。上行的压力波，称为反馈压力波(即wD)，它将影响射流的偏转行为；而下行的压力波称为(”WD)入射压力波，它将引起在共振管束(14)内气体柱的共振效应。在反馈压力波的作用下，射流稳定的偏转效应将被改变，变得不稳定。这种射流状态的调节过程是由反馈压力波改变了喷嘴出口处射流剪切层敏感区域的状态所造成的，随着射流扫过每一个共振管束(14)的出口，最终导致了射流在共振腔内的运动。

这一过程随着偏转射流从共振腔的一侧壁面向另一侧壁面的运动中重复进行。基于这种入射压力波的反馈机理和与共振管束(14)相互作用的结构，本发明中的高速射流自持振荡过程被实现。这个过程和相应的机理构成了本发明装置操作的基础。

随着自持射流振荡的产生，在共振管束(14)的开口处将获得制冷效应。这是由于射流与共振管束相互作用，产生了入射压力波。入射压力波又将入射的能量以波的形式从入射的气体移出。随着入射压力波在入口处向共振管束(14)的另一端运动，入射气体内的能量将减少，产生制冷效应。事实上，当射流离开共振管束(14)的开口端时，入射气体将从共振管束(14)的入口处倒流进入涡稳流器(6)，此时它的温度将被降低。同时也产生入射的膨胀波。

值得注意的是，由于入射气体和原来在共振管束(14)内滞留的气体具有不同的能量，因而在共振管束(14)的入口附近区域，由于入射气体的进入将形成分离区。入射气体将随着每次射流与共振管束(14)入口的相互作用而更换。而滞留在管内的气体，则以入射波的形式吸收由入射气体带入的能量。由于非线性的影响，入射波的前沿将变陡，最终在它到达共振管束的另一端之前转变为入射激波。借助入射激波的耗散作用，其携带的大部分能量将被耗散在管内的滞留气体中，从而导致滞留气体的温度显著上升。

正常情况下，本发明的气体波制冷装置在设计工况下的操作性能依赖入射波系的特性，入射波系如同一个输运系统，连续地将入射波的压力能输送到环境。这一输运过程由共振腔(8)内高速射流的自持振荡与共振管束(14)的耦合状态来决定，通常依赖于所选定工作状态。不幸的是，有几个关键的因素严重地影响着射流的结构：它们是剪切层的厚度、中心势流核的长度、激波核的位置和卷吸率等。这些因素都对操作条件特别地敏感。由于气体波制冷装置的几何结构决定了波系间的相互作用，因而流动工况的改变将敏感地影响气体波制冷装置的性能。

设想在操作条件高于设计工况时，对气体波制冷装置的直接影响是改变喷嘴(5)出口处的流动状态。首先，改变喷嘴(5)出口处的速度将直接影响射流结构。射流自持振荡过程将因此变弱或变得不稳定，这主要是由于自持振荡射流与共振管的匹配条件因喷嘴(5)状态的改变而被破坏。很明显，这种导致振荡过程无序化的变化将直接影响气体波制冷装置的制冷性能。在美国专利5,412,950装置的试验中发现，随着压力偏离设计工况，制冷性能会出现下降。因此，调节共振腔(8)的结构去匹配共振条件，对于在变工况时保证气体波制冷装置的操作是十分重要的。但由于装置寸尺的限制、内部泄漏和结构的复杂程度增加等困难，使得随流动状态的改变而调节共振腔(8)的结构变得非常的困难。

