專(zhuān)利名稱(chēng)：一種無(wú)回?zé)崞鞯姆聪鄽怏w循環(huán)低溫制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于制冷與低溫技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無(wú)回?zé)崞鞯姆聪鄽怏w循環(huán)低溫制冷機(jī)。
對(duì)于常規(guī)氣體回?zé)崾街评錂C(jī)(如脈沖管制冷機(jī)，G-M制冷機(jī)，斯特林制冷機(jī))，一個(gè)最重要的部件是回?zé)崞?，它是由具有高比熱容和低阻力系?shù)的多孔介質(zhì)固體填料組成，填料可以是細(xì)金屬絲網(wǎng)(不銹鋼，磷青銅等)，小金屬球或顆粒，磁性材料等組成。在制冷機(jī)的一個(gè)周期工作的過(guò)程中，氣體工質(zhì)在排氣膨脹半個(gè)周期過(guò)程中產(chǎn)生的冷量部分的儲(chǔ)存在回?zé)崞髦?，用于預(yù)冷從壓縮機(jī)來(lái)的高壓高溫氣體工質(zhì)在另半個(gè)周期，氣體工質(zhì)充氣壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱量也部分儲(chǔ)存在該回?zé)崞髦?。由于氣體工質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)工作過(guò)程中的吸熱和放熱過(guò)程均在回?zé)崞髦型瓿?，所以常?guī)氣體回?zé)崾街评錂C(jī)效率的高低取決于回?zé)崞鞯臒嵝剩蚨髿怏w工質(zhì)在回?zé)崞髦羞\(yùn)動(dòng)過(guò)程的各種損失要盡可能的小(1)回?zé)崞魈盍系淖枇ο禂?shù)要小，使得氣體工質(zhì)在其中的流動(dòng)過(guò)程阻力小，壓降小，為此要求回?zé)崞魈盍峡障堵蚀螅?2)回?zé)崞魈盍系谋葥Q熱面積要大，徑向?qū)嵯禂?shù)大，以增強(qiáng)氣體工質(zhì)和回?zé)崞魈盍现g的換熱量，為此要求回?zé)崞魈盍系目障堵市。?3)回?zé)崞魈盍系谋葻崛菀?，使得回?zé)崞魈盍系男罾淠芰Υ螅?4)回?zé)崞魈盍系妮S向?qū)嵯禂?shù)小，以減小軸向?qū)釗p失。而這些要求又是互相矛盾的，因而對(duì)回?zé)崞鞯膶?shí)際設(shè)計(jì)要求很高，造成現(xiàn)有回?zé)崞鞯某叽绱?，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，長(zhǎng)期工作效率下降。
本實(shí)用新型的目的在于，克服常規(guī)氣體回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的回?zé)崞鞯娜秉c(diǎn)，提出了一種無(wú)回?zé)崞鞯姆聪鄽怏w循環(huán)低溫制冷機(jī)。
本實(shí)用新型的實(shí)施方案如下本實(shí)用新型提供的無(wú)回?zé)崞鞯姆聪鄽怏w循環(huán)低溫制冷機(jī)，其特征在于，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)和高效逆流換熱器，該兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)的冷端并聯(lián)在高效逆流換熱器的冷端，高效逆流換熱器的主通道由2N組子通道組成，N為1-4的正整數(shù)所述的兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)為常規(guī)回?zé)崾綒怏w脈沖管制冷機(jī)、GM脈沖管或斯特林制冷機(jī)所述的兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)熱端帶有調(diào)節(jié)小孔和氣庫(kù)。
