一種回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，其包括依次連接的主級脈管制冷機單元、傳輸管、輔級脈管制冷機單元和熱橋；所述的輔級脈管制冷機單元的輔級級后冷卻器通過傳輸管與主級脈管制冷機單元的主級熱端換熱器連接以回收聲功。本發(fā)明通過熱橋連接輔級脈管制冷機單元的輔級冷端換熱器和主級脈管制冷機單元的主級回?zé)崞?，實現(xiàn)用回收聲功獲得的額外制冷量來預(yù)冷主級回?zé)崞鞯哪巢课唬越档椭骷壝}管制冷機單元的工質(zhì)溫度，與傳統(tǒng)的脈管制冷機相比，可以顯著提高效率。在一些需要大冷量、高效率、長壽命的場合具有良好的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種脈管制冷機，尤其涉及一種回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機。
【背景技術(shù)】
[0002]脈管制冷機最早由美國的Gifford教授和Longswoth提出，由于其在低溫下沒有運動部件，避免了滑動密封、機械磨損等問題，可望成為低成本、低振動、可靠性高、長壽命的低溫制冷機被廣泛運用。隨著小孔氣庫、雙向進氣、慣性管等調(diào)相結(jié)構(gòu)的提出和成功運用，使得脈管制冷機制冷溫度不斷降低，制冷量和制冷效率也大幅提高，接近甚至在某些工況下超過傳統(tǒng)的回?zé)崾降蜏刂评錂C(如:G-M制冷機、Stirling制冷機等)，已在超導(dǎo)器件和紅外設(shè)備的冷卻，以及氣體液化等方面得到廣泛應(yīng)用。
[0003]然而，上述的各種結(jié)構(gòu)都需要調(diào)相元件，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比于Stirling制冷機更加復(fù)雜，此外，其脈管冷端聲功無一例外需在調(diào)相裝置內(nèi)以熱量的形式耗散掉，這也直接導(dǎo)致了其制冷系統(tǒng)的理想效率低于卡諾效率(由于Stirling制冷機通過排除器可將冷端聲功得以回收，理想效率與卡諾效率相等)。
[0004]根據(jù)熱力學(xué)原理，氣體工質(zhì)的聲功和諸如電功，軸功和水利機械功等同樣重要。在小孔型脈管制冷機中，聲功可以制冷；聲功可以通過線性發(fā)電機用來發(fā)電；聲功還可以通過水輪機轉(zhuǎn)化為機械功，并且，聲功的來源很廣泛，可以從斯特林制冷機和熱聲發(fā)動機等各種形式的熱機中獲得。特別是對于大功率的脈管制冷機系統(tǒng)，在調(diào)相元件中耗散的聲功占的比例是很大的，如果能有效的將這中能量利用起來，將產(chǎn)生很大的實用價值。
[0005]1988年Matsubara提出了一種帶熱端膨脹機的雙活塞型脈管制冷機,可以回收膨脹功。該制冷機可看做是斯特林制冷機的變種，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，未能得到廣泛應(yīng)用。
[0006]Swift的申請?zhí)枮閁S8，468，838B2的專利文獻中提出一種用四分之一波長傳輸管連接的回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，雖然能夠有效的回收聲功，但是并沒有提出如何有效的利用回收聲功后得到的冷量，而如何將回收聲功得到的附加冷量有效的利用起來以提高整機效率，是很有意義的。
[0007]提高單級脈管制冷機性能的方式有很多，為了提高脈管制冷機的制冷量，降低其所能獲得的最低溫度，有效的預(yù)冷級后冷卻器或者回?zé)崞髦虚g某部位是其中的一種方式?，F(xiàn)有發(fā)明中的熱耦合型兩級脈管制冷機，為了使第一級脈管制冷機獲得更好的性能，使用第二級脈管制冷機來預(yù)冷第一級脈管制冷機的回?zé)崞髦虚g某部位，這種結(jié)構(gòu)雖然能夠降低第一級脈管制冷機所能達到的最低溫度，提高第一級脈管制冷機的性能，但是兩級脈管制冷機需要兩個壓縮機單元，并且各自的聲功都在其對應(yīng)的調(diào)相元件(慣性管、氣庫)中耗散掉，因而整機的效率是比較低的，不能有效的節(jié)約能耗，提高效率。