为了确保气体波制冷装置在变工况时的制冷性能，本发明提供了一种简单的方法，在变工况的条件下能够同时调节喷嘴(5)和共振腔(8)，以达到最佳的制冷效应。图1清楚地展示了本发明装置的结构特点。在本发明装置中，共振腔(8)内的射流结构具有二维特性，并且仅由喷嘴(5)处的出口速度来决定。本发明装置在变工况操作时，采用在垂直射流方向上改变共振腔流动空间的方式，来改变其关键的射流结构。运用这种方法，将使得由工况变化而进行的几何参数调节对射流结构的影响降到最小。事实上这种在垂直共振腔流动空间隔的调节方法，在变工况时将产生与设计工况相同的射流结构。这个调节过程将由下列步骤来完成：当操作偏离设计工况时，例如流量减小，则喷嘴(5)处的速度将马上减小。由于在喷嘴(5)出口处的速度减小而导致了射流强度的减小，便减弱了射流与共振管束(14)之间的相互作用。为了对流量的减小作出响应。在共振腔(8)内的流动调节件(9)将随着手动旋转调节杆(15)而下行。流动调节件(9)的左侧壁将随着流动调节件(9)逐步滑入共振腔(8)封闭喷嘴(5)的出口。此时，射流出口的截面减小，导致射流速度的增加，从而返回了原设计点。同时共振腔(8)的空间也随着流动调节件(9)的插入而发生改变，减小了与喷嘴(5)截面的匹配。由于喷嘴和共振腔的空间能够随着谢流量的减小而得到调整，便保证了射流在设计工况点的结构，使射流自持振荡的结构和气体波制冷装置在流量变小时，其性能不会受到影响。而在流量增大时，反向操作流动调节件(9)，将获得同样的效果。因为处在中间操作板(10)内的共振腔(8)，其几何形状垂直于射流的方向与流动调节件(9)的运动方向一致，除了在共振腔(8)上下表面的边界层效应之外，还可以保证气体波制冷装置在一定的工况变化范围内的操作性能。这种在变工况下调节流动结构的方法，使得气体波制冷装置的性能对工况变化不太敏感，可以适合于工业化系统的应用。在结构上，为了密封共振腔(8)内的压力气体，使之不能通过调节杆(15)的表面泄漏到环境，本发明使用了密封组件，包括调节保持座(17)、密封件(18)和衬套(19)。调节保持座(17)可支撑密封件(18)，而密封件(18)的环状空间可允许调节杆(15)通过。密封件(18)通过衬套(19)压紧，从而密封住它与调节杆(15)之间的接触表面。

另外，通过实验的观察，发现有大量的热会随着气体波制冷装置运行而聚集在气体柱区域，如果这部分热量不能有效地移出，将导致气体柱温度的升高。热量的积存和气体柱温度的升高又将会改变接触面的状态，降低了能量从入射气体转移到气体柱的效果，并会减弱入射压力波和入射激波在气体柱的传递。原理上，气体柱的温度越高，气体波制冷装置的效率越低。为了增加制冷效率和压力波的强度，有益于压力能向热能的转换，本发明采用冷却器(13)来强化热量从气体柱的排出。气体柱振荡所产生的热能通过共振管束(14)表面的强化对流传热，由通过管束外部的冷却流体将其带走。同时由共振管束(14)向共振腔(8)的导热过程来加热入射气体，在安装了热隔离接头(11)后被消除。

参考图2和图3，从实验中发现，当入射波到达共振管束(14)的另一端时，遇到封闭端形成反射波，它与入射波呈反向运动。反射波也携带着一定的压力能，当它通过接触面时，将会加热入射的气体。这一加热过程通常会降低压力能从入射气体向气体柱的输送效率，降低气体波制冷装置在设计工况的制冷效率。而另一方面，对反射波如果不进行适当的控制，会对上行的反馈压力波系统产生干扰，在变工况时，反射波系将改变射流的有序振荡。为了减小这种影响，在共振管束(14)的封闭端加装了波阻尼器(12)。波阻尼器(12)是一个具有较大直径的圆柱腔体，它在共振管束(14)的末端形成一个具有扩大截面的空腔。加装波阻尼器(12)后，反射波的强度会减弱对入射气体的加热效应。波阻尼器(12)的长度由入射波的强度而定。波阻尼器(12)的安装同时还有利于在变工况的状态下，消除反射波对共振腔(8)中的自持振荡射流的影响。

总而言之，上行反馈压力波在高速射流剪切层中的传输，使得射流周期性地扫过共振管束(14)的入口，高速射流的自持振荡反过来与气体柱的共振相耦合，导致入射气体产生制冷效应。制冷过程是通过在共振管束(14)内的入射波系和反射波系统的相互作用；通过高速射流对共振管束(14)入射过程；通过喷嘴(5)和共振腔(8)之间适当的几何参数才能发生。这些几何参数控制了高速射流与气体柱的相互作用过程。当上游的气体状态发生变化时，通常引起气体波制冷装置操作偏离设计工况而降低制冷效率。这主要是由改变了射流结构所造成的。流动工况的改变将减弱和破坏上述的两种相互作用的过程，造成操作上的失效。为了使用气体波制冷装置在变工况情况下获得最好的操作性能，本发明装置使用了在变工况时调节高速射流结构的机制。它能够把内部泄露和机械的复杂程度降到最低。为了增加制冷效率，减弱反射波系对变工况下振荡射流的影响，引入了波阻尼器和冷却器。波阻尼器的作用是减小反射波的加热作用，而冷却器的作用是降低接触面的温度，并且强化能量在入射气体和气体柱之间的传输。另外，热绝缘接头(11)能够减小共振管束(14)与共振腔(8)之间的热传导损失。

