采用离心式螺旋型回热器的4k低温脉管制冷机及方法
【专利摘要】本发明涉及一种采用离心式螺旋型回热器的4K低温脉管制冷机及方法，属于制冷【技术领域】。它特点在于三级回热器（13）低于20K温区部位增加了离心式螺旋型流道（5），其中离心式螺旋型流道（5）热端与三级回热器（13）冷端连接，离心式螺旋型流道（5）冷端与三级冷端换热器（18）第一端连接；离心式螺旋流道（5）可以使工作于该温区的流体氦的性质更接近理想气体。因此对于提高低温回热式制冷机的制冷效率有着至关重要的作用。
【专利说明】采用离心式螺旋型回热器的4K低温脉管制冷机及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种采用离心式螺旋型回热器的4Κ温区低温斯特林型脉管制冷机。
【背景技术】
[0002] 低温回热式脉管制冷机由压缩机，回热器，冷端换热器，热端换热器，热桥，惯性 管，气库等部件组成。脉管制冷机结构简单，控制方便，冷端没有运动部件，可靠性高，工作 寿命长，制冷温度低。因为它的优点，近些年低温回热式脉管制冷机在航天领域成为研究热 点。
[0003] 常见的低温回热式脉管制冷机有两种，G-Μ型低频脉管制冷机和斯特林型高频脉 管制冷机。本发明涉及的回热式斯特林型脉管制冷机因其工作频率高，体积小，振动小，在 液氦温区有着重要的应用前景。
[0004] 低温回热式脉管制冷机的工作温区低至20Κ以下，在此温区，工质氦的实际气体 性质会显著偏离理想气体性质。实际气体损失是低温回热式脉管制冷机在低温温区的主导 损失。降低实际气体损失的有效方法是降低压力。比如使用节流管对气体节流降压，增加 膨胀装置，双向进气让时均焓流达到最大值等等。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是采用离心式螺旋型回热器，使流体更接近理想气体的性质，减小 流体偏离理想气体性质而造成的损失，从而提高4Κ温区脉管制冷机的效率。
[0006] -种采用离心式螺旋型回热器的4Κ温区低温脉管制冷机，包括一级回热式脉管 制冷机、二级回热式脉管制冷机、三级回热式脉管制冷机、热桥； 其中一级回热式脉管制冷机包括一级压缩机、一级冷却器、一级回热器、一级脉管、一 级热端换热器、一级惯性管、一级气库；其中一级压缩机的出口与一级冷却器的入口相连， 一级冷却器的出口又与一级回热器的入口相连，一级脉管的出口连接一级热端换热器第 一端，一级热端换热器第二端经过一级惯性管连接一级气库； 其中二级回热式脉管制冷机包括二级压缩机、二级冷却器、二级回热器、二级脉管、二 级热端换热器、二级惯性管、二级气库；其中二级压缩机出口连接二级冷却器入口，二级 冷却器出口连接二级回热器入口，二级脉管出口连接二级热端换热器第一端，二级热端换 热器第二端经过二级惯性管连接二级气库； 其中三级回热式脉管制冷机包括三级压缩机、三级冷却器、三级回热器、离心式螺旋型 流道、三级冷端换热器、三级脉管、三级热端换热器、三级惯性管、三级气库；其中三级压缩 机出口连接三级冷却器入口，三级冷却器出口连接三级回热器热端，三级回热器冷端连接 三级冷端换热器第一端，三级冷端换热器第二端连接三级脉管入口，三级脉管出口连接三 级热端换热器第一端，三级热端换热器第二端通过三级惯性管连接三级气库； 上述一级回热器的出口和一级脉管的入口由热桥连接到三级回热器和二级回热器，二 级回热器的出口和二级脉管的入口由热桥连接到三级回热器、三级脉管的出口和三级热端 换热器； 其特征在于：第三级脉管制冷机采用离心式螺旋型回热器，此回热器使工作于该温区 的流体氦的性质更接近理想气体。
