回收聲功的脈管和j-t節(jié)流復(fù)合型低溫制冷的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，包括脈管制冷單元和J-T節(jié)流制冷單元，所述脈管制冷單元包括脈管，該脈管內(nèi)設(shè)有與所述脈管內(nèi)壁滑動(dòng)且密封配合的活塞，該活塞將脈管內(nèi)部空間分隔為兩部分，分別為壓縮腔和脈沖腔；所述J-T節(jié)流制冷單元包括壓縮機(jī)以及與壓縮機(jī)高壓出口連通的高壓側(cè)管路，該壓縮機(jī)高壓出口和高壓測(cè)管路入口，通過一帶有進(jìn)排氣閥組的管路與所述壓縮腔單向連通。本發(fā)明回收脈管熱端聲功用于提高J-T節(jié)流制冷單元的高壓壓力，相比現(xiàn)有技術(shù)，其整機(jī)具備更緊湊的結(jié)構(gòu)，更合理的能量利用和更高的整機(jī)制冷性能。
【專利說明】回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低溫制冷系統(tǒng)，具體是涉及一種回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]回?zé)崾降蜏刂评浼夹g(shù)以斯特林制冷機(jī)、G-M制冷機(jī)和脈管制冷機(jī)為代表，利用氣體工質(zhì)在轉(zhuǎn)變溫度以上，壓力相對(duì)較低時(shí)所表現(xiàn)的理想氣體性質(zhì)能夠在15K以上溫區(qū)獲得較高的制冷性能，且已成熟應(yīng)用于地面甚至空間等低溫制冷領(lǐng)域。J-T節(jié)流利用了氣體工質(zhì)在轉(zhuǎn)變溫度以下、壓力相對(duì)較高時(shí)所表現(xiàn)的非理想氣體性質(zhì)得到較高效的制冷效果。因此采用回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)用于預(yù)冷J-T節(jié)流制冷機(jī)，并同時(shí)采用氦氣作為工質(zhì)的復(fù)合型低溫制冷技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在15K以下溫區(qū)，特別是液氦溫區(qū)的高效制冷。
[0003]在空間應(yīng)用和其他一些體積重量和可靠性要求極高的場(chǎng)合，單位體積(質(zhì)量)的制冷量和使用壽命成為了選用制冷機(jī)的限制條件。在這些苛刻的要求下，采用線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的斯特林制冷機(jī)和斯特林型脈管制冷機(jī)與J-T節(jié)流制冷機(jī)組成的復(fù)合型低溫制冷機(jī)已成為主流技術(shù)。
[0004]線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的斯特林制冷機(jī)雖可通過高精度的設(shè)計(jì)制造，獲得較長(zhǎng)的使用壽命，且其理想制冷COP為卡諾制冷C0P，但其存在的冷端運(yùn)動(dòng)部件仍是不可靠因素，兩級(jí)排出器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)加工成本巨大，并且排出器電機(jī)和消除振動(dòng)的裝置占制冷機(jī)總體積和總重量的比重相當(dāng)可觀。
[0005]脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與J-T節(jié)流制冷機(jī)組成的復(fù)合型制冷系統(tǒng)中只有壓縮機(jī)和脈管壓縮機(jī)為運(yùn)動(dòng)部件，無冷端運(yùn)動(dòng)部件，設(shè)計(jì)加工相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性容易保證。其缺點(diǎn)是，理想制冷COP為Te/TH，小于斯特林制冷機(jī)理想制冷COP=Te/ (Th-Tc)。