[0008]由上述總結(jié)可知，一種可以回收并有效利用脈管制冷機慣性單元以熱量耗散掉的聲功的新型脈管制冷機結(jié)構(gòu)對于提高脈管制冷機整機效率，滿足當前節(jié)能減排的要求是非常有意義的。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明改進了傳統(tǒng)脈管制冷機結(jié)構(gòu)，提出了一種可以回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機結(jié)構(gòu)，并且合理利用回收聲功后得到的冷量，同時滿足低溫下沒有運動部件，可靠性高等優(yōu)點，可以顯著的提高脈管制冷機的效率。
[0010]一種回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，包括主級脈管制冷機單元和輔級脈管制冷機單元，所述的主級脈管制冷機單元包括主級壓縮機、與主級壓縮機出氣口依次連通的主級級后冷卻器、主級回?zé)崞?、主級冷端換熱器、主級脈管和主級熱端換熱器；所述的輔級脈管制冷機單元包括與主級熱端換熱器遠離主級脈管的一端依次連通的輔級回?zé)崞?、輔級冷端換熱器、輔級脈管、輔級熱端換熱器和調(diào)相元件；所述的輔級冷端換熱器通過一熱橋?qū)χ骷壔責(zé)崞骰蛘咧骷壖壓罄鋮s器進行冷卻。
[0011]所述的輔級脈管制冷機單元是為了回收主級熱端換熱器出口的聲功，將低品位的熱能轉(zhuǎn)換為制冷量，預(yù)冷主級回?zé)崞骰蛘咧骷壖壓罄鋮s器，提高整機制冷效率。所述的壓縮機為整機提供總輸入功，保證制冷機運行。
[0012]為進一步提高系統(tǒng)性能，作為優(yōu)選，所述的輔級回?zé)崞髋c所述的主級熱端換熱器之間通過一傳輸管連通，該傳輸管的長度為室溫下氦工質(zhì)波長的四分之一或三分之一。
[0013]傳輸管為確定內(nèi)外徑、長度的銅管或者不銹鋼管，具體尺寸大小需要靠軟件如Sage確定，長度一般為室溫下氦工質(zhì)波長的四分之一或三分之一。傳輸管的作用跟慣性管相似，為調(diào)相元件，因為主級熱端換熱器出口的相位為體積流領(lǐng)先于壓力波，不適合驅(qū)動輔級脈管制冷機單元，傳輸管通過其調(diào)相作用，使得輔級脈管制冷機單元進口的相位與壓縮機出口相位一致，即輔級回?zé)崞骼涠梭w積流落后于壓力波的相位，使之能夠更好的滿足輔級脈管制冷機單元工作要求。
[0014]所述的主級級后冷卻器、主級冷端換熱器、主級熱端換熱器、輔級級后冷卻器、輔級冷端換熱器、輔級熱端換熱器為錐形狹縫式換熱器。
[0015]所述的輔級回?zé)崞髋c所述傳輸管相連的一端設(shè)有輔級級后冷卻器。
[0016]所述的熱橋為一導(dǎo)熱元件，用于熱量或者冷量的傳輸。
[0017]所述的主級回?zé)崞骺砂ㄈ舾啥危苑奖阌靡粋€或者多個熱橋在某個部位與輔級冷端換熱器連接，主級回?zé)崞?、與輔級冷端換熱器連接的部位用數(shù)值模擬計算確定，其形狀可以變化，例如為兩段不同直徑或者錐形體。為實現(xiàn)回收能量的利用，作為優(yōu)選，所述的熱橋與主級回?zé)崞鞯倪B接處將主級回?zé)崞鞣殖蓛刹糠?，分別為:與主級級后冷卻器相連的主級回?zé)崞鞯谝欢?、和與主級冷端換熱器相連的主級回?zé)崞鞯诙危凰龅闹骷壔責(zé)崞鞯谝欢握贾骷壔責(zé)崞骺傞L度的1/3?3/4。主級回?zé)崞鞯谝欢魏椭骷壔責(zé)崞鞯诙慰刹捎靡惑w設(shè)置，也可分開加工，最后通過連接件將兩者相互固定即可。熱橋與主級回?zé)崞鞯倪B接處的位置，需要根據(jù)輔級脈管制冷機單元所能產(chǎn)生的冷量以及主級回?zé)崞鲀?nèi)的溫度分布有關(guān)，實際制作時，需要利用計算機優(yōu)化得到。
[0018]根據(jù)制冷溫度的不同，為滿足不同場合的要求，作為優(yōu)選，所述的主級回?zé)崞鞯谝欢闻c主級回?zé)崞鞯诙瓮鈴奖葹?:3?2。兩者同時可采用分體設(shè)置或者一體設(shè)置，根據(jù)不同需要確定。另外，所述的主級回?zé)崞饕部刹捎猛鈴街饾u縮小的錐形結(jié)構(gòu)。
