專利名稱：一種低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫制冷機(jī)，尤其涉及一種低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣系統(tǒng)及 其方法。
背景技術(shù)：
低溫制冷機(jī)的傳統(tǒng)配氣方法是通過壓縮機(jī)及進(jìn)排氣控制閥門實(shí)現(xiàn)的。一次循環(huán)包 括壓縮機(jī)進(jìn)氣過程和壓縮機(jī)排氣過程。壓縮機(jī)主要作用是為制冷機(jī)提供高壓氣體，并回收制冷機(jī)排出的低壓氣體。其工 作原理是低壓氦氣在壓縮機(jī)泵組件中被壓縮、進(jìn)行初步油氣分離后，變成含油的高壓氦 氣，經(jīng)由換熱器、油氣分離器和吸附器，最后得到高純高壓的氦氣。對于目前低溫制冷機(jī)中 所采用的配氣系統(tǒng)，在每一次循環(huán)過程中壓縮機(jī)將所有從制冷機(jī)中排出的低壓氣體壓縮至 高壓氣體，壓縮該部分配氣量耗功較大。目前采用的配氣裝置主要有旋轉(zhuǎn)閥和電磁閥兩種。以旋轉(zhuǎn)閥為例，其原理是通過 閥芯旋轉(zhuǎn)進(jìn)行高壓進(jìn)氣和低壓排氣。工作時其閥芯存在較大壓差，造成較大的節(jié)流損失。同 時，閥芯旋轉(zhuǎn)需要克服較大的摩擦阻力，產(chǎn)生噪聲并造成嚴(yán)重的機(jī)械磨損。磨損產(chǎn)生的粉末 狀碎屑會造成閥門堵塞或者污染回?zé)崞魈盍?。最終導(dǎo)致制冷機(jī)性能的惡化。同時為克服旋 轉(zhuǎn)閥切換時的摩擦力，要求電機(jī)提供較大的扭矩，造成電機(jī)負(fù)荷過大。對于電磁閥，其原理 是由高低電壓控制閥門的開關(guān)，從而對進(jìn)排氣過程進(jìn)行調(diào)節(jié)。閥門前后承受的壓差亦導(dǎo)致 較大的節(jié)流損失。同時，較高壓差使得電磁閥運(yùn)行工況惡化，降低了電磁閥壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配 氣系統(tǒng)及其方法。低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、壓縮機(jī)排氣閥門、壓縮機(jī)進(jìn) 氣閥門、制冷機(jī)部件回?zé)崞骱椭评錂C(jī)部件脈管，壓縮機(jī)出口與壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門、制冷機(jī)部件 回?zé)崞骱椭评錂C(jī)部件脈管依次相連接，壓縮機(jī)進(jìn)口與壓縮機(jī)排氣閥門和制冷機(jī)部件回?zé)崞?依次相連接，所述的制冷機(jī)部件回?zé)崞魅肟谔幉⒙?lián)設(shè)有1個以上的主動式配氣裝置，主動 式配氣裝置包括相連接的中間氣庫閥門和中間氣庫。所述的壓縮機(jī)排氣閥門、壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門和中間氣庫閥門為電磁閥或包含高壓通 道、中間壓力通道和低壓通道的旋轉(zhuǎn)閥。低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣方法是在制冷機(jī)部件回?zé)崞魅肟谔幵O(shè)有1個主動式配氣裝置時，制冷循環(huán)包括中間氣庫 進(jìn)氣過程、壓縮機(jī)進(jìn)氣過程、中間氣庫排氣過程和壓縮機(jī)排氣過程。在中間氣庫進(jìn)氣過程 中，中間氣庫閥門打開，中間氣庫向制冷機(jī)提供中間壓力氣體，在壓縮機(jī)進(jìn)氣過程中，壓縮 機(jī)進(jìn)氣閥門打開，壓縮機(jī)向制冷機(jī)提供高壓氣體，在中間氣庫排氣過程中，中間氣庫閥門打 開，中間氣庫回收制冷機(jī)排出的中間壓力氣體，在壓縮機(jī)排氣過程中，壓縮機(jī)排氣閥門打開，壓縮機(jī)回收制冷機(jī)排出的低壓氣體。