[0006]目前針對(duì)脈管制冷機(jī)改進(jìn)的報(bào)道較多，例如申請(qǐng)公布號(hào)為CN103216966A的專利文獻(xiàn)公開了一種自由活塞式脈管制冷機(jī)，包括至少一個(gè)制冷單元，所述制冷單元包括依次連接的壓縮裝置、回?zé)崞?、冷端換熱器、脈管以及脈管熱端換熱器，所述脈管內(nèi)置有一個(gè)自由活塞系統(tǒng)，所述自由活塞系統(tǒng)包括自由活塞和彈簧，所述自由活塞與脈管間隙配合并通過彈簧與脈管熱端換熱器相連。上述技術(shù)方案在脈管內(nèi)放置一個(gè)自由活塞系統(tǒng)，在脈管中的自由活塞不僅可以取代脈管制冷機(jī)中的氣體活塞以回收氣體的膨脹功從而提高脈管制冷機(jī)的本征效率，而且還可以實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)，從而省去了慣性管和氣庫(kù)等結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的調(diào)相機(jī)構(gòu)，使制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊。
[0007]但是，與其他脈管制冷機(jī)相同，上述脈管制冷機(jī)存在如下技術(shù)問題:脈管熱端換熱器中存在的聲功會(huì)在調(diào)相機(jī)構(gòu)中耗散成等值的熱量，這部分能量均沒有得到有效利用，造成資源的浪費(fèi)，同時(shí)也限制了脈管制冷機(jī)COP的進(jìn)一步提高。而且，該方案仍無法解決脈管制冷機(jī)在15K以下溫區(qū)實(shí)現(xiàn)高效制冷的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明提供了 一種回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，該制冷系統(tǒng)制冷性能高，且同時(shí)具備結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
[0009]一種回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，包括脈管制冷單元和J-T節(jié)流制冷單元，所述脈管制冷單元包括脈管，該脈管內(nèi)設(shè)有與所述脈管內(nèi)壁滑動(dòng)且密封配合的活塞，該活塞將脈管內(nèi)部空間分隔為兩部分，分別為壓縮腔和脈沖腔；所述J-T節(jié)流制冷單元包括壓縮機(jī)以及與壓縮機(jī)高壓出口連通的高壓側(cè)管路，該壓縮機(jī)的高壓出口和其高壓側(cè)管路入口通過一帶有進(jìn)排氣閥組的管路與所述壓縮腔單向連通。
[0010]采用上述方案，能夠充分利用脈管制冷機(jī)中聲功，同時(shí)提高了 J-T節(jié)流制冷單元的壓比，優(yōu)化了復(fù)合型制冷機(jī)整機(jī)的能量利用過程，提升了整機(jī)性能。
[0011]下面是對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案:
[0012]作為優(yōu)選，所述脈管制冷單元包括壓力波發(fā)生器、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、回?zé)崞鳌⒚}管冷端換熱器和脈管；所述壓力波發(fā)生器出口通過管路依次與回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、回?zé)崞?、脈管冷端換熱器與脈沖腔相連通；所述活塞通過一彈簧與壓縮腔內(nèi)壁相互連接固定。所述彈簧的作用為支撐活塞，并使活塞在脈沖腔的壓力波動(dòng)作用下沿脈管軸線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0013]作為優(yōu)選，所述J-T節(jié)流制冷單元包括壓縮機(jī)、第一級(jí)間壁式換熱器、第一級(jí)預(yù)冷換熱器、節(jié)流前間壁式換熱器、節(jié)流閥和冷端換熱器；按照制冷工質(zhì)流向，壓縮機(jī)高壓出口通過管路依次與進(jìn)排氣閥組的進(jìn)氣閥、壓縮腔、進(jìn)排氣閥組的出氣閥、第一級(jí)間壁式換熱器高壓側(cè)管路、第一級(jí)預(yù)冷換熱器、節(jié)流前間壁式換熱器高壓側(cè)管路、節(jié)流閥和冷端換熱器入口連通，冷端換熱器出口通過管路依次與節(jié)流前間壁式換熱器低壓側(cè)管路、第一級(jí)間壁式換熱器低壓側(cè)管路和壓縮機(jī)低壓入口連通。