[0019]所述的調(diào)相元件可采用慣性管、帶氣庫的慣性管或者帶氣庫的小孔閥等，可根據(jù)實際需要確定。作為進一步優(yōu)選，所述的調(diào)相元件為帶氣庫的慣性管結(jié)構(gòu)。[0020]所述的調(diào)相元件包括與輔級熱端換熱器相連的輔級傳輸管、以及與輔級傳輸管另一端依次連通的二級輔級級后冷卻器、二級輔級回?zé)崞?、二級輔級冷端換熱器、二級輔級脈管、二級輔級脈管熱端換熱器和二級輔級調(diào)相元件；所述的二級輔級冷端換熱器通過二級熱橋?qū)λ龅闹骷壔責(zé)崞鬟M行冷卻。
[0021]對于不回收聲功的脈管制冷機而言，卡諾效率為Tc/ (Th-Tc)，不回收聲功達到的最大COP局限在Tc/Th。其中Tc為冷端換熱器溫度，Th為級后冷卻器溫度。
[0022]回收聲功以后，利用輔級脈管制冷機單元得到在一定溫度下額外的制冷量預(yù)冷主級級后冷卻器或者主級回?zé)崞髦虚g某部位，使得Th減小，COP (Tc/Th)增大，可增大了整機效率，降低空負荷下脈管制冷機的最低溫度。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明主要創(chuàng)新點在于:
[0024]本發(fā)明通過一定長度的傳輸管連接了兩個脈管制冷機單元，調(diào)節(jié)了輔級脈管制冷機單元進口壓力波和體積流之間的相位，使之能夠更好的驅(qū)動輔級脈管制冷級單元的工作，將制冷機本在慣性單元中耗散的聲功加以回收，可以在一定溫度下得到額外的制冷量，預(yù)冷主級脈管制冷機的回?zé)崞骰蛘呒壓罄鋮s器，從而大幅提高了制冷機的效率，理論效率可以達到卡諾效率，有望突破單級脈管制冷機當前達到的最低溫度，并在有大冷量需求的場合有很大的運用空間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的一種回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機的實施方式示意圖。
[0026]圖2為本發(fā)明的第二種回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機的實施方式示意圖。
[0027]圖3為主級回?zé)崞鞯囊环N變形，將直徑相同的回?zé)崞鞣譃榱瞬煌睆酱笮〉膬啥巍?br> [0028]圖4為主級回?zé)崞鞯牧硪环N變形，將直徑相同的回?zé)崞髯優(yōu)榱隋F形結(jié)構(gòu)。
[0029]上述附圖中:C1為主級壓縮機，HXl為主級級后冷卻器，RGl為主級回?zé)崞?，RGll為主級回?zé)崞鞯谝欢危琑G12為主級回?zé)崞鞯诙?，HX2為主級冷端換熱器，PTl為主級脈管，HX3為主級熱端換熱器，TP為傳輸管，HX4為輔級級后冷卻器，GR2為輔級回?zé)崞?，TB為熱橋，HX5為輔級冷端換熱器，PT2為輔級脈管，HX6為輔級熱端換熱器，R為調(diào)相元件。
【具體實施方式】
[0030]實施例1:
[0031]采用圖1所示的結(jié)構(gòu)，一種回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，包括主級脈管制冷機單元PTUl和輔級脈管制冷機單元PTU2，主級脈管制冷機單元PTUl包括主級壓縮機Cl、主級級后冷卻器HX1、主級回?zé)崞鱎G1、主級冷端換熱器HX2、主級脈管PT1、主級熱端換熱器HX3。輔級脈管制冷機單元PTU2包括輔級級后冷卻器HX4、輔級回?zé)崞鱎G2、輔級冷端換熱器HX5、輔級脈管PT2、輔級熱端換熱器HX6和調(diào)相元件R。主級熱端換熱器HX3通過傳輸管TP與輔級級后冷卻器HX4連接。輔級冷端換熱器HX5通過熱橋TB對主級回?zé)崞鱎Gl進行冷卻。主級回?zé)崞鱎Gl由主級回?zé)崞鞯谝欢蜶Gll和主級回?zé)崞鞯诙蜶G12兩部分組成。
[0032]上述部件的連接關(guān)系如下:
[0033]主級壓縮機Cl出口通過管路依次與主級級后冷卻器HX1、主級回?zé)崞鞯谝欢蜶G11、主級回?zé)崞鞯诙蜶G12、主級冷端換熱器HX2、主級脈管PTl和主級熱端換熱器HX3相連；主級熱端換熱器HX3的出口通過傳輸管TP與輔級級后冷卻器HX4、輔級回?zé)崞鱎G2、輔級冷端換熱器HX5、輔級脈管PT2、輔級熱端換熱器HX6和調(diào)相元件R相連通；同時，輔級冷端換熱器HX5產(chǎn)生的冷量通過熱橋TB對主級回?zé)崞鱎Gl進行冷卻。
[0034]主級壓縮機Cl為整機提供總輸入功，保證制冷機運行。
[0035]主級回?zé)崞鱎Gl包括兩段，以方便用一個熱橋TB在某個部位與輔級冷端換熱器HX5連接，這個連接部位靠模擬計算確定。實際計算時，在滿足制冷效果(連接部位的溫度大于輔級冷端換熱器HX5的溫度)的前提下，通過計算機優(yōu)化最終確定熱橋TB在主級回?zé)崞鱎Gl上的具體連接部位。
[0036]傳輸管TP，為確定內(nèi)外徑、長度的銅管或者不銹鋼管，具體尺寸大小需要靠軟件如Sage確定，長度一般為室溫和常壓下氦工質(zhì)波長的四分之一或三分之一。傳輸管的作用跟慣性管相似，為調(diào)相元件。主級熱端換熱器HX3出口的相位為體積流領(lǐng)先于壓力波，不適合驅(qū)動輔級脈管制冷機單元，傳輸管通過其調(diào)相作用，使得輔級脈管制冷機單元進口的相位與主級壓縮機Cl出口相位一致，即此處體積流落后于壓力波的相位，使之能夠更好的滿足輔級脈管制冷機單元PTU2工作要求。
[0037]熱橋TB為一導(dǎo)熱元件，實現(xiàn)輔級脈管制冷機單元PTU2對主級脈管制冷機單元PTUl中主級回?zé)崞鱎Gl的冷卻。
[0038]輔級脈管制冷機單元PTU2是為了回收主級熱端換熱器HX3出口的聲功，將低品位的熱能轉(zhuǎn)換為制冷量，預(yù)冷主級回?zé)崞鱎Gl或者主級級后冷卻器HXl。
[0039]調(diào)相元件R為帶氣庫的慣性管。
[0040]該發(fā)明還可以在輔級熱端換熱器HX6出口連接傳輸管，再依次連接N個輔級脈管制冷機單元，依次類推，可以組成由N段傳輸管連接N個輔級脈管制冷機單元，最后再連接一個慣性單元的系統(tǒng)，其中N—般為大于等于2小于等于10的整數(shù)，這里所述的每個輔級脈管制冷機單元，包括輔級級后冷卻器、回?zé)崞?、冷端換熱器、脈管、熱端換熱器，這些輔級脈管制冷機單元中的輔級冷端換熱器分別都用熱橋與主級回?zé)崞鞯南嗤蛘卟煌课贿B接，由于離主級脈管制冷機單元越遠的輔級脈管制冷機單元能夠回收的聲功越小，制冷溫度也達不到很低，熱橋可以連接在離主級級后冷卻器稍近的部位。
[0041]如圖3和圖4所示，主級回?zé)崞鱎Gl可采用兩端直徑相同的圓柱形結(jié)構(gòu)、或者采用變徑形式，比如主級回?zé)崞鞯诙蜶G12的直徑比主級回?zé)崞鞯谝欢蜶Gll小(如圖3)，或者將整個主級回?zé)崞鱎Gl設(shè)計成錐形(如圖4)。
[0042]主級級后冷卻器HX1、主級冷端換熱器HX2、主級熱端換熱器HX3、輔級級后冷卻器HX4、輔級冷端換熱器HX5、輔級熱端換熱器HX6均采用錐形狹縫式換熱器。
[0043]實施例2:
[0044]采用圖2所示的結(jié)構(gòu)，與實施例1的區(qū)別在于，回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，可以除去傳輸管TP，除去主級熱端換熱器HX3或者輔級級后冷卻器HX4，其它結(jié)構(gòu)不變，這種結(jié)構(gòu)方式也能夠回收部分聲功。
[0045]該發(fā)明還可以在沒有傳輸管的基礎(chǔ)上，依次連接N個輔級脈管制冷機單元，依次類推，可以組成有N個輔級脈管制冷機單元的系統(tǒng)，其中N—般為大于等于2小于等于10的整數(shù)，每個輔級脈管制冷機單元，包括輔級級后冷卻器、輔級回?zé)崞?、輔級冷端換熱器輔級、脈管、輔級熱端換熱器，順次連接的兩個輔級脈管制冷機單元中，N-1級的輔級脈管制冷機單元的輔級熱端換熱器和N級輔級脈管制冷機單元的輔級級后冷卻器中去除任意一個。這些輔級脈管制冷機單元中的輔級冷端換熱器分別都用熱橋與主級回?zé)崞鞯南嗤蛘卟煌课贿B接，由于離主級脈管制冷機單元越遠的輔級脈管制冷機單元能夠回收的聲功越小，制冷溫度也達不到很低，熱橋可以連接在離主級級后冷卻器稍近的部位。