在制冷機(jī)部件回?zé)崞魅肟谔幵O(shè)有N個主動式配氣裝置時，N > 1，制冷循環(huán)包括一 級中間氣庫進(jìn)氣過程、二級中間氣庫進(jìn)氣過程至N-1級中間氣庫進(jìn)氣過程、N級中間氣庫進(jìn) 氣過程、壓縮機(jī)進(jìn)氣過程、N級中間氣庫排氣過程，N-1級中間氣庫排氣過程至二級中間氣 庫排氣過程、一級中間氣庫排氣過程和壓縮機(jī)排氣過程。在一級中間氣庫進(jìn)氣過程中，一級 中間氣庫閥門打開，一級中間氣庫向制冷機(jī)提供中間壓力氣體，一級中間氣庫進(jìn)氣過程結(jié) 束后，依次進(jìn)行二級中間氣庫進(jìn)氣過程至N級中間氣庫排氣過程，在N級中間氣庫進(jìn)氣過程 中，N級中間氣庫閥門打開，N級中間氣庫向制冷機(jī)提供中間壓力氣體，在壓縮機(jī)進(jìn)氣過程 中，壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門打開，壓縮機(jī)向制冷機(jī)提供高壓氣體，在N級中間氣庫排氣過程中，N級 中間氣庫閥門打開，N級中間氣庫回收制冷機(jī)排出的中間壓力氣體，N級中間氣庫排氣過程 結(jié)束后，依次進(jìn)行N-1級中間氣庫排氣過程至一級中間氣庫排氣過程，在一級中間氣庫排 氣過程中，一級中間氣庫閥門打開，一級中間氣庫回收制冷機(jī)排出的中間壓力氣體，在壓縮 機(jī)排氣過程中，壓縮機(jī)排氣閥門打開，壓縮機(jī)回收制冷機(jī)排出的低壓氣體。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果1)采用低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣方法，在進(jìn)氣過程中中間氣庫可以為制 冷機(jī)提供定壓氣體，在排氣過程中回收制冷機(jī)排出的部分氣體。和傳統(tǒng)壓縮機(jī)配氣方式相 比，可以降低壓縮機(jī)配氣量，從而達(dá)到降低壓縮該部分配氣量耗功的效果；2)采用低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣系統(tǒng)，在進(jìn)、放氣過程中壓縮機(jī)進(jìn)氣閥 門、壓縮機(jī)排氣閥門和中間氣庫閥門工作壓差較小，可以有效降低閥門機(jī)械磨損和節(jié)流產(chǎn) 生的不可逆損失，并且可降低工作噪聲；3)本發(fā)明可以使得配氣系統(tǒng)的工況得到改善，使得包括壓縮機(jī)和配氣閥門在內(nèi)的 整體配氣系統(tǒng)的使用壽命延長，為制冷機(jī)的商業(yè)化和實(shí)用化提供了技術(shù)支持。


圖1為含1個主動式配氣裝置的低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意 圖；圖2為含2個以上主動式配氣裝置的低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 示意圖；圖3為含1個主動式配氣裝置的低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣系統(tǒng)控制時序 圖；圖4為含2個以上主動式配氣裝置的低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣系統(tǒng)的控 制時序圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明如圖1、2所示，低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣系統(tǒng)包括壓縮機(jī)1、壓縮機(jī)排氣 閥門2、壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門3、制冷機(jī)部件回?zé)崞?和制冷機(jī)部件脈管5，壓縮機(jī)1出口與壓縮 機(jī)進(jìn)氣閥門3、制冷機(jī)部件回?zé)崞?和制冷機(jī)部件脈管5依次相連接，壓縮機(jī)1進(jìn)口與壓縮 機(jī)排氣閥門2和制冷機(jī)部件回?zé)崞?依次相連接，所述的制冷機(jī)部件回?zé)崞?