CN101699194A - 低温单级脉管制冷机 - Google Patents

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Abstract

一种低温单级脉管制冷机，涉及到应用流体喷射产生低温的制冷设备。现有的制冷机只有一个双向进气阀，对直流引起的温度分布不合理，制冷性能较低。本发明采用串联的两个非对称性双向进气阀的组合，将两个流动方向相反的阀门并联排列。采用此结构时，阀门开度可以很大，提高了脉管的内压比，减少了回热，利用流体阻力损失来消除和控制热声器械的直流。本发明不仅有效地控制了直流的影响，同时提高了脉管内压比，改善了回热器性能，提高了制冷机的性能。

Description

低温单级脉管制冷机
技术领域
本发明涉及到一种应用流体喷射的低温制冷设备，特别是一种单级脉管制冷机。
背景技术
为了用脉管制冷机获得20K以下温度，通常需要采用多级制冷的方式，这增加了***结构和调节的复杂性。由简谐运动的压缩机驱动的脉管制冷机中，流动的工作流体是以交变流动为特征的。然而，当脉管制冷机处于双向进气模工作时，在流经脉管、回热器的闭合回路中会引起直流，即使直流流动只占交变质量流的很小比例，它所引起的寄生热量却与脉管制冷机的理论制冷量处于同一数量级。这些从热端流向冷端的附加热流，不仅增加了冷端换热器的负载，降低了脉管制冷机的性能，而且还是引起脉管制冷机制冷温度不稳定的一个重要因素。因此，直流的控制和调节对于提高脉管制冷机性能十分重要。消除和控制直流的方法有很多，例如在高频情况下采用内调相，低频下采用四阀、主动气库型等调相方式来避免直流的产生。这些方法的共同缺点是结构复杂，不利于调节，无法发挥双向进气具有改善会热器性能和提高脉管内压比的优点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：采用一台单级脉管制冷机，直接获得20K以下的温度，简化低温制冷***，降低制冷成本。
本发明要解决其技术问题所要采用的技术方案是：采用串联的两个非对称性双向进气阀的组合，将两个流动方向相反的阀门并联排列，利用流体阻损失来消除和控制热声器械的直流，对直流进行控制，获得所需的低温。
本发明的有益效果是：在改造后的脉管制冷机中，采用了将两个流动方向相反的阀门并联安装的双向进气结构，实行对直流控制。当只有一个双向进气阀未对直流进行控制时，在双向进气阀开度很小的时候就获得最优值，这是由于直流引起的温度分布不合理，使得阀门开度增加而带来的压比增加所引起的有利影响被直流带来的消极影响抵消了。而当采用双阀进行控制和调节时，在对直流进行控制的情况下，双向进气阀开度可以增大，提高了脉管内压比，减少回热器流阻损失，制冷性能得到了改善。
附图说明
图1为制冷机的结构示意图
图2为不同工况下的制冷量曲线
图3为不同双阀门组合时的制冷量曲线
图4为输入功率与制冷量的温度关系
图5为输入功率与COP的关系
具体实施方式
如图1所示：这是一台双向进气型单级脉管制冷机，其结构尺寸如下：脉管1的内径为28mm、长度155mm，回热器4内径32.35mm、长度129mm，回热器4和脉管1的壁厚度均为0.5mm，气体9的体积是2L，冷端换热器5的长度是16mm，脉管冷端换热器2和脉管热端换热器3的长度均为20mm，6是回热器冷头。改造前的回热器4填料全部为247目的不锈钢丝网；改造后的回热器4填料为：1/3回热器长度是直径0.25mm的铅丸。2/3回热器长度是不锈钢丝网。各段对应的填充料分别为：0.6和0.3。冷、热端换热器均为90目紫铜网。连接压缩机和脉管制冷机进排气用旋转阀10的时序为1.22。小孔阀7为高精度可调针阀NUPROM。制冷温度测量采用经过标定的碳玻璃电阻温度计，其测量误差2.58mK。在对该单级制冷机改造前，采用2kW压机驱动，在未对双向进气阀8的直流进行控制时，获得的最低制冷温度为30.5k，仅比单纯的小孔型低1.5k；而在对直流进行控制的情形下最低制冷温度达到24k。可见对直流进行控制是非常必要的。图2给出了单级脉管制冷机在控制直流后制冷量与未控制时的对比曲线。