採用離心式螺旋型回熱器的4k低溫脈管制冷機及方法
2023-05-25 13:54:51 1
採用離心式螺旋型回熱器的4k低溫脈管制冷機及方法
【專利摘要】本發明涉及一種採用離心式螺旋型回熱器的4K低溫脈管制冷機及方法，屬於製冷【技術領域】。它特點在於三級回熱器（13）低於20K溫區部位增加了離心式螺旋型流道（5），其中離心式螺旋型流道（5）熱端與三級回熱器（13）冷端連接，離心式螺旋型流道（5）冷端與三級冷端換熱器（18）第一端連接；離心式螺旋流道（5）可以使工作於該溫區的流體氦的性質更接近理想氣體。因此對於提高低溫回熱式制冷機的製冷效率有著至關重要的作用。
【專利說明】採用離心式螺旋型回熱器的4K低溫脈管制冷機及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種採用離心式螺旋型回熱器的4Κ溫區低溫斯特林型脈管制冷機。
【背景技術】
[0002] 低溫回熱式脈管制冷機由壓縮機，回熱器，冷端換熱器，熱端換熱器，熱橋，慣性 管，氣庫等部件組成。脈管制冷機結構簡單，控制方便，冷端沒有運動部件，可靠性高，工作 壽命長，製冷溫度低。因為它的優點，近些年低溫回熱式脈管制冷機在航天領域成為研究熱 點。
[0003] 常見的低溫回熱式脈管制冷機有兩種，G-Μ型低頻脈管制冷機和斯特林型高頻脈 管制冷機。本發明涉及的回熱式斯特林型脈管制冷機因其工作頻率高，體積小，振動小，在 液氦溫區有著重要的應用前景。
[0004] 低溫回熱式脈管制冷機的工作溫區低至20Κ以下，在此溫區，工質氦的實際氣體 性質會顯著偏離理想氣體性質。實際氣體損失是低溫回熱式脈管制冷機在低溫溫區的主導 損失。降低實際氣體損失的有效方法是降低壓力。比如使用節流管對氣體節流降壓，增加 膨脹裝置，雙向進氣讓時均焓流達到最大值等等。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是採用離心式螺旋型回熱器，使流體更接近理想氣體的性質，減小 流體偏離理想氣體性質而造成的損失，從而提高4Κ溫區脈管制冷機的效率。
[0006] -種採用離心式螺旋型回熱器的4Κ溫區低溫脈管制冷機，包括一級回熱式脈管 制冷機、二級回熱式脈管制冷機、三級回熱式脈管制冷機、熱橋； 其中一級回熱式脈管制冷機包括一級壓縮機、一級冷卻器、一級回熱器、一級脈管、一 級熱端換熱器、一級慣性管、一級氣庫；其中一級壓縮機的出口與一級冷卻器的入口相連， 一級冷卻器的出口又與一級回熱器的入口相連，一級脈管的出口連接一級熱端換熱器第 一端，一級熱端換熱器第二端經過一級慣性管連接一級氣庫； 其中二級回熱式脈管制冷機包括二級壓縮機、二級冷卻器、二級回熱器、二級脈管、二 級熱端換熱器、二級慣性管、二級氣庫；其中二級壓縮機出口連接二級冷卻器入口，二級 冷卻器出口連接二級回熱器入口，二級脈管出口連接二級熱端換熱器第一端，二級熱端換 熱器第二端經過二級慣性管連接二級氣庫； 其中三級回熱式脈管制冷機包括三級壓縮機、三級冷卻器、三級回熱器、離心式螺旋型 流道、三級冷端換熱器、三級脈管、三級熱端換熱器、三級慣性管、三級氣庫；其中三級壓縮 機出口連接三級冷卻器入口，三級冷卻器出口連接三級回熱器熱端，三級回熱器冷端連接 三級冷端換熱器第一端，三級冷端換熱器第二端連接三級脈管入口，三級脈管出口連接三 級熱端換熱器第一端，三級熱端換熱器第二端通過三級慣性管連接三級氣庫； 上述一級回熱器的出口和一級脈管的入口由熱橋連接到三級回熱器和二級回熱器，二 級回熱器的出口和二級脈管的入口由熱橋連接到三級回熱器、三級脈管的出口和三級熱端 換熱器； 其特徵在於：第三級脈管制冷機採用離心式螺旋型回熱器，此回熱器使工作於該溫區 的流體氦的性質更接近理想氣體。