入口處并聯(lián)設(shè)有1個以上的主動式配氣裝置，主動式配氣裝置包括相連接的中間氣庫閥門6和中間氣 庫7。所述的壓縮機(jī)排氣閥門2、壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門3和中間氣庫閥門6為電磁閥或包含高 壓通道、中間壓力通道和低壓通道的旋轉(zhuǎn)閥。低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣方法是如圖1、3所示，在制冷機(jī)部件回?zé)崞?入口處設(shè)有1個主動式配氣裝置時，制冷循 環(huán)包括中間氣庫進(jìn)氣過程、壓縮機(jī)進(jìn)氣過程、中間氣庫排氣過程和壓縮機(jī)排氣過程。在中間 進(jìn)氣過程中，中間氣庫閥門6打開，中間氣庫7對制冷機(jī)進(jìn)行進(jìn)氣。制冷機(jī)內(nèi)部壓力到達(dá)設(shè) 定值后，中間氣庫閥門6關(guān)閉，中間氣庫進(jìn)氣過程結(jié)束。在壓縮機(jī)進(jìn)氣過程中，壓縮機(jī)進(jìn)氣 閥門2打開，壓縮機(jī)1對制冷機(jī)進(jìn)行高壓進(jìn)氣。制冷機(jī)內(nèi)部壓力達(dá)到高壓后，壓縮機(jī)進(jìn)氣閥 門3關(guān)閉，壓縮機(jī)進(jìn)氣過程結(jié)束。高壓氣體在制冷機(jī)做功過程結(jié)束后，開始中間氣庫排氣過 程。中間氣庫閥門6打開，中間氣庫7回收制冷機(jī)排出氣體。制冷機(jī)內(nèi)部壓力降低到某一 設(shè)定值后，中間氣庫閥門6關(guān)閉，中間氣庫排氣過程結(jié)束，壓縮機(jī)排氣過程開始。在壓縮機(jī) 排氣過程中，壓縮機(jī)排氣閥門3打開，壓縮機(jī)1回收制冷機(jī)排出氣體，以便減小壓縮機(jī)配氣 量和壓縮配氣量耗功，降低配氣系統(tǒng)的不可逆損失，提高制冷機(jī)性能，改善配氣系統(tǒng)運(yùn)行工 況以及延長配氣系統(tǒng)壽命。如圖2，4所示，當(dāng)制冷機(jī)部件回?zé)崞?入口處設(shè)有N個主動式配氣裝置時，N> 1，制冷循環(huán)包括一級中間氣庫進(jìn)氣過程、二級中間氣庫進(jìn)氣過程至N-1級中間氣庫進(jìn)氣過 程、N級中間氣庫進(jìn)氣過程、壓縮機(jī)進(jìn)氣過程、N級中間氣庫排氣過程，N-1級中間氣庫排氣 過程至二級中間氣庫排氣過程、一級中間氣庫排氣過程和壓縮機(jī)排氣過程。在一級中間氣 庫進(jìn)氣過程中，一級中間氣庫閥門8打開，一級中間氣庫9對制冷機(jī)進(jìn)行進(jìn)氣。制冷機(jī)內(nèi)部 壓力到達(dá)設(shè)定值后，一級中間氣庫進(jìn)氣過程結(jié)束，依次進(jìn)行二級中間氣庫進(jìn)氣過程至N級 中間氣庫進(jìn)氣過程。在N級中間氣庫進(jìn)氣過程中，N級中間氣庫閥門10打開，N級中間氣庫 11對制冷機(jī)進(jìn)行進(jìn)氣。制冷機(jī)內(nèi)部壓力到達(dá)設(shè)定值后，中間氣庫進(jìn)氣過程結(jié)束，壓縮機(jī)進(jìn)氣 過程開始。在壓縮機(jī)進(jìn)氣過程中，壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門2打開，壓縮機(jī)1對制冷機(jī)進(jìn)行進(jìn)氣。制 冷機(jī)內(nèi)部壓力到達(dá)高壓后，壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門2關(guān)閉，壓縮機(jī)進(jìn)氣過程結(jié)束。高壓氣體在制冷 機(jī)做功過程結(jié)束后，N級中間氣庫排氣過程開始。在N級中間氣庫排氣過程中，N級中間氣 庫閥門10打開，N級中間氣庫11回收制冷機(jī)排出氣體。制冷機(jī)內(nèi)部壓力降低到某一設(shè)定 值后，N級中間氣庫閥門10關(guān)閉，N級中間氣庫排氣過程結(jié)束，依次進(jìn)行N-1級中間氣庫排 氣過程至一級中間氣庫排氣過程。在一級中間氣庫排氣過程中，一級中間氣庫閥門8打開， 一級中間氣庫9回收制冷機(jī)排出的中間壓力氣體。