CN1710354A - L形脉管制冷机 - Google Patents

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鲁雪生
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Abstract

一种制冷技术领域的L形脉管制冷机，包括：压力波发生机构，调相机构，蓄冷器热端换热器，蓄冷器，脉管热端换热器，L形脉管，冷端换热器。L形脉管和蓄冷器并列布置，脉管的冷端通过冷端换热器直接和蓄冷器的冷端相连，压力波发生机构和调相机构和蓄冷器热端换热器以及脉管热端换热器相连。本发明具有结构紧凑，对称性好，系统死容积小，冷量利用效率高的特点，且在冷热端换热器中采用紫铜泡沫金属材料强化换热，提高换热效率。

Description

L形脉管制冷机
技术领域
本发明涉及一种制冷技术领域的制冷机，特别是一种L形脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机是利用高低压气体对脉管空腔的充放气过程获得制冷效果的。脉管制冷机经历了从基本型，小孔型，双向进气型，四阀型，主动气库型等多种结构。根据脉管制冷机中蓄冷器和脉管的位置，又可以分为同轴型，U型和连轴型。从结构上来看，对于优化的U型布置的脉管制冷机，它们的共同特征是：脉管和蓄冷器是并列布置的，通常脉管是长于蓄冷器的，且脉管是一根中空的直管，这样导致脉管和蓄冷器结构上的对称性较差，为了连接的对称性，通常需要在蓄冷器段附加连接管。且通常结构是，分别在蓄冷器和脉管冷端连上冷端换热器，然后通过冷端连接管把两个冷端换热器连接起来。这样既增加了成本，也增加了系统中的死容积，即增加了系统中不做功的气体数量。从冷量利用角度来看，U型布置的脉管制冷机，通常只是对脉管制冷机冷头上的冷量进行利用，对于目前仅仅利用脉管冷头处的冷量的手段而言，大量储存在脉管低温段附近的冷量都没有被利用起来，无疑是个很大的冷量浪费。另一方面，对于冷热端换热器而言，目前基本上是采用紫铜作为冷端换热器材料，并在其中填有金属丝网材料用于强化冷端换热以及层流化作用，但是金属丝网材料的比换热面积只有几千m2/m3，换热效率不是非常理想，导致冷量不能充分的释放出来供应用。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利02112248，名称：新型双阀双向进气结构脉管制冷机，该专利包括气库、小孔阀、脉管热端换热器、脉管、脉管冷端换热器、冷头、回热器冷端换热器、回热器、回热器热端换热器；所说的脉管热端换热器与回热器热端换热器之间设有双阀双向进气阀。本发明能有效控制和调节循环于回热器和脉管闭合回路的直流流动，以提高制冷机的性能。此方法的缺陷是冷端结构较复杂，有两个冷端换热器，且需要额外的连接管把两个冷端换热器连接起来，系统的空容积较大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的缺点，提出一种L形脉管制冷机，使其具有结构紧凑，对称性好，系统死容积小，冷能利用效率高的特点，且在冷热端换热器中采用紫铜泡沫金属材料强化换热，进一步提高换热效率，使得冷量能够充分的释放出来以供引用。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：压力波发生机构，调相机构，蓄冷器热端换热器，蓄冷器，脉管热端换热器，L形脉管，冷端换热器。L形脉管和蓄冷器并列布置，L形脉管和蓄冷器均为不锈钢材料，蓄冷器填料可以为丝网材料或者球状填料或者磁性填料，蓄冷器热端换热器、脉管热端换热器以及冷端换热器中填塞有紫铜泡沫金属材料，取代了以往的金属丝网材料。压力波发生机构与调相机构和蓄冷器热端换热器以及脉管热端换热器相连。压力波发生机构在调相机构的调节下在脉管中产生交替变化的高低压气体，从而在脉管冷端产生低温。
本发明采用L形脉管取代了原有的脉管制冷机中通用的直形脉管，对于多级的脉管制冷机，同样采用多个L形脉管取代原来的多级直形脉管。
所述的压力波发生机构，可以是有阀压缩机(包括压缩机和两个控制阀门)，压缩机通过两个控制阀门和蓄冷器热端相连；也可是无阀压缩机，它直接和蓄冷器热端相连。
调相机构，可以是小孔与气库的配合，小孔把脉管热端和气库连接起来；也可以是在小孔与气库的配合的基础上增加第二进气孔，小孔把脉管热端和气库连接起来，第二进气孔把脉管热端和压缩机相连；还可以是两个控制阀门(可以是电磁阀，也可以是气动阀)和两个小孔的配合，两个小孔分别用来控制通过两个控制阀门的流量，两个控制阀门和压缩机的高低压端相连，两个小孔和脉管热端相连。
本发明最大的特点是使用了“L”形脉管。原来的直形脉管中脉管冷端和蓄冷器冷端均有冷端换热器，然后通过冷端连接管把两个冷端换热器连接起来。“L”形脉管是一根具有直角弯头的脉管，脉管的冷端通过冷端换热器直接和蓄冷器的冷端相连，也就是把原来的冷端连接管变成了脉管的一部分，把两个冷端换热器合二为一。这样一来，不仅是结构上更加紧凑，系统的对称性提高，降低了成本，且减少了系统的死容积。冷头就可以联合脉管冷端区域供应冷量，大大提高了冷量的利用区域和利用率，也就提高了低温制冷机的冷量利用效率。
