CN2804728Y - 进气量可控低温制冷装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型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。本实用新型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。本实用新型具原理简单、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
技术领域
本实用新型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
本实用新型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。
本实用新型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是本实用新型设有旁通装置调节后的温度变化示意图；
图4是本实用新型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具有依次连接的压缩机1、旁通阀2、平面旋转阀3、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，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。
本实用新型压缩机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。
本实用新型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。本实用新型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。
本实用新型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，本实用新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
本实用新型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，其特征在于它具有依次连接的压缩机(1)、旁通阀(2)、平面旋转阀(3)、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)，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)。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104949403A (zh) * | 2015-06-18 | 2015-09-30 | 浙江大学 | 低温制冷机阀组及gm型脉管制冷机 |
| CN106885390A (zh) * | 2017-01-19 | 2017-06-23 | 中国科学院理化技术研究所 | 带有脉管膨胀机的低温制冷系统 |
| CN108775724A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-11-09 | 浙江大学 | 一种带有四通换向阀的脉管式制冷系统 |
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