制冷機(jī)內(nèi)部壓力降低到設(shè)定值后，一級 中間氣庫閥門8關(guān)閉，一級中間氣庫9排氣過程結(jié)束，壓縮機(jī)排氣過程開始。在壓縮機(jī)排氣 過程中，壓縮機(jī)排氣閥門2打開，壓縮機(jī)1回收制冷機(jī)排出的低壓氣體。對傳統(tǒng)配氣系統(tǒng)和主動式配氣系統(tǒng)進(jìn)行理論計(jì)算，給定參數(shù)制冷機(jī)進(jìn)氣高壓(壓縮機(jī)高壓)pH，制冷機(jī)排氣低壓(制冷機(jī)低壓)pL,中間氣庫壓 力為pM，脈管體積Vp，回?zé)崞骺阵w積為\，脈管和回?zé)崞鳠岫藴囟萒h，冷端溫度IV，室溫L，壓 縮機(jī)入口溫度，壓縮機(jī)絕熱效率為n，絕熱指數(shù)y，比定壓熱容cp，常量Rg。在傳統(tǒng)配氣方式下，壓縮機(jī)配氣量為

假定壓縮機(jī)為不可逆絕熱壓縮，配氣量對應(yīng)耗功為配氣系統(tǒng)的熵產(chǎn)包括壓縮機(jī)不可逆壓縮熵產(chǎn)，壓縮機(jī)進(jìn)氣過程的閥門熵產(chǎn)和壓縮 機(jī)排氣過程的閥門熵產(chǎn)。其中，進(jìn)氣過程可以看作是節(jié)流前壓力恒定(為壓縮機(jī)高而 節(jié)流后壓力逐漸增大(從低壓九到高壓ph)的過程。進(jìn)氣過程看作是節(jié)流前壓力逐漸降低 (從高壓PH到低壓Pl)而節(jié)流后壓力恒定(為壓縮機(jī)低壓PH)的過程。則配氣系統(tǒng)熵產(chǎn)為 上述結(jié)果表明若能在不影響制冷機(jī)總體制冷性能的前提下(即保證制冷機(jī)內(nèi)部 壓比不降低)，降低壓縮機(jī)配氣過程中的壓力差，則可以達(dá)到降低壓縮配氣量耗及其所需耗 功的效果，同時可以顯著降低閥門不可逆損失。以含1個主動式配氣裝置為例，則主動式配氣系統(tǒng)中壓縮機(jī)配氣量為 主動式配氣系統(tǒng)中配氣量耗功為 主動式配氣系統(tǒng)熵產(chǎn)為
和傳統(tǒng)配氣系統(tǒng)相比， 壓縮機(jī)配氣量減少
壓縮機(jī)配氣量耗功減少
配氣系統(tǒng)熵產(chǎn)減少 計(jì)算結(jié)果表明，主動式配氣系統(tǒng)可減小壓縮機(jī)配氣量和壓縮配氣量耗功，降低配 氣系統(tǒng)的不可逆損失。至此，描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明不限于上述的優(yōu)選實(shí)施例，本技 術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明的權(quán)利要求所述的情況下可以對本發(fā)明做出修改。
權(quán)利要求
一種低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣系統(tǒng)，包括壓縮機(jī)(1)、壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門(2)、壓縮機(jī)排氣閥門(3)、制冷機(jī)部件回?zé)崞?4)和制冷機(jī)部件脈管(5)，壓縮機(jī)(1)出口與壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門(2)、制冷機(jī)部件回?zé)崞?4)和制冷機(jī)部件脈管(5)依次相連接，壓縮機(jī)(2)進(jìn)口與壓縮機(jī)排氣閥門(3)和制冷機(jī)部件回?zé)崞?4)依次相連接，其特征在于所述的制冷機(jī)部件回?zé)崞?4)入口處并聯(lián)設(shè)有1個以上的主動式配氣裝置，主動式配氣裝置包括相連接的中間氣庫閥門(6)和中間氣庫(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣系統(tǒng)，其特征在于所 述的壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門(2)、壓縮機(jī)排氣閥門(3)和中間氣庫閥門(6)為電磁閥或包含高壓通 道、中間壓力通道和低壓通道的旋轉(zhuǎn)閥。