[0007] 採用離心式螺旋型回熱器的4K溫區低溫脈管制冷機的特徵包括以下過程： 第一級的製冷過程為一級壓縮機壓縮氣體後，氣體進入一級冷卻器降溫，接著氣體進 入一級回熱器進一步降溫後，進入一級脈管。氣體在一級脈管內壓縮並將熱量通過一級熱 端換熱器排出後回流，回流過程中膨脹降溫，並吸收來自熱橋的熱負荷。一級慣性管和一級 氣庫對氣體調相。依靠熱橋的熱耦合，一級回熱式脈管制冷機對二級回熱式脈管制冷機和 三級回熱式脈管制冷機預冷，二級回熱式脈管制冷機對三級回熱式脈管制冷機預冷。
[0008] 第二級的製冷過程是二級壓縮機壓縮氣體後，使氣體進入二級冷卻器降溫，接著 氣體進入二級回熱器進一步降溫後，進入二級脈管。氣體在二級脈管內壓縮並將熱量通過 二級熱端換熱器排出後回流，回流過程中膨脹降溫，吸收來自熱橋的熱負荷。二級慣性管和 二級氣庫對氣體調相。依靠熱橋的熱耦合，二級回熱式脈管制冷機對三級回熱式脈管制冷 機預冷。
[0009] 第三級的製冷過程是三級壓縮機壓縮氣體後，使氣體進入三級冷卻器降溫，接著 氣體進入三級回熱器進一步降溫後，進入三級脈管。氣體在三級脈管內壓縮並將熱量通過 三級熱端換熱器排出後回流，回流過程中膨脹降溫，吸收來自三級冷端換熱器的熱負荷。三 級慣性管和三級氣庫對氣體調相。第三級回熱器冷端內部填充有銅絲網保證換熱以及從螺 旋型流道流出的氦工質的層流化，螺旋型流道使工作於該溫區的流體氦的性質更接近理想 氣體。第三級回熱器冷端內部填充有銅絲網保證換熱以及從螺旋型流道流出的氦工質的層 流化，離心式螺旋流道從熱端到冷端其螺旋半徑逐漸減小，它的作用是使工作於該溫區的 流體氦的性質更接近理想氣體。
[0010] 採用離心式螺旋型回熱器的4K低溫脈管制冷機和其他脈管制冷機相比。當流體 從回熱器熱端流至冷端的過程中，回熱器中工作流體氦的流道面積逐漸減小，流體速度增 大，壓力降低，從而使流體的性質更接近於理想氣體，減小由於氦工質偏離理想氣體特性導 致的回熱器損失；當流體從脈管回流，經過離心式螺旋型回熱器，回熱器中工作流體氦的流 道面積逐漸增大，流體速度降低，壓力逐漸增大。沿螺旋型回熱器內部熱端至冷端方向形成 逐漸減小的壓力梯度，使得回熱器冷端工質處於低壓環境，減小了實際氣體損失，而回熱器 螺旋型流道熱端工質處於相對較高壓力下，更利於提高工質在各自溫區的製冷效應。20K溫 區以下實際氣體損失為4K溫區低溫回熱式制冷機的主導損失(約佔50%-80%)。相比於二維 漸縮型回熱器流道，離心式螺旋流道的流通面積變化更平緩，有利於流體的層流化。