工作時(shí)，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)中的氣體工質(zhì)時(shí)刻運(yùn)行在反相位(180°相位差)工作狀況，在逆流換熱器中，當(dāng)其中一個(gè)子制冷機(jī)中的氣體工質(zhì)在逆流換熱器的一個(gè)通道內(nèi)朝一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)并吸收(放出)熱量時(shí)，另一個(gè)子制冷機(jī)中的氣體工質(zhì)在逆流換熱器的另一個(gè)通道內(nèi)朝相反的方向運(yùn)動(dòng)并放出(吸收)熱量，反之依然。熱量傳遞是通過(guò)逆流換熱器兩通道之間的可壁進(jìn)行的，從而構(gòu)成了本實(shí)用新型的無(wú)回?zé)崞鞯姆聪鄽怏w循環(huán)低溫制冷機(jī)。
本實(shí)用新型提供的無(wú)回?zé)崞鞯姆聪鄽怏w循環(huán)低溫制冷機(jī)，用一個(gè)高效逆流換熱器代替兩個(gè)子制冷機(jī)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的回?zé)崞?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，可靠性和制冷效率高。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步描述本實(shí)用新型附


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖附圖2為本實(shí)用新型的逆流換熱器的能量平衡示意圖；附圖3(A)為本實(shí)用新型逆流換熱器通道內(nèi)部任意一微元質(zhì)點(diǎn)工作過(guò)程中的溫度變化示意圖；附圖3(B)為本實(shí)用新型逆流換熱器通道內(nèi)部任意一微元質(zhì)點(diǎn)實(shí)際運(yùn)行軌跡示意圖其中壓縮機(jī)1連接管道2旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)3金屬軟管4 逆流換熱器5 子制冷機(jī)61、62小孔7 氣庫(kù)8逆流換熱器總長(zhǎng)度L逆流換熱器熱端氣體工質(zhì)的溫度TH1、TH2逆流換熱器冷端氣體工質(zhì)的溫度TL1、TL2逆流換熱器熱端氣體工質(zhì)的焓流HH1、HH2逆流換熱器冷端氣體工質(zhì)的焓流HL1、HL2逆流換熱器熱端氣體工質(zhì)的熵流SH1、SH2逆流換熱器冷端氣體工質(zhì)的熵流SL1、SL2逆流換熱器熱端氣體工質(zhì)的導(dǎo)熱QCH1、QCH2逆流換熱器冷端氣體工質(zhì)的導(dǎo)熱QCL1、QCL2逆流換熱器兩主通道氣體工質(zhì)之間的換熱量Qe
逆流換熱器熱端的平均溫度TH、TL長(zhǎng)度坐標(biāo)L溫度T任一時(shí)刻氣體工質(zhì)的溫度Tg1、Tg1任一兩氣體微元之間的溫度差dTg逆流換熱器總溫度梯度ΔTHL任一兩氣體微元之間的微元溫度梯度dT絕熱壓縮過(guò)程a-b、a-b’絕熱膨脹過(guò)程c-d、c-d’等壓放熱過(guò)程b-c、b’-c’ 等壓吸熱過(guò)程d-a氣體微元一周期熱力循環(huán)過(guò)程a-b-c-d、a-b’-c’-d實(shí)線SX為當(dāng)兩個(gè)制冷機(jī)61、62運(yùn)行在同相位工作過(guò)程時(shí)的溫度變化示意圖；虛線XX為當(dāng)兩個(gè)制冷機(jī)61、62運(yùn)行在反相位工作過(guò)程時(shí)的溫度變化示意圖。
由
圖1可知，本實(shí)用新型提供的本實(shí)用新型提供的一種無(wú)回?zé)崞鞯姆聪鄽怏w循環(huán)低溫制冷機(jī)，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)61、61和高效逆流換熱器5，該兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)61和62的冷端并聯(lián)在高效逆流換熱器5的冷端，高效逆流換熱器5的主通道由2N組子通道組成，N為1-4的正整數(shù)所述的兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)61和62為常規(guī)回?zé)崾綒怏w脈沖管制冷機(jī)、GM脈沖管制冷機(jī)或斯特林制冷機(jī)；所述的兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)61和62的熱端帶有調(diào)節(jié)小孔7和氣庫(kù)8。