[0014]為充分利用脈管制冷機(jī)冷量，提高J-T節(jié)流制冷單元制冷性能，作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述第一級(jí)預(yù)冷換熱器與脈管冷端換熱器接觸換熱。
[0015]為獲得更低的制冷溫度和相應(yīng)更大的制冷量，作為優(yōu)選，所述脈管制冷單元還包括同時(shí)與脈管冷端換熱器連通的氣耦合回?zé)崞鳌⒁约耙来闻c氣耦合回?zé)崞鬟B通的氣耦合脈管冷端換熱器、氣耦合脈管、氣耦合脈管熱端換熱器和氣耦合調(diào)相機(jī)構(gòu)；所述J-T節(jié)流制冷單元還包括第二級(jí)間壁式換熱器和第二級(jí)預(yù)冷換熱器；所述第一級(jí)預(yù)冷換熱器出口先與第二級(jí)間壁式換熱器高壓側(cè)管路和第二級(jí)預(yù)冷換熱器相連后再與節(jié)流前間壁式換熱器高壓側(cè)管路相連；所述節(jié)流前間壁式換熱器低壓側(cè)管路先與第二級(jí)間壁式換熱器低壓側(cè)管路相連后再與第一級(jí)間壁式換熱器低壓側(cè)管路相連；所述第二級(jí)預(yù)冷換熱器與氣耦合脈管冷端換熱器接觸換熱。
[0016]在實(shí)際使用中，作為優(yōu)選，所述氣耦合調(diào)相機(jī)構(gòu)為與氣耦合脈管熱端換熱器連通的慣性管、或與氣耦合脈管熱端換熱器連通的小孔閥與氣庫(kù)的組合。或者，為進(jìn)一步回收能量，提高整機(jī)性能，所述氣耦合調(diào)相機(jī)構(gòu)為與所述氣耦合脈管熱端換熱器內(nèi)壁滑動(dòng)且密封配合的活塞、以及將該活塞與所述氣耦合脈管熱端換熱器固定的彈簧結(jié)構(gòu)。
[0017]為提高氣耦合脈管換熱器處制冷性能，作為優(yōu)選，所述氣耦合調(diào)相機(jī)構(gòu)與所述脈管冷端換熱器接觸換熱。此方法有利于解決室溫下小聲功調(diào)相不足的問題，以此提高脈管制冷機(jī)性能。
[0018]在實(shí)際運(yùn)用中，作為優(yōu)選，壓縮機(jī)采用線性壓縮機(jī)、渦旋式壓縮機(jī)，可以采用二級(jí)甚至更多級(jí)壓縮的形式。線性壓縮機(jī)和渦旋壓縮機(jī)中的浮動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)均能達(dá)到長(zhǎng)壽命、無振動(dòng)等要求，線性壓縮機(jī)是目前空間應(yīng)用的主流技術(shù)，浮動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)單機(jī)可達(dá)120以上壓比，能效高，在低溫制冷機(jī)領(lǐng)域很有潛力。
[0019]在實(shí)際使用中，作為優(yōu)選，壓力波發(fā)生器可采用線性壓縮機(jī)或帶高低壓控制閥(一般為旋轉(zhuǎn)閥，作用是將壓縮機(jī)輸出的直流工質(zhì)在進(jìn)入脈管制冷機(jī)前轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔兞鲃?dòng)的工質(zhì))的渦旋式壓縮機(jī)(包括浮動(dòng)渦旋式壓縮機(jī))。以帶控制閥的渦旋壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)作為壓力波發(fā)生器的脈管制冷機(jī)，一般頻率較低，使回?zé)崞鲹Q熱充分，能夠達(dá)到的溫度較低，但制冷效率較低。以線性壓縮機(jī)作為壓力波發(fā)生器的脈管制冷機(jī)，在較高溫區(qū)(單級(jí)80K左右，兩級(jí)30K左右)效率較高，單位體積制冷量較大。