[0046]這種結(jié)構(gòu)在溫度略高的溫區(qū)(如150K以上)是比較好的，因為這個溫區(qū)對相位的要求沒有那么高。對于在這個溫區(qū)的大功率應(yīng)用場合也有良好的應(yīng)用前景。
【權(quán)利要求】
1.一種回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，包括主級脈管制冷機單元和輔級脈管制冷機單元，所述的主級脈管制冷機單元(PTUl)包括主級壓縮機(Cl)、與主級壓縮機(Cl)出氣口依次連通的主級級后冷卻器(HX1)、主級回?zé)崞?RG1)、主級冷端換熱器(HX2)、主級脈管(PTl)和主級熱端換熱器(HX3);其特征在于，所述的輔級脈管制冷機單元(PTU2)包括與主級熱端換熱器(HX3)遠離主級脈管(PTl)的一端依次連通的輔級回?zé)崞?RG2)、輔級冷端換熱器(HX5)、輔級脈管(PT2)、輔級熱端換熱器(HX6)和調(diào)相元件(R);所述的輔級冷端換熱器(HX5)通過一熱橋(TB)對主級回?zé)崞?RGl)或者主級級后冷卻器(HXl)進行冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在在于，所述的輔級回?zé)崞?RG2)與所述的主級熱端換熱器(HX3)之間通過一傳輸管(TP)連通，該傳輸管的長度為室溫下氦工質(zhì)波長的四分之一或三分之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在在于，所述的輔級回?zé)崞?RG2)與所述傳輸管(TP)相連的一端設(shè)有輔級級后冷卻器(HX4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在在于，所述的主級級后冷卻器(HX1)、主級冷端換熱器(HX2)、主級熱端換熱器(HX3)、輔級級后冷卻器(HX4)、輔級冷端換熱器(HX5)、輔級熱端換熱器(HX6)為錐形狹縫式換熱器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在在于，所述的熱橋(TB)與主級回?zé)崞?RGl)的連接處將主級回?zé)崞?RGl)分成兩部分，分別為:與主級級后冷卻器(HXl)相連的主級回?zé)崞鞯谝欢?RG11)、和與主級冷端換熱器(HX2)相連的主級回?zé)崞鞯诙?RG12);所述的主級回?zé)崞鞯谝欢?RGll)占主級回?zé)崞?RGl)總長度的1/3?3/4。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在在于，所述的主級回?zé)崞鞯谝欢?RGll)與主級回?zé)崞鞯诙?RG12)外徑比為4:3?2。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在在于，所述的主級回?zé)崞?RGl)為外徑逐漸縮小的錐形結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1?7任一權(quán)利要求所述的回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在在于，所述的調(diào)相元件(R)為帶氣庫的慣性管結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1?7任一權(quán)利要求所述的回收聲功的級聯(lián)型脈管制冷機，其特征在于，所述的調(diào)相元件(R)包括與輔級熱端換熱器(HX6)相連的輔級傳輸管、以及與輔級傳輸管另一端依次連通的二級輔級級后冷卻器、二級輔級回?zé)崞?、二級輔級冷端換熱器、二級輔級脈管、二級輔級脈管熱端換熱器和二級輔級調(diào)相元件；所述的二級輔級冷端換熱器通過二級熱橋?qū)λ龅闹骷壔責(zé)崞?RGl)進行冷卻。
【文檔編號】F25B9/14GK103808057SQ201410031723
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】甘智華, 吳鎂, 王龍一, 劉東立, 朱佳凱, 陶軒, 鄧皓仁, 劉雨夢, 孫瀟 申請人:浙江大學(xué)