圖1所示的無(wú)回?zé)崞鞯姆聪鄽怏w循環(huán)低溫制冷機(jī)的實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)是壓縮機(jī)1經(jīng)兩根連接管道2與一個(gè)旋轉(zhuǎn)閥3組成高壓和低壓供氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)兩根長(zhǎng)1-4米的金屬軟管4與逆流換熱器5相連，逆流換熱器5的主通道由2N組子通道組成，N為1-4的正整數(shù)，本實(shí)施例中，其主通道由2組通道構(gòu)成；兩個(gè)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)61和62通過(guò)逆流換熱器5的兩個(gè)主通道分別與旋轉(zhuǎn)閥3的高壓和低壓進(jìn)氣孔相連通。在一個(gè)周期的工作過(guò)程中，壓縮機(jī)1分別與旋轉(zhuǎn)閥3的高壓和低壓進(jìn)氣孔相連通，所以?xún)蓚€(gè)子制冷機(jī)61和62中的氣體工質(zhì)在任何時(shí)候都運(yùn)行在反相位(180°相位差)工作狀況，即當(dāng)其中一個(gè)子制冷機(jī)工作在排氣膨脹過(guò)程中，另一個(gè)子制冷機(jī)則工作在充氣壓縮過(guò)程中，反之依然。
圖1中給出了在半個(gè)周期中氣體工質(zhì)在該逆流換熱器5的兩個(gè)通道中運(yùn)動(dòng)方向箭頭，在另半個(gè)周期中氣體工質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向箭頭相反。當(dāng)兩個(gè)子制冷機(jī)61和62為常規(guī)脈沖管制冷機(jī)時(shí)，它們的熱端還可以有調(diào)節(jié)相位的小孔7和氣庫(kù)8。同樣，分別與兩個(gè)子制冷機(jī)61和62相連的逆流換熱器5的兩個(gè)主通道中的氣體工質(zhì)，在任何時(shí)候也運(yùn)行在反相位(180°相位差)工作狀況，即當(dāng)其中一個(gè)制冷機(jī)中的氣體工質(zhì)在逆流換熱器5的其中一組通道內(nèi)朝一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)并吸收(放出)熱量時(shí)，另一個(gè)制冷機(jī)中的氣體工質(zhì)在逆流換熱器的另一個(gè)通道內(nèi)朝相反的方向運(yùn)動(dòng)并放出熱量(吸收)，反之依然。熱量傳遞是通過(guò)該逆流換熱器兩通道之間的間壁進(jìn)行的。
圖2為本實(shí)用新型中的逆流換熱器5的能量平衡示意圖。這里，我們通過(guò)分析逆流換熱器5內(nèi)部的能量平衡來(lái)說(shuō)明其可以產(chǎn)生制冷效應(yīng)，即產(chǎn)生溫度梯度。設(shè)逆流換熱器總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，沿該逆流換熱器軸向取坐標(biāo)，逆流換熱器5與旋轉(zhuǎn)閥3相連的一端定義為l＝0，另一端，即與子制冷機(jī)相連的一端為l＝L，如圖2所示。通過(guò)熱力學(xué)分析，我們得到沿逆流換熱器5的軸向可以產(chǎn)生ΔTHL＝TH-TL的溫度梯隊(duì)ΔTHL=TH-TL=[TLαhFLκreltc∫0tc∫0L(Tg1-Tg2)dldt]1/2]]>，其中TH，TL分別是逆流換熱器5兩端(l＝0和l＝L)的平均溫度，t為時(shí)間，tc為周期，F(xiàn)為換熱面積，ah為氣體和逆流換熱器材料之間的換熱系數(shù)，kre為逆流換熱器材料的軸向?qū)嵯禂?shù)。因比，為了獲得大的溫度梯隊(duì)ΔTHL，即獲得較低的制冷溫度，所采用的逆流換熱器應(yīng)當(dāng)具有較大的比換熱面積，較大的徑向?qū)嵯禂?shù)，較小的軸向?qū)嵯禂?shù)，同時(shí)該逆流換熱器應(yīng)具有較小的空容積和壓降。