[0020]為使該制冷機(jī)在不同溫區(qū)提供制冷，作為優(yōu)選，可采用氦、氮、氖、氫或這些工質(zhì)的混合物作為制冷工質(zhì)。
[0021]實(shí)際使用中，作為優(yōu)選，彈簧可采用柱彈簧或者牛津型板彈簧結(jié)構(gòu)。其中，牛津型板彈簧結(jié)構(gòu)能夠保證活塞與脈管之間的間隙，有利于活塞的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
[0022]實(shí)際使用中，作為優(yōu)選第一級(jí)間壁式換熱器、第二級(jí)間壁式換熱器和節(jié)流前間壁式換熱器可采用管套管式換熱器或翅片管換熱器，高效的換熱器是制冷機(jī)整機(jī)高效運(yùn)行的保證。
[0023]根據(jù)理想型脈管制冷機(jī)的基本理論可得，穩(wěn)態(tài)情況下，由回?zé)崞魈庉斎氲穆暪與在回?zé)崞鳠岫藫Q熱器釋放出的熱量Qk數(shù)值上相等，脈管冷端換熱器處的制冷量與脈管熱端換熱器散熱量Qp在數(shù)值上相等，而Qp即為在脈管熱端耗散的聲功Wp所轉(zhuǎn)變而成的熱量，即QP=WP。若采用調(diào)相機(jī)構(gòu)，則這部分聲功也會(huì)在調(diào)相機(jī)構(gòu)中耗散成等值的熱量。若將這部分聲功回收，則脈管制冷機(jī)的理想制冷效率為:
[0024]COP=Qc/ (W-Wp) =Qc/ (Qr-Qp) =Qc/ (Qr-Qc)
[0025]由理想回?zé)崞骺傻肣c/Qk=Tc/Th，代入上式可得回收聲功后脈管制冷機(jī)的理想C0P=Tc/(TH-Tc)，即為卡諾制冷C0P，與斯特林制冷機(jī)理想COP相同。由此可知，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，能夠大大提高制冷系統(tǒng)的C0P，提高制冷性能。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0027]1.活塞、彈簧、和進(jìn)排氣閥組利用脈管中交變壓力波將壓縮機(jī)排出的高壓氣體工質(zhì)進(jìn)一步壓縮，回收了脈管中的聲功，使脈管單元的理想制冷效率提升至卡諾制冷效率，為實(shí)際設(shè)計(jì)制造中提升脈管單元的效率提供了理論依據(jù)；
[0028]2.活塞和彈簧替代了現(xiàn)有技術(shù)中的慣性管和氣庫(kù)等調(diào)相機(jī)構(gòu)，使脈管制冷單元結(jié)構(gòu)更加緊湊。
[0029]3.與斯特林和J-T節(jié)流復(fù)合型制冷機(jī)相比，本發(fā)明完全沒有低溫運(yùn)動(dòng)部件，且從脈管回收的聲功能夠用于提高J-T節(jié)流制冷單元的壓比，減輕了壓縮機(jī)的負(fù)荷，提升了 J-T節(jié)流制冷單元的性能。與不回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型制冷機(jī)相比，本發(fā)明整機(jī)效率更高，結(jié)構(gòu)更加緊湊。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)示意圖。
[0031]圖2為本發(fā)明的回收聲功的兩級(jí)脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)示意圖。
[0032]其中:1:壓縮機(jī)、2:進(jìn)排氣閥組、3:第一級(jí)間壁式換熱器、4:第一級(jí)預(yù)冷換熱器、5:節(jié)流前間壁式換熱器、6:節(jié)流閥、7:冷端換熱器、8:壓力波發(fā)生器、9:回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、10:回?zé)崞鳌?1:脈管冷端換熱器、12:脈管、13:活塞、14:彈簧、15:壓縮腔換熱器、16:壓縮腔、17:脈沖腔、18:氣稱合回?zé)崞鳌?9:氣稱合脈管冷端換熱器、20:氣稱合脈管、21:氣耦合脈管熱端換熱器、22:氣耦合調(diào)相機(jī)構(gòu)、23:第二級(jí)間壁式換熱器、24:第二級(jí)預(yù)冷換熱器。