本發明 通過在低於20K溫區部位採用離心式螺旋型回熱器，使工作於該溫區的流體氦性質更接近 理想氣體，因此對於提高低溫回熱式制冷機的製冷效率有著至關重要的作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1為一種低溫回熱式斯特林型脈管制冷機； 圖2為離心式螺旋型回熱器的螺旋型流道； 圖3為實際氣體損失QUOTE P P和冷端PV功之比與壓強的關係； 圖中的標號名稱：1、一級壓縮機，2、一級冷卻器，3、一級回熱器，4、熱橋，5、離心式螺 旋型流道，6、一級脈管，7、一級熱端換熱器，8、一級慣性管，9、一級氣庫，10、一級回熱式脈 管制冷機，11、三級壓縮機，12、三級冷卻器，13、三級回熱器，14、三級氣庫，15、三級慣性管， 16、三級熱端換熱器，17、三級脈管，18、三級冷端換熱器，19、三級回熱式脈管制冷機，20、二 級壓縮機，21、二級冷卻器，22、二級回熱器，23、二級脈管，24、二級熱端換熱器，25、二級慣 性管，26、二級氣庫，27、二級回熱式脈管制冷機。
【具體實施方式】
[0012] 圖1所示，採用了離心式螺旋型回熱器的4K低溫脈管制冷機，包括一級回熱式脈 管制冷機10、二級回熱式脈管制冷機27、三級回熱式脈管制冷機19、熱橋4 ; 其中一級回熱式脈管制冷機10包括一級壓縮機1、一級冷卻器2、一級回熱器3、一級脈 管6、一級熱端換熱器7、一級慣性管8、一級氣庫9;其中一級壓縮機1的出口與一級冷卻器 2的入口相連，一級冷卻器2的出口又與一級回熱器3的入口相連，一級脈管6的出口連接 一級熱端換熱器7第一端，一級熱端換熱器7第二端經過一級慣性管8連接一級氣庫9 ; 其中二級回熱式脈管制冷機27包括二級壓縮機20、二級冷卻器21、二級回熱器22、二 級脈管23、二級熱端換熱器24、二級慣性管25、二級氣庫26;其中二級壓縮機20出口連接 二級冷卻器21入口，二級冷卻器21出口連接二級回熱器22入口，二級脈管23出口連接 二級熱端換熱器24第一端，二級熱端換熱器24第二端經過二級慣性管25連接二級氣庫 26 ； 其中三級回熱式脈管制冷機19包括三級壓縮機11、三級冷卻器12、三級回熱器13、離 心式螺旋型流道5、三級冷端換熱器18、三級脈管17、三級熱端換熱器16、三級慣性管15、三 級氣庫14;其中三級壓縮機11出口連接三級冷卻器12入口，三級冷卻器12出口連接三級 回熱器13熱端，三級回熱器13冷端連接三級冷端換熱器18第一端，三級冷端換熱器18第 二端連接三級脈管17入口，三級脈管17出口連接三級熱端換熱器16第一端，三級熱端換 熱器16第二端通過三級慣性管15連接三級氣庫14 ;上述一級回熱器3出口、一級脈管6入 口、三級回熱器13、二級回熱器22的中部通過第一熱橋4-1依次連接到一起；二級脈管23 入口、二級回熱器22出口、三級回熱器13、三級脈管17出口、三級熱端換熱器16第一端通 過第二熱橋4-2依次連接到一起； 所述的回熱式斯特林型脈管制冷機第三級加上了離心式螺旋型回熱器，當流體從回熱 器熱端流至冷端的過程中，回熱器中工作流體氦的流道面積逐漸減小，流體速度增大，流體 壓力降低，從而使流體的性質更接近於理想氣體，減小由於氦工質偏離理想氣體特性導致 的回熱器損失；當流體從脈管回流至回熱器時，流體經過離心式螺旋型流道，回熱器中工作 流體氦的流道面積逐漸增大，流體速度降低，壓力逐漸增大，沿回熱器冷端至熱端方向形成 逐漸增大的壓力梯度，使得回熱器冷端工質處於低壓環境，而螺旋型回熱器熱端工質處於 相對較高壓力下，更利於提高工質在各自溫區的製冷效應，從而提高了制冷機的製冷效率。