圖3為本實(shí)用新型中逆流換熱器通道內(nèi)部任意一氣體微元質(zhì)點(diǎn)(稱(chēng)第一氣體微元)工作過(guò)程中的溫度變化示意圖。圖中實(shí)線表示當(dāng)兩個(gè)子制冷機(jī)61和62運(yùn)行在同相位工作狀況時(shí)第一氣體微元的溫度變化；虛線表示當(dāng)兩個(gè)子制冷機(jī)61和62中運(yùn)行在反相位(180°相位差)工作狀況時(shí)第一氣體微元的溫度變化。
下面將詳細(xì)說(shuō)明在本實(shí)用新型中逆流換熱器通道內(nèi)部氣體工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及如何產(chǎn)生軸向溫度梯度ΔTHL＝TH-TL的?？紤]逆流換熱器5的一個(gè)主通道(我們稱(chēng)為通道TD1，則另一通道為T(mén)D2)內(nèi)部第一氣體微元隨壓力的周期性振蕩過(guò)程，它經(jīng)歷兩個(gè)絕熱壓縮和膨脹過(guò)程(曲線a-b、c-d)，兩個(gè)等壓換熱過(guò)程(曲線b-c、d-a)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們考慮如圖3(A)所示的矩型不連續(xù)過(guò)程(曲線a-b-c-d)，而不時(shí)實(shí)際的連續(xù)過(guò)程[如圖3(B)]。在充氣壓縮過(guò)程中，該第一氣體微元沿通道TD1的軸向從最初的位置朝L端運(yùn)動(dòng)，其溫度升高(曲線a-b)；在排氣膨脹過(guò)程中，該第一氣體微元朝初始位置運(yùn)動(dòng)，其溫度下降(曲線c-d)。在一個(gè)周期內(nèi)該第一氣體微元的平均溫度變化可以用曲線(曲線a-c)表示。如果兩個(gè)子制冷機(jī)61和62中在任何時(shí)候都運(yùn)行在同相位工作狀況，則(曲線b-c)過(guò)程放出的熱量應(yīng)該等于(曲線d-a)過(guò)程吸收的熱量，則在一個(gè)周期內(nèi)該第一氣體微元的平均溫度變化為零，氣體工質(zhì)溫度不變，保持在初始狀態(tài)(如圖3中的實(shí)線SX所示)。
當(dāng)兩個(gè)子制冷機(jī)61和62中運(yùn)行在反相位(180°相位差)工作狀況時(shí)，在充氣壓縮過(guò)程中，該第一氣體微元沿通道TD1的軸向從最初的位置朝L端運(yùn)動(dòng)，其溫度升高(曲線a-b)；因?yàn)橥ǖ繲D1和通道TD2內(nèi)部的工質(zhì)氣體時(shí)刻運(yùn)行在反相位工作狀態(tài)，所以通道TD2內(nèi)部相對(duì)應(yīng)于該第一氣體微元的另一氣體微元(第二氣體微元)正工作在排氣膨脹過(guò)程中，其溫度低于該第一氣體微元的溫度。也就是說(shuō)第一氣體微元和第二氣體微元之間有dTg＝Tg1-Tg2的溫度差。根據(jù)能量平衡原理，通道TD1內(nèi)的第一氣體微元將被通道TD2中的第二氣體微元冷卻，其溫度會(huì)降低(曲線b-b’)。熱量傳遞是通過(guò)該逆流換熱器兩主通道之間的間壁進(jìn)行的，傳遞量等于兩通道內(nèi)運(yùn)行在不同壓力下工作氣體的焓差。所以在充氣壓縮過(guò)程中，第一氣體微元所經(jīng)歷的熱力學(xué)過(guò)程是曲線a-b’，而不時(shí)曲線a-b。在等壓換熱過(guò)程所釋放的熱量應(yīng)當(dāng)與兩個(gè)子制冷機(jī)運(yùn)行在同相位工作狀態(tài)時(shí)相同，因?yàn)閴嚎s機(jī)所作的功是相同的。所以在等壓放換熱過(guò)程，第一氣體微元的熱力學(xué)過(guò)程是曲線b’-c’，而不時(shí)曲線b-c。