本发明采用“L”形脉管可以适用于使用空间比较小的脉管制冷机，且同时适用于单级、多级脉管制冷机。本发明可以充分的利用蕴涵在脉管低温段的冷量，大大提高了冷量的利用率，本发明L形脉管结构适用于单级，多级，以及各种形式的“U”型布置的脉管制冷机。
本发明的第二个特点是在冷热端换热器中使用紫铜泡沫金属材料，并且把紫铜泡沫金属材料粘在换热器内表面，紫铜泡沫金属材料的比换热面积可达到15000m2/m3，可以强化气体的换热，在热端换热器中把热气体的热量充分的释放到环境中，在冷端，把冷气体的冷量充分的释放出来以供使用。且紫铜泡沫金属材料粘在换热器内表面，避免了直接把通常使用的金属丝网材料填塞在换热器内表面情况下，气体可能直接通过填塞间隙没有充分的换热就离开了换热器的情况的发生，毫无疑问可以更好的把气体的冷能释放出来。采用紫铜泡沫金属材料作为换热器填塞物质，构成多孔换热表面，比换热表面积大，所以结构紧凑，效率高，对于减少制冷机的流动的阻力损失，制冷量充分释放非常有利。
本发明的总体效果：结构上更加紧凑，系统的对称性提高，降低了成本，且减少了系统的死容积。冷头可以联合脉管冷端区域供应冷量，大大提高了冷量的利用区域和利用率。再有使用紫铜泡沫金属材料作为换热器填塞物质，构成多孔换热表面，比换热表面积大，强化了换热器的换热，可以把热端换热器中的热量充分的释放到环境中，更为重要的是把流过冷端换热器的气体的冷量充分的释放出来以供使用，所以换热器结构紧凑，效率高，对于减少制冷机的流动的阻力损失，制冷量充分释放非常有利。
附图说明
图1为本发明单级L形脉管制冷机的结构示意图
图2为四阀L形脉管制冷机的结构图
图3为四阀L形脉管制冷机的典型阀门时序图
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括：压力波发生机构1和调相机构5，蓄冷器热端换热器10，蓄冷器11，脉管热端换热器12，L形脉管13，冷端换热器14。L形脉管13和蓄冷器11并列布置，压力波发生机构1和调相机构5和蓄冷器热端换热器10以及脉管热端换热器12相连。
L形脉管13是一根具有直角弯头的脉管，脉管13的冷端通过冷端换热器14直接和蓄冷器11的冷端相连，L形脉管13和蓄冷器11均为不锈钢材料，蓄冷器11的填料为丝网材料、球状填料或者磁性填料。
蓄冷器热端换热器10、脉管热端换热器12以及冷端换热器14中填塞有紫铜泡沫金属材料。
压力波发生机构1，是有阀压缩机，包括压缩机2和两个控制阀门3、4，压缩机通过两个控制阀门3、4和蓄冷器11热端相连；或者是无阀压缩机，它直接和蓄冷器11热端相连。
调相机构5，可以是小孔与气库的配合，小孔把脉管13热端和气库连接起来；也可以是在小孔和气库的配合的基础上增加第二进气孔，小孔把脉管热端13和气库连接起来，第二进气孔把脉管13热端和压力波发生机构1相连；还可以是两个控制阀门6、7和两个小孔8、9的配合，两个小孔分别用来控制通过两个控制阀门的流量，两个控制阀门和压力波发生机构1相连，两个小孔和脉管13热端相连。两个控制阀门可以是电磁阀，也可以是气动阀。
本发明L形脉管结构适用于单级，多级，以及各种形式的U型布置的脉管制冷机。以下以采用L形脉管结构的四阀型脉管制冷机为例进行具体的叙述。
如图2所示，在该四阀L形脉管制冷机中，压力波发生机构1为压缩机2和两个气动阀3、4，压缩机2通过气动阀3、4和蓄冷器11热端相连，调相机构5为两个气动阀6、7和两个小孔8、9。
整个四阀L形脉管制冷机包括：压缩机2，气动阀3，气动阀4，气动阀6，气动阀7，小孔8，小孔9，蓄冷器热端换热器10，蓄冷器11，脉管热端换热器12，L形脉管13，冷端换热器14。L形脉管13和蓄冷器11并列布置，L形脉管13和蓄冷器11均为不锈钢材料，丝网材料作为蓄冷器11填料，蓄冷器热端换热器10、脉管热端换热器12以及冷端换热器14中填塞有紫铜泡沫金属材料进行强化换热和层流化元件作用。四个气动阀分别是两个高压阀3、6和两个低压阀4、7，压缩机2分别通过高压阀3、低压阀4和蓄冷器热端换热器10相连，压缩机2通过高压阀4、低压阀7和L形脉管13热端相连，高压阀3和低压阀4具有较大的流量系数，高压阀6和低压阀7具有较小的流量系数，四个气动阀通过一个时序器控制。L形脉管13和蓄冷器11直接通过一个冷端换热器14连接起来，大大提高了系统的紧凑性和对称性，且没有了冷端连接管，减少了系统的死容积，同时在L形脉管13热端使用了两个小孔8、9，可以分别用来调节L形脉管热端进排气流量，且小孔8、9可以在L形脉管制冷机的运行过程中进行调节开度，改善其性能，找到最佳时序，使实用化更好。
如图3所示，该四阀L形脉管制冷机工作过程如下：制冷机按照过程A-B-C-D-A来回循环，在循环开始时，所有的阀门都处于关闭状态，系统在初始状态时，处于低压，系统从A-B时，高压阀3、6打开，高压气体从L形脉管13热端和蓄冷器11热端流经脉管13，L形脉管13内的压力从Pl升高到Ph，B-C时，高压阀5关闭，低压阀7打开，高压阀3仍然处于开放状态，高压气体推着气体活塞继续向热端移动，到达C状态时，L形脉管13冷腔体积达到最大，此过程可以近似认为是定压过程。C-D时，低压阀7继续开放，高压阀3关闭，低压阀4打开，L形脉管13中的气体膨胀，分别经过低压阀4和低压阀7回到压缩机，D-A时，高压阀6打开，低压阀7关闭，低压阀4仍然打开，来自高压阀6的高压气体继续推动气体活塞向脉管冷端移动，进一步的使冷腔气体膨胀，最终达到低压Pl，回到初始状态。

