CN1844798A - 带冷端气库的脉管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带冷端气库的脉管制冷机。它包括回热器、层流化元件、脉管、脉管冷、热端换热器及脉管冷、热端气库。所说的冷端气库为一空容积，与脉管冷端通过管壁细孔或毛细管连通；紧挨毛细管或细孔布置层流化元件。冷端气库能进一步在脉管冷端产生与压力同相的质量分量，直接调节冷端压力波与质量流的相位，从而使脉管获得更大制冷量。冷端气库既适用于小孔气库型脉管制冷机，也适用于双向进气型脉管制冷机；既适用于GM型脉管制冷机，也适用于Stirling型脉管制冷机。

Description

带冷端气库的脉管制冷机
技术领域
本发明涉及一种低温制冷技术领域的低温制冷机，特别是一种带冷端气库的脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机利用高低压气体对脉管空腔的充放气过程获得制冷效应。它消除了传统回热式低温制冷机，如Striling和G-M制冷机的低温运动部件，依靠脉管内部气体活塞的往复运动来调节脉管冷端质量流与压力波的相位。然而，气体活塞运动和脉管压力相位正交，根据相位理论，当脉管冷端压力和速度同相时，制冷量最大；当两者正交(相位差90)度时，制冷量等于零。基本型脉管主要通过和管壁的热交换将热量从冷端“泵”到热端，由此产生冷量。但管壁的泵热功能有限，限制了基本型脉管制冷机性能的提高。1986年，前苏联米库林在基本型脉管的热端引进了小孔和气库，使脉管中产生了分别与压力同相和正交的两股流量。其中同相位的流量与压力作用后在一个周期内对气体活塞做正功，根据能量守恒，动态稳定时该作用功等于制冷量，从而提高了制冷机制冷量和制冷效率。然而，另一正交分量与压力所做功在一个周期内等于零，因此该分量消耗外部压缩功，却不产生冷量，降低了制冷机总体效率。可见，要提高脉管制冷机性能，必须提高脉管中和压力同相部分的质量分量，同时降低正交部分的质量分量。近年来，在小孔型脉管制冷机的基础上，相继出现了一些新的调相结构，其作用是增加与压力同相位的质量分量：双向进气结构一方面旁通了部分经过回热器的气体，使得一部分气体不经过回热器直接进入脉管热端，减少了经过回热器的流量，提高了回热器效率；另一方面类似小孔与气库的作用，能进一步在脉管中产生与压力同相体积流量。但由于回热器两端压力相位差较小，使通过旁通阀与压力同相的质量分量很小，因此对冷端的调相作用不大。多路旁通结构与双向进气结构有相似的作用，但同样受阻力元件一小孔或阀两端压力相位差的限制，对冷端相位的继续调节作用有限(但由于两者提高了压力振幅，因此总体性能比小孔型提高)。内调相结构小孔阀两端的压力相位差可主动调节，从而调节质量分量，因此制冷量比小孔型也有较大提高。总体上，以上几种调相结构属于间接调相方式，即调相作用通过气体活塞间接调节脉管冷端的相位。
发明内容
本发明的目的是提供一种带冷端调相结构一冷端气库的脉管制冷机。
它包括相连接的压缩机、旋转阀、回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、小孔阀、气库，热端换热器与回热器热端换热器之间通过双向进气阀连接，其特征在于在脉管冷端设有冷端调相机构。
所说的冷端调相机构具有冷端气库，冷端气库脉管通过管壁小孔连通，两者同轴布置，脉管内紧挨小孔设有导流板。冷端调相机构具有冷端气库，冷端气库与脉管通过毛细管连通，两者独立布置，脉管内紧挨小孔设有导流板。冷端气库为一空容器，放于真空绝热环境中。
本发明在脉管冷端增加冷端气库，它与脉管冷端或通过管壁细孔连通，两者同轴布置；或通过毛细管连通，两者分开布置。冷端气库能进一步在脉管中产生与压力同相的质量分量，直接调节脉管冷端压力与流量相位，从而提高制冷机制冷量。经用线性模型分析计算表明，小孔型和双向进气型脉管制冷机在增加冷端气库后制冷量均可提高，如果冷端气库和脉管的体积比大于一定值，则制冷效率将提高。该结构既适用于GM型脉管制冷机，也适用于Stirling型脉管制冷机。另外，冷端气库所需空间较室温气库小得多，且形状不受限制，因此脉管制冷机体积没有显著增加，而且结构紧凑，操作简单。
附图说明
图1为本发明冷端气库与脉管冷端同轴布置的脉管制冷机系统示意图。
图2为本发明冷端气库与脉管冷端分开布置的脉管制冷机系统示意图。
图3为本发明小孔气库型脉管制冷机无量纲制冷量随冷端气库与脉管体积比OV2的变化。图中无量纲频率F＝ωVp/κp0Cr＝0.5，其中ω为角速度，Vp为脉管体积，κ为工质比热比，p0为平均压力，Cr为回热器流阻系数。小孔阀与回热器的流阻比OC1＝0.2，热端气库与脉管的体积比OV1＝8，脉管低温Tc＝40K，高温Th＝300K。另外，图中冷端气库小孔或毛细管流阻与回热器流阻之比OC2＝0，冷端气库体积与脉管体积比OV2＝0表示没有冷端气库，即为小孔型脉管制冷机制冷量。