从图2可以看出，在对直流进行控制的情形下，在70K时可以获得比不控制情形下多5W的制冷量。在改造后的脉管制冷饥中，采用了将两个流动方向相反的阀门并联安装的双向进气结构，实行对直流进行控制。当只用一个双向进气阀8未对直流进行控制时，在双向进气阀8开度很小的时候就获得最优值，这是由于直流引起的温度分布不合理，使得阀门开度增加而带来的压比增加所引起的有利影响被直流所带来的消极影响抵消了。而当采用双阀进行控制和凋节时，制冷性能得到了改善，脉管的压比也相应地增加了。在对直流进行控制的情况下，双向进气阀8开度可以增大，以利于提高脉管内压比，减少回热器流阻损失。必须说明，即使双向进气阀8开度很大，由于回热器4和脉管1的压差很小，通过双阀门的流量也是很有限的，不会恶化回热性能。在不对直流进行控制时(只单独开启D1或者D2)，采用NUPROM，阀门开度对于D1，D2分别在40格和55格时获得最低制冷温度，分别为31K和29.7K，图3示出了不同组合的双阀双向进气方式的结果。当采用WH1TEYSS-ORS-3MM时阀门开度有所增加，此时脉管内压比增加、回热器流阻减少达到对直流控制更好的目的。图中采用的NUPRO M，孔径为1.4mm，金开时流量系数为0.03；WH1TEY SS-ORS-3MM孔径为2.0mm，全开时流量系数为0.09，105格时为0.045。图3示出了不同组合的双阀双向进气方式的实验结果。可见，采用NUPRO M与WHITEY SS-ORS-3MM组合时获得了更好的结果，这是因为当采用WH1TEYSS-ORS-3MM时阀门开度有所增加，此时脉管内压比增加、回热器流阻减少以及对直流控制更好的缘故。在另一方面，氦工质在温度低于20k时的非理想性质对制冷机性能有很大的影响，制冷机的需气量也将明显地增大，图4为假定回热器入口的高低压分别为2.1MPa和1.2MPa时，制冷机每半个循环的需气量计算值，在计算过程中假定了温度呈线性分布(从实验温度分布上看这个假设是合理的)，在300k～80k温度段采用集总参数法进行计算，而80k至最低制冷温度段采用分段求解，在程序中将这部分划分成20段，所需的热力参数在程序中调用PROGAS数据库获得。从图4可以看出，随着制冷温度的不断降低，尤其当制冷温度低于20k时，制冷机所需气量将急剧增加，这时，压缩机RW2已经无法提供气量使其制冷温度进一步降低了。因此，采用了压缩机CP4对制冷机性能进行进一步测试.图5为采用不同压缩机时制冷机的制冷量和COP的实验曲线，从图5可以看出，采用压机CP4获得的最低制冷温度为14.7K，在30k时其有29.5w的制冷量。这是目前能获得的单级脉管制冷机的最低记录。从图5可以看出：此时制冷机性能与采用CP4时相比，几乎没有什么提高，这是由于采用CP6驱动，气量过大导致脉管内压比过高，压缩气体无法完全膨胀的缘故，其相对应的COP迅速降低。因此，对于脉管制冷机，选择合适的压缩机驱动对于提高制冷机性能具有十分重要的意义。综上所述，对于双向进气脉管制冷机，直流对于温度和制冷机性能有很能大的影响，为了获得良好的制冷机性能，应对直流进行有效地控制。

Claims (4)

1.一种低温单级脉管制冷机，包括脉管(1)，回热器(4)，气库(5)，小孔阀(7)，旋转阀(10)，其特征是：还包括二个并联布置，箭头指向流动方向相反的双向进气阀(8)对脉管(1)中的直流进行控制，脉管冷端换热器(2)和冷端换热器(5)由冷头(6)封固。
2.根据权利要求1所述的低温单级脉管制冷机，其特征是：所述的回热器(4)冷端换热器(5)的长度是16mm，脉管冷端、热端换热器的长度均为20mm。
3.根据权利要求2所述的低温单级脉管制冷机，其特征是：所述的回热器(4)的填料结构是；1/3回热器长度为直径0.25mm的铅丸、2/3回热器长度为不锈钢丝网，各段对应的填充率分别为：0.6和0.3。
4.根据权利要求1所述的低温单级脉管制冷机，其特征是：所述的脉管冷端、热端换热器均为90目紫铜网，连接压缩机和脉管制冷机进、排气用旋转阀的时序为1.22。
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