Claims (5)

1、一种L形脉管制冷机，包括：压力波发生机构(1)、调相机构(5)、蓄冷器热端换热器(10)、蓄冷器(11)、脉管热端换热器(12)、脉管(13)、冷端换热器(14)，其特征在于，脉管(13)为L形脉管结构，L形脉管(13)和蓄冷器(11)并列布置，脉管(13)的冷端通过冷端换热器(14)直接和蓄冷器(11)的冷端相连，压力波发生机构(1)和调相机构(5)和蓄冷器热端换热器(10)以及脉管热端换热器(12)相连，压力波发生机构(1)和蓄冷器(11)热端相连。
2、根据权利要求1所述的L形脉管制冷机，其特征是，压力波发生机构(1)，是有阀压缩机，包括压缩机(2)和两个控制阀门(3、4)，压缩机(2)通过两个控制阀门(3、4)和蓄冷器(11)热端相连；或者是无阀压缩机，它直接和蓄冷器(11)热端相连。
3、根据权利要求1所述的L形脉管制冷机，其特征是，蓄冷器热端换热器(10)、脉管热端换热器(12)以及冷端换热器(14)中填塞有紫铜泡沫金属材料，紫铜泡沫金属材料粘在蓄冷器热端换热器(10)、脉管热端换热器(12)以及冷端换热器(14)内表面。
4、根据权利要求1所述的L形脉管制冷机，其特征是，L形脉管(13)是一根直角弯头的脉管，L形脉管(13)为不锈钢材料。
5、根据权利要求1所述的L形脉管制冷机，其特征是，蓄冷器(11)为不锈钢材料，蓄冷器(11)的填料为丝网材料、球状填料或者磁性填料。
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