本发明装置采用了上述的方法，可以在变工况的情况下操作。流动调节件(9)能够使气体波制冷装置在一个更宽的工况范围内工作时，仍能保持在设计工况的性能。他的内部自持振荡过程通过调节喷嘴(5)和共振腔(8)的空间而得以保持。在极高压力降差的操作环境中，本发明装置可以串联操作，通过调节每级的操作条件，得到最大的温度降差。

Claims (6)

1.一种具有流动调节功能的气体波制冷装置及其所产生的制冷方法，其特征在于：

a.这种具有流动调节功能的气体波制冷装置由可调节喷嘴、可调节共振腔(它联接可调节喷嘴)、共振管束(它的开口端连接到可调节共振腔)、热隔离接头，涡稳流器(它在共振管束出口的位置横跨共振腔)、波阻尼器(它被连接到共振管束的另一端)、冷却器(包容共振管束的管体)等部件组成。

b.在变上况条件下的共振制冷方法。它利用共振管束驱动可调节喷嘴和在可调节共振腔内的周期性射流振荡，在变工况条件下维持一种压力反馈系统。由涡稳流器、共振管与共振腔的匹配，在共振管内诱发特定的气体柱共振频率。通过这种可调节喷嘴和可调节共振腔产生的射流振荡与共振管气体柱共振频率耦合，产生共振制冷效应。

2.根据权利要求1所述的气体波制冷装置，其特征在于具有下列结构特征：

a.操作板具有上下表面，并包含有可调节喷嘴和可调节共振腔。它们都具有二维的空间特征。通过螺纹孔和热隔离接头与共振管束相连接。在共振管束中产生脉动流和共振制冷效应。

b.下盖板中包含有稳流器，它具有弯曲的通道与共振腔在共振管束的开口端附近相通。下盖板覆盖操作板的下表面，为正在共振管束内完成能量交换的气体流向排气导管提供排气通道，同时起到阻隔共振腔内的射流直接流向排气导管的作用。

c.上盖板从上表面覆盖操作板的上表面，并在操作板和共振腔的位置装有流动调节组件。通过插入中央操作板的流动调节件，在垂直于可调节共振腔的方向，通过上下运动改变可调节共振腔的二维的空间。

3.根据权利要求2所述的气体波制冷装置，其特征在于：中央操作板中的可调节共振腔提供特殊的几何形状，用来产生振荡流动和共振制冷效应。权利要求2所述的共振管束由刚性和具有高导热性能的金属材料构成，在它的轴线方向具有均匀或者变化的截面直径。在它的开口端具有螺纹通过上述热隔离接头与可调节共振腔连接，共振管束的另一端则与上述的波阻尼器相连接。

4.根据权利要求2所述的气体波制冷装置，其特征在于：在上述中央操作板内包含有特殊的几何形状，为脉动流的产生和共振制冷效应提供条件。在中央操作板内的可调节共振腔具有扇形的形状，在它的收敛端与可调节的喷嘴相连通，在每一侧壁面保持偏位差。而扇形的弧形壁面与共振管束的开口端相连接。

5.根据权利要求2所述的气体波制冷装置，其特征在于：由上述的中央操作板内含有的特殊几何形状，为脉动流的产生和共振制冷效应提供条件。在中央操作板内的可调节喷嘴具有收缩或缩放形通道形状，与上述的缓冲腔相连，引导带压气体进入上述的收缩或缩放形喷嘴。

6.根据权利要求2所述的气体波制冷装置，其特征在于：上述的稳流器，由两个倾斜的内表面所构成的斜槽组成，它位于可调节共振腔的上方，在共振管束的开口处与在中央操作板内的共振腔相连。上述稳流器的斜槽宽度近似于共振管束的直径。并且，上述稳流器的通道与中央操作板向着可调节喷嘴的方向形成一个小于90度的角度，它提供了光滑的排气通道，使得带压气体在共振管束内将压力能转换成热能后，向着排气导管流动。

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