【具體實(shí)施方式】
[0033]實(shí)施例1
[0034]如圖1所示，一種回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，包括脈管制冷單元和J-τ節(jié)流制冷單元。
[0035]脈管制冷單元包括壓力波發(fā)生器8、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器9、回?zé)崞?0、脈管冷端換熱器11、脈管12、壓縮腔換熱器15。脈管12內(nèi)腔設(shè)有活塞13，活塞13與脈管12間隙配合，活塞13將脈管12內(nèi)部空間分隔為兩部分，分別為壓縮腔16和脈沖腔17，活塞13通過彈簧14與壓縮腔換熱器15壁面相連，彈簧14作用為支撐活塞13，并使活塞在脈沖腔17的壓力波動(dòng)作用下沿脈管12軸線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0036]J-T節(jié)流制冷單元包括壓縮機(jī)1、進(jìn)排氣閥組2、第一級(jí)間壁式換熱器3、第一級(jí)預(yù)冷換熱器4、節(jié)流前間壁式換熱器5、節(jié)流閥6和冷端換熱器7。
[0037]上述部件的連接關(guān)系為:
[0038]J-T節(jié)流制冷單元中:按照制冷劑流向，壓縮機(jī)I的高壓出口通過管路依次與進(jìn)排氣閥組2的進(jìn)氣閥、壓縮腔換熱器15、壓縮腔16、進(jìn)排氣閥組2的排氣閥、第一級(jí)間壁式換熱器3高壓側(cè)管路、第一級(jí)預(yù)冷換熱器4，節(jié)流前間壁式換熱器5高壓側(cè)管路、節(jié)流閥6和冷端換熱器7入口連通，冷端換熱器7出口通過管路依次與節(jié)流前間壁式換熱器5低壓側(cè)管路、第一級(jí)間壁式換熱器3低壓側(cè)管路和壓縮機(jī)I低壓入口連通；
[0039]脈管制冷單元中:壓力波發(fā)生器8出口通過管路依次與回?zé)崞鳠岫藫Q熱器9和回?zé)崞?0相連通，回?zé)崞?0通過脈管冷端換熱器11與脈沖腔17相連通。
[0040]第一級(jí)預(yù)冷換熱器4與脈管冷端換熱器11接觸換熱。
[0041]本實(shí)施方式中工質(zhì)的運(yùn)行過程為:
[0042]對(duì)于J-T節(jié)流制冷單元，制冷劑的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程為:制冷劑由壓縮機(jī)I壓縮至高壓并排出后由進(jìn)排氣閥2的進(jìn)氣閥吸入壓縮腔16，再次壓縮后依次流經(jīng)第一級(jí)間壁式換熱器3的高壓側(cè)管路、第一級(jí)預(yù)冷換熱器4和節(jié)流前間壁式換熱器5的高溫側(cè)管路，進(jìn)入節(jié)流閥6處等焓節(jié)流至低壓并達(dá)到氣體工質(zhì)兩相區(qū)后進(jìn)入冷端換熱器7，經(jīng)冷端換熱器7與外界換熱完全氣化后的氣體工質(zhì)依次流經(jīng)節(jié)流前間壁式換熱器5的低壓側(cè)管路和第一級(jí)間壁式換熱器3的低壓側(cè)管路后返回壓縮機(jī)I。第一級(jí)預(yù)冷換熱器所需預(yù)冷量由脈管制冷單元脈管冷端換熱器11處的制冷量提供。
[0043]對(duì)于脈管預(yù)冷單元，其運(yùn)行過程為:
[0044]壓力波發(fā)生器8產(chǎn)生壓力波動(dòng)，輸入脈管單元中，由于脈管制冷機(jī)本身的制冷特性，致使脈管冷端換熱器11產(chǎn)生溫降，回?zé)崞?0中建立溫度梯度，致使脈管冷端換熱器11處產(chǎn)生的溫降逐漸積累，最終達(dá)到提供相應(yīng)制冷量時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)。