3.一種使用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣方法，其特征 在于在制冷機(jī)部件回?zé)崞?4)入口處設(shè)有1個主動式配氣裝置時，制冷循環(huán)包括中間氣庫 進(jìn)氣過程、壓縮機(jī)進(jìn)氣過程、中間氣庫排氣過程和壓縮機(jī)排氣過程；在中間氣庫進(jìn)氣過程 中，中間氣庫閥門(6)打開，中間氣庫(7)向制冷機(jī)提供中間壓力氣體，在壓縮機(jī)進(jìn)氣過程 中，壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門⑵打開，壓縮機(jī)⑴向制冷機(jī)提供高壓氣體，在中間氣庫排氣過程中， 中間氣庫閥門(6)打開，中間氣庫(7)回收制冷機(jī)排出的中間壓力氣體，在壓縮機(jī)排氣過程 中，壓縮機(jī)排氣閥門(6)打開，壓縮機(jī)(1)回收制冷機(jī)排出的低壓氣體。在制冷機(jī)部件回?zé)崞?4)入口處設(shè)有N個主動式配氣裝置時，N> 1，制冷循環(huán)包括一 級中間氣庫進(jìn)氣過程、二級中間氣庫進(jìn)氣過程至N-1級中間氣庫進(jìn)氣過程、N級中間氣庫進(jìn) 氣過程、壓縮機(jī)進(jìn)氣過程、N級中間氣庫排氣過程，N-1級中間氣庫排氣過程至二級中間氣 庫排氣過程、一級中間氣庫排氣過程和壓縮機(jī)排氣過程；在一級中間氣庫進(jìn)氣過程中，一級 中間氣庫閥門(8)打開，一級中間氣庫(9)向制冷機(jī)提供中間壓力氣體，一級中間氣庫進(jìn)氣 過程結(jié)束后，依次進(jìn)行二級中間氣庫進(jìn)氣過程至N級中間氣庫排氣過程，在N級中間氣庫進(jìn) 氣過程中，N級中間氣庫閥門(10)打開，N級中間氣庫(11)向制冷機(jī)提供中間壓力氣體，在 壓縮機(jī)進(jìn)氣過程中，壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門(2)打開，壓縮機(jī)(1)向制冷機(jī)提供高壓氣體，在N級 中間氣庫排氣過程中，N級中間氣庫閥門(10)打開，N級中間氣庫(11)回收制冷機(jī)排出的 中間壓力氣體，N級中間氣庫排氣過程結(jié)束后，依次進(jìn)行N-1級中間氣庫排氣過程至一級中 間氣庫排氣過程，在一級中間氣庫排氣過程中，一級中間氣庫閥門(8)打開，一級中間氣庫 (9)回收制冷機(jī)排出的中間壓力氣體，在壓縮機(jī)排氣過程中，壓縮機(jī)排氣閥門(2)打開，壓 縮機(jī)(1)回收制冷機(jī)排出的低壓氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)的主動式配氣系統(tǒng)及其方法。它包括壓縮機(jī)、壓縮機(jī)排氣閥門、壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門、制冷機(jī)部件回?zé)崞骱椭评錂C(jī)部件脈管，壓縮機(jī)出口與壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門、制冷機(jī)部件回?zé)崞骱椭评錂C(jī)部件脈管依次相連接，壓縮機(jī)進(jìn)口與壓縮機(jī)排氣閥門和制冷機(jī)部件回?zé)崞饕来蜗噙B接，所述的制冷機(jī)部件回?zé)崞魅肟谔幉⒙?lián)設(shè)有1個以上的主動式配氣裝置，主動式配氣裝置包括相連接的中間氣庫閥門和中間氣庫。本發(fā)明是在制冷循環(huán)中加入中間氣庫進(jìn)排氣過程，可降低壓縮機(jī)配氣量以及壓縮機(jī)壓縮配氣量耗功，降低配氣系統(tǒng)的不可逆損失，從而達(dá)到提高制冷機(jī)性能、改善配氣系統(tǒng)運(yùn)行工況和延長配氣系統(tǒng)壽命的目的。
文檔編號F25B41/04GK101852507SQ201010182469
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者王超, 甘智華, 董文慶, 邱利民 申請人:浙江大學(xué)