低溫制冷機(jī)閥組及gm型脈管制冷機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于低溫制冷領(lǐng)域，尤其涉及一種低溫制冷機(jī)閥組以及帶有該低溫制冷機(jī)閥組的GM型脈管制冷機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著低溫制冷機(jī)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來(lái)越擴(kuò)大。尤其4K低溫制冷機(jī)在小規(guī)模氦液化及再凝縮、超導(dǎo)傳感器及超導(dǎo)儀器的冷卻、超導(dǎo)磁體的干式冷卻、Sub-Kelvin制冷機(jī)的預(yù)冷卻、材料的低溫物性研宄等很多方面被應(yīng)用。當(dāng)前主流的4K溫區(qū)低溫制冷機(jī)按照制冷循環(huán)方式不同可以分為GM制冷機(jī)和GM型脈管制冷機(jī)兩種，其中GM型脈管制冷機(jī)的發(fā)展特別快。當(dāng)前小功率4K GM型脈管制冷機(jī)的研宄和發(fā)展面臨制冷效率很難提高的問題。因?yàn)楹?4壓縮機(jī)的輸入功率小，目前小功率4K GM型脈管制冷機(jī)的整體效率仍然不高。為了提高制冷機(jī)的效率，需要對(duì)制冷機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，盡量減少各種各樣的損失。
[0003]4K GM型脈管制冷機(jī)在結(jié)構(gòu)上可分為兩種(用一套壓縮機(jī)):
[0004]如圖1所示，4K GM型脈管制冷機(jī)的第一種結(jié)構(gòu)包括依次連接的:壓縮機(jī)1、旋轉(zhuǎn)閥
2、熱端換熱器3、第一級(jí)部分和第二級(jí)部分，其中第一級(jí)部分包括:一級(jí)回?zé)崞?，一級(jí)回?zé)崞骼涠藫Q熱器5、一級(jí)冷端流體通道6、一級(jí)脈管冷端換熱器7、一級(jí)脈管8、一級(jí)脈管熱端換熱器9、一級(jí)氣庫(kù)10、一級(jí)小孔閥18、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥119、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥1120，第二級(jí)部分包括:二級(jí)回?zé)崞?1、二級(jí)回?zé)崞骼涠藫Q熱器12、二級(jí)冷端流體通道13、二級(jí)脈管冷端換熱器14、二級(jí)脈管15、二級(jí)脈管熱端換熱器16、二級(jí)氣庫(kù)17、二級(jí)小孔閥21、二級(jí)雙向進(jìn)氣閥122、二級(jí)雙向進(jìn)氣閥1123。
[0005]如圖2所示，4K GM型脈管制冷機(jī)的第二種結(jié)構(gòu)。跟第一種相比，都是由一個(gè)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，但是質(zhì)量流量分配的方法不一樣。第二種結(jié)構(gòu)的工作氣體的質(zhì)量流量在制冷機(jī)的熱端分配到兩級(jí)，因此第一級(jí)的冷端沒有分配流體的通道。
[0006]針對(duì)上述結(jié)構(gòu)的4K GM型脈管制冷機(jī)，4K GM型脈管制冷機(jī)的第一級(jí)是預(yù)冷部分、第二級(jí)是4K溫區(qū)部分，制冷機(jī)的工作過(guò)程為:壓縮機(jī)I的出口設(shè)有工作流體(氦-4)的高壓(排出)及低壓(吸入)管子。通過(guò)跟壓縮機(jī)連結(jié)的旋轉(zhuǎn)閥2，產(chǎn)生氦-4的壓力波動(dòng)。由于氦-4的周期的壓力波動(dòng)，氦-4在回?zé)崞?一級(jí)回?zé)崞?和二級(jí)回?zé)崞?1)內(nèi)進(jìn)行和填料換熱，在脈管(一級(jí)脈管8和二級(jí)脈管15)內(nèi)進(jìn)行絕熱壓縮及膨脹。隨著這個(gè)過(guò)程的反復(fù)，冷端的溫度漸漸降低。在第一種結(jié)構(gòu)的兩級(jí)脈管制冷機(jī)中，氦-4的質(zhì)量流量在兩級(jí)之間由一級(jí)冷端流體通道6分配到兩部分:一部分進(jìn)入一級(jí)脈管冷端換熱器7，另一部分進(jìn)入二級(jí)回?zé)崞?1的熱端。一級(jí)小孔閥18、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥119、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥1120調(diào)節(jié)一級(jí)脈管熱端的質(zhì)量流量以及它和壓力之間的相位差，從而影響一級(jí)的制冷性能。二級(jí)小孔閥21、二級(jí)雙雙向進(jìn)氣閥122、二級(jí)雙向進(jìn)氣閥II 23對(duì)二級(jí)的影響亦如此。為了達(dá)到4K溫區(qū)，回?zé)崞?一級(jí)回?zé)崞?和二級(jí)回?zé)崞?1)及脈管(一級(jí)脈管8和二級(jí)脈管15)的作用很重要，而且六個(gè)閥門的調(diào)節(jié)的優(yōu)化也非常重要。原因如下:4K GM型脈管制冷機(jī)的制冷性能很大程度上依賴?yán)涠藟毫蜌怏w質(zhì)量流量的相位差。相位差的優(yōu)化由上述的六個(gè)閥門(一級(jí)小孔閥18、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥I 19、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥II 20、二級(jí)小孔閥21、二級(jí)雙雙向進(jìn)氣閥I 22、二級(jí)雙向進(jìn)氣閥II 23)的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了達(dá)到4K溫區(qū)，雙向進(jìn)氣閥(一級(jí)雙向進(jìn)氣閥I 19、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥1120、二級(jí)雙雙向進(jìn)氣閥I 22、二級(jí)雙向進(jìn)氣閥II 23)的作用尤其重要。因?yàn)檫@些閥門調(diào)節(jié)流體直流，因此影響到流體的焓流，從而影響4K溫區(qū)的制冷性能。