图4给出了本发明小孔型脉管制冷机制冷效率(COP)随冷端气库与脉管体积比OV2的变化。图中F＝0.5，OC1＝0.2，OV1＝8，Tc＝40，Th＝300。
图5给出了本发明双向进气型脉管制冷机无量纲制冷量在不同冷端小孔开度时随冷端气库和脉管体积比OV2的变化，图中F＝0.5，OC1＝0.2，OV1＝8，旁通阀与回热器流阻之比DC＝0.1。
图6给出了本发明双向进气型脉管制冷机效率(COP)随冷端气库与脉管体积比OV2的变化，图中同时给出了小孔型脉管制冷机(DC＝0)的COP曲线以作对比。
具体实施方式
如图1、2所示，带冷端气库的脉管制冷机包括相连接的压缩机1、旋转阀2、回热器热端换热器3、回热器4、冷端换热器5、脉管9、热端换热器10、小孔阀12、气库13，热端换热器10与回热器热端换热器3之间通过双向进气阀11连接，其特征在于在脉管9冷端设有冷端调相机构。
冷端调相机构具有冷端气库6，冷端气库6与脉管9通过管壁小孔7连通，两者同轴布置，脉管9内紧挨小孔7设有导流板8。冷端调相机构具有冷端气库6，冷端气库6与脉管9通过毛细管14连通，两者独立布置，脉管9内紧挨小孔7设有导流板8。冷端气库6一空容器，放于真空绝热环境中。
层流化元件8，可以是不锈钢、紫铜等丝网片填充而成或其他多孔介质材料。
如图3、5所示，冷端气库和细孔(或毛细管)的共同作用，在脉管冷端产生了与压力同相和正交的质量分量，同相分量与压力共同作用后在一个周期产生冷量，因此脉管制冷机的制冷量必然增加，并且随冷端气库与脉管的体积比增加而增加。但实际上冷端气库体积受真空绝热系统体积限制，不能过大。与脉管同轴布置时，要注意轴向方向长度不能太长，因为脉管壁面温度沿轴向从冷端温度增长到室温，而冷端气库温度始终与脉管冷端温度相等，因此，两者过长的轴向接触将导致从管壁到冷端气库的导热，从而减小制冷机制冷量。小孔开度对制冷量影响也很大，一般取管壁小孔开度为脉管热端小孔阀开度的0.1～0.3。由图3、5所示，在冷端气库与脉管体积比小于约0.4时，小孔开度较小(小孔阀开度的0.1，状态A)时，制冷量的增加比小孔开度较大(小孔阀开度的0.3，状态B)时显著；然而，当气库与脉管体积比大于约0.4时，状态B比状态A呈现更优越的制冷量性能。而且，当气库与脉管体积比超过约0.4时，状态A制冷量增长微小，而状态B制冷量增长依然显著。
然而，由于与压力正交的质量分量在脉管的一个周期内不产生制冷量，同时却消耗压缩机压缩功，因此，冷端气库的引进虽然能增加制冷量，当同时也增加了额外的压缩机功率，冷端气库对制冷机效率的影响与冷量增加和压缩功增加的相对大小有关。如图4、6所示，当冷端气库与脉管的体积比较小时，冷端气库引起的与压力同相分量要小于正交分量，因此制冷机效率比无冷端气库时降低。但随着冷端气库与脉管的体积比增大到一定值时，冷端气库引起的与压力同相分量超过正交分量，因此，制冷机效率比无冷端气库时增加，并且随体积比的继续增加，效率也继续增加。分析表明，当状态A时，该定值约为0.2；当状态B时，该定值约为0.75，当管壁小孔开度为小孔阀开度的0.2(状态C)时，该定值约为0.45。
值得注意的是，冷端气库的引进增加了制冷机工质的流量，这对回热器效率有负面影响，回热器效率的降低将同时降低制冷机的总体效率。然而，如果冷端气库体积和管壁小孔开度相对较小，可认为流量的增加有限，从而对回热器效率的影响较小。
另外，冷端气库与管壁小孔使得脉管冷端产生径向扰动，破坏了工质层流，促使工质在脉管冷端呈现紊流状态，加强了热量的对流换热，减小了制冷机的制冷量。因此，必须在小孔后设置层流化元件。层流化元件的作用是将紊流限制在脉管冷端一个微小的同温体积内，阻断工质的对流换热，保证工质在脉管内的层流。层流化元件为不锈钢丝网片填充而成或其他多孔介质结构，必须有一定的轴向长度以保证脉管层流化。

Claims (4)

1、一种带冷端气库的脉管制冷机，其特征在于它包括相连接的压缩机(1)、旋转阀(2)、回热器热端换热器(3)、回热器(4)、冷端换热器(5)、脉管(9)、热端换热器(10)、小孔阀(12)、气库(13)，热端换热器(10)与回热器热端换热器(3)之间通过双向进气阀(11)连接，其特征在于在脉管(9)冷端设有冷端调相机构。
2、根据权利要求1所述的一种带冷端气库的脉管制冷机，其特征在于，所说的冷端调相机构具有冷端气库(6)，冷端气库(6)与脉管(9)通过管壁小孔(7)连通，两者同轴布置，脉管(9)内紧挨小孔(7)设有导流板(8)。
3、根据权利要求1所述的一种带冷端气库的脉管制冷机，其特征在于，所说的冷端调相机构具有冷端气库(6)，冷端气库(6)与脉管(9)通过毛细管(14)连通，两者独立布置，脉管(9)内紧挨小孔(7)设有导流板(8)。
4、根据权利要求1所述的一种带冷端气库的脉管制冷机，其特征在于，所说的冷端气库(6)为一空容器，放于真空绝热环境中。
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