[0045]本實(shí)施方式中，系統(tǒng)安裝完畢后，對(duì)制冷機(jī)整機(jī)內(nèi)部抽真空至KT1Pa左右，然后充入高純氦氣，保持5分鐘左右再對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部抽真空至KT1Pa左右。如此反復(fù)抽真空充氣3?4次后，最終充入工作壓力的高純工質(zhì)，即可保證系統(tǒng)中工質(zhì)的純度。關(guān)閉進(jìn)排氣閥組2功能，使進(jìn)排氣管路截?cái)?，打開壓力波發(fā)生器8的驅(qū)動(dòng)電源，調(diào)節(jié)至最佳工作頻率和輸入功并等待其達(dá)到穩(wěn)定后，需保證第一級(jí)預(yù)冷換熱器4溫度低于工質(zhì)轉(zhuǎn)變溫度，打開壓縮機(jī)I的驅(qū)動(dòng)電源并使進(jìn)排氣閥2正常工作，調(diào)壓縮機(jī)I至適當(dāng)工作頻率和輸入功，在冷端換熱器7溫度下降過程中不斷調(diào)節(jié)壓縮機(jī)I和壓力波發(fā)生器8的工況，以保證第一級(jí)預(yù)冷換熱器4的溫度穩(wěn)定在轉(zhuǎn)變溫度以下，直至冷端換熱器7溫度穩(wěn)定在工質(zhì)兩相區(qū)溫度，此時(shí)即可在冷端換熱器7處獲得所需制冷溫度的制冷量。
[0046]實(shí)施例2
[0047]如圖2所示，一種回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，本實(shí)施例中脈管制冷單元采用氣耦合兩級(jí)節(jié)構(gòu)，與實(shí)施例1不同之處在于:
[0048]J-T節(jié)流制冷單元還包括第二級(jí)間壁式換熱器23和第二級(jí)預(yù)冷換熱器24。第一級(jí)預(yù)冷換熱器4出口先與第二級(jí)間壁式換熱器23高壓側(cè)管路和第二級(jí)預(yù)冷換熱器24相連后再與節(jié)流前間壁式換熱器5高壓側(cè)管路相連；節(jié)流前間壁式換熱器5低壓側(cè)管路先與第二級(jí)間壁式換熱器23低壓側(cè)管路相連后再與第一級(jí)間壁式換熱器3低壓側(cè)管路相連。脈管制冷單元還包括同時(shí)與脈管冷端換熱器11連通的氣耦合回?zé)崞?8，且氣耦合回?zé)崞?8通過氣耦合脈管冷端換熱器19與氣耦合脈管20連通，氣耦合脈管依次與氣耦合脈管熱端換熱器21和氣耦合調(diào)相機(jī)構(gòu)22連通。
[0049]第一級(jí)預(yù)冷換熱器4與脈管冷端換熱器11接觸換熱，第二級(jí)預(yù)冷換熱器24與氣耦合脈管冷端換熱器19接觸換熱。
[0050]本實(shí)施方式中，系統(tǒng)安裝完畢后，對(duì)制冷機(jī)整機(jī)內(nèi)部抽真空至KT1Pa左右，然后充入高純氦氣，保持5分鐘左右再對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部抽真空至KT1Pa左右。如此反復(fù)抽真空充氣3?4次后，最終充入工作壓力的高純工質(zhì)，即可保證系統(tǒng)中工質(zhì)的純度。關(guān)閉進(jìn)排氣閥組2功能，使進(jìn)排氣管路截?cái)?，打開壓力波發(fā)生器8的驅(qū)動(dòng)電源，調(diào)節(jié)至最佳工作頻率和輸入功并等待其達(dá)到穩(wěn)定后，需保證第二級(jí)預(yù)冷換熱器24溫度低于工質(zhì)轉(zhuǎn)變溫度，打開壓縮機(jī)I的驅(qū)動(dòng)電源并使進(jìn)排氣閥2正常工作，調(diào)壓縮機(jī)I至適當(dāng)工作頻率和輸入功，在冷端換熱器7溫度下降過程中不斷調(diào)節(jié)壓縮機(jī)I和壓力波發(fā)生器8的工況，以保證第二級(jí)預(yù)冷換熱器24的溫度穩(wěn)定在轉(zhuǎn)變溫度以下，直至冷端換熱器7溫度穩(wěn)定在工質(zhì)兩相區(qū)溫度，此時(shí)即可在冷端換熱器7處獲得所需制冷溫度的制冷量。