[0007]現(xiàn)有的4K GM型脈管制冷機(jī)仍然存在制冷效率低的問題。另外，現(xiàn)有的4K GM型脈管制冷機(jī)在壓縮機(jī)與回?zé)崞?、或者氣?kù)與脈管熱端換熱器之間需要設(shè)置許多管路和多個(gè)上述的閥門，結(jié)構(gòu)繁瑣，同時(shí)導(dǎo)致了各種損失的存在:如在旋轉(zhuǎn)閥、工作流體四通道等處的損失，其制冷效率比4KGM制冷機(jī)低，尤其小功率脈管制冷機(jī)。
[0008]現(xiàn)有的4KGM型脈管制冷機(jī)的壓縮機(jī)功率、壓比、工作流體的質(zhì)量流量分別大于
1.7kW、l.5、3g/s，因此在閥門處PV功的損失很小。
[0009]但是小功率4KGM型脈管制冷機(jī)的壓縮機(jī)功率、壓比、工作流體的質(zhì)量流量分別小于1.3kW、1.5、2.5g/s，因此不能忽視在閥門處PV功的損失，應(yīng)要盡量減少。并且為了達(dá)到4K溫區(qū)，理論上工作流體的質(zhì)量流量越小，所有閥門總體的優(yōu)化微細(xì)調(diào)節(jié)越重要。
[0010]當(dāng)前還是沒有對(duì)于小功率4KGM型脈管制冷機(jī)的研宄，所以沒有可應(yīng)用的包含閥組及熱端換熱器一起的緊湊設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種低溫制冷機(jī)閥組以及帶有該低溫制冷機(jī)閥組的GM型脈管制冷機(jī)，該低溫制冷機(jī)閥組能有效減少水力阻力，降低壓縮工質(zhì)損失，提高制冷效率。
[0012]一種低溫制冷機(jī)閥組，包括一級(jí)小孔閥、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥1、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥I1、二級(jí)小孔閥、二級(jí)雙向進(jìn)氣閥I以及二級(jí)雙向進(jìn)氣閥II，還包括閥門體，所述一級(jí)小孔閥、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥1、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥I1、二級(jí)小孔閥、二級(jí)雙向進(jìn)氣閥I以及二級(jí)雙向進(jìn)氣閥II均固定在閥門體上，同時(shí)所述閥門體上設(shè)有將各閥門對(duì)應(yīng)接口連通的流道。
[0013]本發(fā)明中，各閥門之間的連通關(guān)系可采用現(xiàn)有的方案。根據(jù)本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)閥出口的小部分流體分配到兩級(jí)的雙向進(jìn)氣閥門，通過(guò)這些雙向進(jìn)氣閥門、脈管熱端的流體一起流到小孔閥門。采用本發(fā)明的方案，直接將各個(gè)端口與制冷機(jī)的各個(gè)端口連接，降低了安裝難度，省去了繁瑣的管路連接。
[0014]作為優(yōu)選，所述流道包括:
[0015]貫穿所述閥門體的主流道；用于連接旋轉(zhuǎn)閥和一級(jí)回?zé)崞鞯臒岫耍?br>[0016]設(shè)置在閥門體一端的第一分流道和第二分流道；分別用于與一級(jí)氣庫(kù)和二級(jí)氣庫(kù)連接；
[0017]設(shè)置在閥門體另一端的第三分流道和第四分流道；分別用于與一級(jí)脈管和二級(jí)脈管的連接；
[0018]所述一級(jí)雙向進(jìn)氣閥1、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥I1、二級(jí)雙向進(jìn)氣閥I以及二級(jí)雙向進(jìn)氣閥II 一端出口同時(shí)與所述主流道連通；所述一級(jí)小孔閥和二級(jí)小孔閥一端出口分別與所述第一分流道和第二分流通道連通；即一級(jí)小孔閥的一端出口與第一分流道連通，二級(jí)小孔閥的一端出口與第二流道連通；
[0019]所述一級(jí)雙向進(jìn)氣閥1、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥I1、一級(jí)小孔閥另一端出口同時(shí)與第三分流道連通；所述二級(jí)雙向進(jìn)氣閥1、二級(jí)雙向進(jìn)氣閥II和二級(jí)小孔閥同時(shí)與第四分流道連通。
[0020]制冷機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中需要測(cè)量在一些重要部分的流體壓力波動(dòng)。作為優(yōu)選，所述主流道靠近閥門體頂端的側(cè)壁設(shè)有旋轉(zhuǎn)閥出口壓力傳感器，用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)閥出口的壓力波動(dòng)；所述第三分流道、第四分流道側(cè)壁分別設(shè)有一級(jí)脈管熱端壓力傳感器、二級(jí)脈管熱端壓力傳感器，即第三分流道側(cè)壁設(shè)有一級(jí)脈管熱端壓力傳感器，用于檢測(cè)一級(jí)脈管熱端的壓力波動(dòng)；第四分流道的側(cè)壁設(shè)有二級(jí)脈管熱端壓力傳感器，用于檢測(cè)二級(jí)脈管熱端的壓力波動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明提供的設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)閥的出口、兩個(gè)脈管熱端的壓力傳感器設(shè)置在三個(gè)流體通道(流道)的延長(zhǎng)部分。
[0021]作為優(yōu)選，所述一級(jí)小孔閥、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥1、一級(jí)雙向進(jìn)氣閥I1、二級(jí)小孔閥