[0013] 圖2所示，離心式螺旋型回熱器由漸縮管道盤旋而成。流體因管道的截面積變化 而改變流速和體積比。相比於二維漸縮型回熱器，離心式螺旋型回熱器流道的流通面積變 化更平緩，有利於流體的層流化。
[0014] 圖3所示，工質氦-3和氦-4實際氣體焓流QUOTE P Ρ和冷端PV功 之比隨著壓力的變化。通常情況下把QUOTE +p p即與壓力項相關的焓流作為 實際氣體損失的衡量標準。在20K以下溫區該項損失為4K溫區回熱器的主導損失。在較 低壓力下，工質性質接近於理想氣體，制冷機的實際氣體損失小，有利於提高製冷效率。通 過使用離心式螺旋型回熱器，能夠顯著降低工質氦在20Κ以下溫區的壓力。
[0015] 本發明的具體的實施方法是：該低溫回熱式脈管制冷機為三級熱耦合型結構，低 溫下各級氣路不互相干擾。此結構參數清晰、分步優化、確定性好。該脈管制冷機的三級 分別使用三臺壓縮機驅動氣體，一二級制冷機給三級提供預冷。當三級回熱器中的流體進 入離心式螺旋型回熱器，回熱器中工作流體氦的流道面積逐漸減小，流體速度增大，壓力降 低，從而使流體的性質更接近於理想氣體，減小由於氦工質偏離理想氣體特性導致的回熱 器損失；當流體從脈管回流至回熱器時，流體經過離心式螺旋型流道，回熱器中工作流體氦 的流道面積逐漸增大，流體氣流速度降低，壓力逐漸增大。沿螺旋型回熱器熱端至冷端方向 形成逐漸減小的壓力梯度，使得回熱器冷端工質處於低壓環境，減小了實際氣體損失，而回 熱器螺旋型流道熱端工質處於相對較高壓力下，更利於提高工質在各自溫區的製冷效應， 從而提高了低溫回熱式制冷機的製冷效率。
[0016] 該制冷機加裝離心式螺旋型流道後，在保留結構簡單、可靠性高、製冷溫度低的優 點同時，製冷效率得到了提高，對於更好地改進脈管制冷機有著重要意義。
【權利要求】
1. 一種採用了離心式螺旋型回熱器的4K低溫制冷機，包括一級回熱式脈管制冷機 (10)、二級回熱式脈管制冷機（27)、三級回熱式脈管制冷機（19)、熱橋（4); 其中一級回熱式脈管制冷機（10)包括一級壓縮機（1)、一級冷卻器（2)、一級回熱器 (3)、一級脈管（6)、一級熱端換熱器（7)、一級慣性管（8)、一級氣庫（9);其中一級壓縮機 (1)的出口與一級冷卻器（2)的入口相連，一級冷卻器（2)的出口又與一級回熱器（3)的入 口相連，一級脈管（6)的出口連接一級熱端換熱器（7)第一端，一級熱端換熱器（7)第二端 經過一級慣性管（8)連接一級氣庫（9); 其中二級回熱式脈管制冷機（27)包括二級壓縮機（20)、二級冷卻器（21)、二級回熱器 (22)、二級脈管（23)、二級熱端換熱器（24)、二級慣性管（25)、二級氣庫（26);其中二級壓 縮機（20)出口連接二級冷卻器（21)入口，二級冷卻器（21)出口連接二級回熱器（22)入 口，二級脈管（23 )出口連接二級熱端換熱器（24 )第一端，二級熱端換熱器（24 )第二端經過 二級慣性管（25)連接二級氣庫（26); 其中三級回熱式脈管制冷機（19)包括三級壓縮機（11)、三級冷卻器（12)、三級回熱器 (13)、離心式螺旋型流道（5)、三級冷端換熱器（18)、三級脈管（17)、三級熱端換熱器（16)、 