[0051]以圖2為例，并進(jìn)行假設(shè):工質(zhì)為氦-4 ;第一級(jí)中脈管12充氣壓力為2MPa，第一級(jí)中脈管12熱端壓力波波峰與波谷的比值能夠達(dá)到1.1 ;壓縮機(jī)I能夠?qū)?.1MPa的低壓工質(zhì)壓縮至1.9MPa ;第一級(jí)間壁式換熱器3、第二級(jí)間壁式換熱器23和節(jié)流前間壁式換熱器5的換熱效率為0.97 ;壓縮機(jī)壓縮過程無熵產(chǎn)，且排氣溫度為300K ;冷端換熱器7的制冷溫度為0.1MPa下氦-4的飽和溫度；第一級(jí)預(yù)冷換熱器4的預(yù)冷溫度為80K，第二級(jí)預(yù)冷換熱器24的預(yù)冷溫度為20K。
[0052]通過模擬計(jì)算可得:
[0053]若不采用回收聲功裝置，則J-T節(jié)流循環(huán)高壓側(cè)壓力為壓縮機(jī)I出口壓力1.9MPa，此時(shí)冷端換熱器7處可獲得5.15kff/kg的制冷量，壓縮機(jī)I的理想功耗為1840kW/kg，第一級(jí)預(yù)冷換熱器4所需脈管制冷機(jī)提供的預(yù)冷量為26.44kff/kg,第二級(jí)預(yù)冷換熱器24所需脈管制冷機(jī)提供的預(yù)冷量為19.08kW/kg。
[0054]若采用回收聲功的結(jié)構(gòu)，則J-T節(jié)流循環(huán)壓縮機(jī)I出口的工質(zhì)在壓縮腔16內(nèi)進(jìn)一步增壓至2.1MPa，此時(shí)冷端換熱器7處可獲得5.721kW/kg的制冷量，提升11.11%;壓縮機(jī)I的理想功耗仍為1840kW/kg ;第一級(jí)預(yù)冷換熱器4所需脈管制冷機(jī)提供的預(yù)冷量為26.59kW/kg，僅增加0.6%，第二級(jí)預(yù)冷換熱器24所需脈管制冷機(jī)提供的預(yù)冷量為20.15kff/kg，僅增加5.6%。而僅由壓縮機(jī)I壓縮至2.1MPa，則壓縮機(jī)I的理想功耗將增加至1903kW/kg，而此增幅僅為理想功耗的增幅，將因壓縮機(jī)I的各類不可逆因素而放大。
[0055]結(jié)合脈管制冷機(jī)的效率分析可得結(jié)論:在壓縮機(jī)I和壓力波發(fā)生器8兩者輸入功不變的情況下，從脈管中回收的功可用于壓縮J-T節(jié)流制冷機(jī)中的工質(zhì)，提高J-T節(jié)流循環(huán)高壓壓力，有利于提升J-T節(jié)流制冷機(jī)的制冷性能，采用回收聲功的結(jié)構(gòu)能夠提高冷端換熱器7處的制冷量，從而提升整機(jī)的制冷效率。
【權(quán)利要求】
1.一種回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，包括脈管制冷單元和J-T節(jié)流制冷單元，其特征在于，所述脈管制冷單元包括脈管(12)，該脈管(12)內(nèi)設(shè)有與所述脈管(12)內(nèi)壁滑動(dòng)且密封配合的活塞(13)，該活塞將脈管(12)內(nèi)部空間分隔為兩部分，分別為壓縮腔(16)和脈沖腔(17);所述J-T節(jié)流制冷單元包括壓縮機(jī)(I)以及與壓縮機(jī)(I)高壓出口連通的高壓側(cè)管路，該壓縮機(jī)的高壓出口和其高壓側(cè)管路入口通過一帶有進(jìn)排氣閥組(2)的管路與所述壓縮腔(16)單向連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，其特征在于，所述脈管制冷單元包括壓力波發(fā)生器(8)、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器(9)、回?zé)崞?10)、脈管冷端換熱器(11)和脈管(12);所述壓力波發(fā)生器(8)出口通過管路依次與回?zé)崞鳠岫藫Q熱器(9)、回?zé)崞?10)、脈管冷端換熱器(11)與脈沖腔(17)相連通；所述活塞通過一彈簧(14)與壓縮腔(16)內(nèi)壁相互連接固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，其特征在于，所述J-T節(jié)流制冷單元包括壓縮機(jī)(I)、第一級(jí)間壁式換熱器(3)、第一級(jí)預(yù)冷換熱器(4)、節(jié)流前間壁式換熱器(5)、節(jié)流閥(6)和冷端換熱器(7)； 