在排氣膨脹過(guò)程中，第一氣體微元沿通道TD1的軸向朝初始位置運(yùn)動(dòng)，其溫度進(jìn)一步下降(曲線c’-d)；因?yàn)橥ǖ繲D1和通道TD2內(nèi)部的工質(zhì)氣體時(shí)刻運(yùn)行在反相為工作狀態(tài)，所以通道TD2內(nèi)部相對(duì)應(yīng)于第一氣體微元的第二氣體微元正工作在充氣壓縮過(guò)程中。根據(jù)能量平衡原理，通道TD1內(nèi)的第一氣體微元將從通道TD2中的第二氣體微元吸收熱量，吸收的熱量與曲線b-b’過(guò)程放出的熱量相同，則第一氣體微元的溫度會(huì)到達(dá)平衡狀態(tài)。
最后，在等壓吸熱過(guò)程中，根據(jù)能量守衡原理，所吸熱的熱量應(yīng)當(dāng)?shù)扔谇€b’-c’，過(guò)程所釋放的熱量，從而回到初始位置。這就意味著當(dāng)兩個(gè)子制冷機(jī)61和62中運(yùn)行在反相位工作狀況時(shí)，第一氣體微元所經(jīng)歷的熱力學(xué)過(guò)程是曲線a-b’-c’-d’-a，而不是曲線a-b-c-d-a。即在一個(gè)周期內(nèi)該第一氣體微元的平均溫度變化是曲線曲線a-c’，而不時(shí)曲線a-c，從而沿軸向產(chǎn)生一微小溫度梯度dT。在逆流換熱器5的通道內(nèi)有無(wú)數(shù)第一氣體微元一樣運(yùn)行的氣體微元，它們經(jīng)歷相似的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，每個(gè)氣體微元在一個(gè)周期內(nèi)都傳遞一微元能量，產(chǎn)生一微小溫度梯度dT，所有的氣體微元的總效果就會(huì)獲得較大的溫度梯隊(duì)ΔTHL＝TH-TL，如圖3(A)的虛線XX所示。
權(quán)利要求1.一種無(wú)回?zé)崞鞯姆聪鄽怏w循環(huán)低溫制冷機(jī)，其特征在于，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)和高效逆流換熱器，該兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)的冷端并聯(lián)在高效逆流換熱器的冷端，高效逆流換熱器的主通道由2N組子通道組成，N為1-4的正整數(shù)。
2.權(quán)利要求書(shū)1所述的無(wú)回?zé)崞鞯姆聪鄽怏w循環(huán)低溫制冷機(jī)，其特征在于，所述的兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)為常規(guī)回?zé)崾綒怏w脈沖管制冷機(jī)、GM脈沖管制冷機(jī)或斯特林制冷機(jī)。
3.權(quán)利要求書(shū)1所述的無(wú)回?zé)崞鞯姆聪鄽怏w循環(huán)低溫制冷機(jī)，其特征在于，所述的兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)帶有調(diào)節(jié)小孔和氣庫(kù)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及的無(wú)回?zé)崞鞯姆聪鄽怏w循環(huán)低溫制冷機(jī),包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的無(wú)回?zé)崞鞯淖又评錂C(jī)和高效逆流換熱器,該兩個(gè)子制冷機(jī)的冷端并聯(lián)在高效逆流換熱器的冷端,高效逆流換熱器的主通道由2N組子通道組成,N為1—4正整數(shù);子制冷機(jī)為常規(guī)回?zé)崾綒怏w脈沖管制冷機(jī)、GM脈沖管或斯特林制冷機(jī),帶有調(diào)節(jié)小孔的氣庫(kù),本實(shí)用新型采用一個(gè)高效逆流換熱器代替結(jié)構(gòu)復(fù)雜的回?zé)崞?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,緊湊,可靠性高。
文檔編號(hào)F25B5/02GK2472154SQ0120459
公開(kāi)日2002年1月16日 申請(qǐng)日期2001年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月28日
發(fā)明者巨永林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所