三級慣性管（15)、三級氣庫（14);其中三級壓縮機（11)出口連接三級冷卻器（12)入口，三 級冷卻器（12)出口連接三級回熱器（13)熱端，三級回熱器（13)冷端連接三級冷端換熱器 (18)第一端，三級冷端換熱器（18)第二端連接三級脈管（17)入口，三級脈管（17)出口連 接三級熱端換熱器（16 )第一端，三級熱端換熱器（16 )第二端通過三級慣性管（15 )連接三 級氣庫（14);上述一級回熱器（3)出口、一級脈管（6)入口、三級回熱器（13)、二級回熱器 (22)的中部通過第一熱橋（4-1)依次連接到一起；二級脈管（23)入口、二級回熱器（22)出 口、三級回熱器（13)、三級脈管（17)出口、三級熱端換熱器（16)第一端通過第二熱橋（4-2) 依次連接到一起； 其特徵在於： 三級回熱器（13)低於20Κ溫區部位增加了離心式螺旋型流道（5)，其中離心式螺旋型 流道（5)熱端與三級回熱器（13)冷端連接，離心式螺旋型流道（5)冷端與三級冷端換熱器 (18)第一端連接；離心式螺旋流道（5)從熱端到冷端其螺旋半徑逐漸減小，它的作用是使 工作於該溫區的流體氦的性質更接近理想氣體。
2. 根據權利要求1所述的採用離心式螺旋型回熱器的4Κ溫區低溫制冷機的製冷方法， 其特徵在於包括以下過程： 第一級的製冷過程是一級壓縮機（1)壓縮氣體後，使氣體進入一級冷卻器（2)降溫，接 著氣體進入一級回熱器（3)進一步降溫後，進入一級脈管（6);氣體在一級脈管（6)內壓縮 並將熱量通過一級熱端換熱器（7)排出後回流，回流過程中膨脹降溫，吸收來自熱橋（4)的 熱負荷；一級慣性管（8 )和一級氣庫（9 )對氣體調相；依靠熱橋（4-1)的熱耦合，一級回熱式 脈管制冷機（10)對二級回熱式脈管制冷機（27)和三級回熱式脈管制冷機（19)進行預冷， 二級回熱式脈管制冷機（28)對三級回熱式脈管制冷機（19)進行預冷； 第二級的製冷過程是二級壓縮機（20)壓縮氣體後，使氣體進入二級冷卻器（21)降溫， 接著氣體進入二級回熱器（22)進一步降溫後，進入二級脈管（23);氣體在二級脈管（23)內 壓縮並將熱量通過二級熱端換熱器（24)排出後回流，回流過程中膨脹降溫，吸收來自熱橋 (4-2)的熱負荷；二級慣性管（25)和二級氣庫（26)對氣體調相；依靠熱橋（4-2)的熱耦合， 二級回熱式脈管制冷機（23)對三級回熱式脈管制冷機（19)預冷； 第三級的製冷過程是三級壓縮機（11)壓縮氣體後，使氣體進入三級冷卻器（12)降溫， 接著氣體進入三級回熱器（13)進一步降溫後，進入三級脈管（17);氣體在三級脈管（17)內 壓縮並將熱量通過三級熱端換熱器（24)排出後回流，回流過程中膨脹降溫，吸收來自三級 冷端換熱器（18)的熱負荷；三級慣性管（15)和三級氣庫（14)對氣體調相；第三級回熱器 冷端內部填充有銅絲網保證換熱以及從螺旋型流道流出的氦工質的層流化，螺旋型流道使 工作於該溫區的流體氦的性質更接近理想氣體。
【文檔編號】F25B9/14GK104296411SQ201410523678
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月8日 優先權日:2014年10月8日
【發明者】李卓裴, 胡沛, 夏穎, 蔣彥龍 申請人:南京航空航天大學