按照制冷工質(zhì)流向，壓縮機(jī)(I)高壓出口通過管路依次與進(jìn)排氣閥組(2)的進(jìn)氣閥、壓縮腔(16)、進(jìn)排氣閥組(2)的出氣閥、第一級(jí)間壁式換熱器(3)高壓側(cè)管路、第一級(jí)預(yù)冷換熱器(4)、節(jié)流前間壁式換熱器(5)高壓側(cè)管路、節(jié)流閥(6)和冷端換熱器(7)入口連通，冷端換熱器(7)出口通 過管路依次與節(jié)流前間壁式換熱器(5)低壓側(cè)管路、第一級(jí)間壁式換熱器(3 )低壓側(cè)管路和壓縮機(jī)(I)低壓入口連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，其特征在于，所述第一級(jí)預(yù)冷換熱器(4)與脈管冷端換熱器(11)接觸換熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，其特征在于，所述脈管制冷單元還包括同時(shí)與脈管冷端換熱器(11)連通的氣耦合回?zé)崞?18)、以及依次與氣耦合回?zé)崞?18)連通的氣耦合脈管冷端換熱器(19)、氣耦合脈管(20)、氣耦合脈管熱端換熱器(21)和氣耦合調(diào)相機(jī)構(gòu)(22)； 所述J-T節(jié)流制冷單元還包括第二級(jí)間壁式換熱器(23)和第二級(jí)預(yù)冷換熱器(24);所述第一級(jí)預(yù)冷換熱器(4)出口先與第二級(jí)間壁式換熱器(23)高壓側(cè)管路和第二級(jí)預(yù)冷換熱器(24)相連后再與節(jié)流前間壁式換熱器(5)高壓側(cè)管路相連；所述節(jié)流前間壁式換熱器(5)低壓側(cè)管路先與第二級(jí)間壁式換熱器(23)低壓側(cè)管路相連后再與第一級(jí)間壁式換熱器(3)低壓側(cè)管路相連； 所述第二級(jí)預(yù)冷換熱器(24)與氣耦合脈管冷端換熱器(19)接觸換熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，其特征在于，所述氣耦合調(diào)相機(jī)構(gòu)(22)為與氣耦合脈管熱端換熱器(21)連通的慣性管、或與氣耦合脈管熱端換熱器(21)連通的小孔閥與氣庫(kù)的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，其特征在于，所述氣耦合調(diào)相機(jī)構(gòu)(22)為與所述氣耦合脈管熱端換熱器(21)內(nèi)壁滑動(dòng)且密封配合的活塞、以及將該活塞與所述氣耦合脈管熱端換熱器(21)固定的彈簧結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，其特征在于，所述氣耦合調(diào)相機(jī)構(gòu)(22)與所述脈管冷端換熱器(11)接觸換熱。
9.根據(jù)權(quán)利要求1~8任一權(quán)項(xiàng)所述的回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，其特征在于，所述壓縮機(jī)(I)采用線性壓縮機(jī)、渦旋式壓縮機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1~8任一權(quán)項(xiàng)所述的回收聲功的脈管和J-T節(jié)流復(fù)合型低溫制冷機(jī)，其特征在于，所述壓力波發(fā)生器(8)采用線性壓縮機(jī)、帶高低壓控制閥的渦旋式壓縮機(jī)。
【文檔編號(hào)】F25B9/00GK103808056SQ201410033793
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】劉東立, 甘智華, 郭永祥, 陶軒, 鄧皓仁, 孫瀟, 王博, 王龍一 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)