[0007] 采用离心式螺旋型回热器的4K温区低温脉管制冷机的特征包括以下过程： 第一级的制冷过程为一级压缩机压缩气体后，气体进入一级冷却器降温，接着气体进 入一级回热器进一步降温后，进入一级脉管。气体在一级脉管内压缩并将热量通过一级热 端换热器排出后回流，回流过程中膨胀降温，并吸收来自热桥的热负荷。一级惯性管和一级 气库对气体调相。依靠热桥的热耦合，一级回热式脉管制冷机对二级回热式脉管制冷机和 三级回热式脉管制冷机预冷，二级回热式脉管制冷机对三级回热式脉管制冷机预冷。
[0008] 第二级的制冷过程是二级压缩机压缩气体后，使气体进入二级冷却器降温，接着 气体进入二级回热器进一步降温后，进入二级脉管。气体在二级脉管内压缩并将热量通过 二级热端换热器排出后回流，回流过程中膨胀降温，吸收来自热桥的热负荷。二级惯性管和 二级气库对气体调相。依靠热桥的热耦合，二级回热式脉管制冷机对三级回热式脉管制冷 机预冷。
[0009] 第三级的制冷过程是三级压缩机压缩气体后，使气体进入三级冷却器降温，接着 气体进入三级回热器进一步降温后，进入三级脉管。气体在三级脉管内压缩并将热量通过 三级热端换热器排出后回流，回流过程中膨胀降温，吸收来自三级冷端换热器的热负荷。三 级惯性管和三级气库对气体调相。第三级回热器冷端内部填充有铜丝网保证换热以及从螺 旋型流道流出的氦工质的层流化，螺旋型流道使工作于该温区的流体氦的性质更接近理想 气体。第三级回热器冷端内部填充有铜丝网保证换热以及从螺旋型流道流出的氦工质的层 流化，离心式螺旋流道从热端到冷端其螺旋半径逐渐减小，它的作用是使工作于该温区的 流体氦的性质更接近理想气体。
[0010] 采用离心式螺旋型回热器的4K低温脉管制冷机和其他脉管制冷机相比。当流体 从回热器热端流至冷端的过程中，回热器中工作流体氦的流道面积逐渐减小，流体速度增 大，压力降低，从而使流体的性质更接近于理想气体，减小由于氦工质偏离理想气体特性导 致的回热器损失；当流体从脉管回流，经过离心式螺旋型回热器，回热器中工作流体氦的流 道面积逐渐增大，流体速度降低，压力逐渐增大。沿螺旋型回热器内部热端至冷端方向形成 逐渐减小的压力梯度，使得回热器冷端工质处于低压环境，减小了实际气体损失，而回热器 螺旋型流道热端工质处于相对较高压力下，更利于提高工质在各自温区的制冷效应。20K温 区以下实际气体损失为4K温区低温回热式制冷机的主导损失(约占50%-80%)。相比于二维 渐缩型回热器流道，离心式螺旋流道的流通面积变化更平缓，有利于流体的层流化。本发明 通过在低于20K温区部位采用离心式螺旋型回热器，使工作于该温区的流体氦性质更接近 理想气体，因此对于提高低温回热式制冷机的制冷效率有着至关重要的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1为一种低温回热式斯特林型脉管制冷机； 图2为离心式螺旋型回热器的螺旋型流道； 图3为实际气体损失QUOTE < ft >P < ? >P和冷端PV功之比与压强的关系； 图中的标号名称：1、一级压缩机，2、一级冷却器，3、一级回热器，4、热桥，5、离心式螺 旋型流道，6、一级脉管，7、一级热端换热器，8、一级惯性管，9、一级气库，10、一级回热式脉 管制冷机，11、三级压缩机，12、三级冷却器，13、三级回热器，14、三级气库，15、三级惯性管， 16、三级热端换热器，17、三级脉管，18、三级冷端换热器，19、三级回热式脉管制冷机，20、二 级压缩机，21、二级冷却器，22、二级回热器，23、二级脉管，24、二级热端换热器，25、二级惯 性管，26、二级气库，27、二级回热式脉管制冷机。
【具体实施方式】
[0012] 图1所示，采用了离心式螺旋型回热器的4K低温脉管制冷机，包括一级回热式脉 管制冷机10、二级回热式脉管制冷机27、三级回热式脉管制冷机19、热桥4 ; 其中一级回热式脉管制冷机10包括一级压缩机1、一级冷却器2、一级回热器3、一级脉 管6、一级热端换热器7、一级惯性管8、一级气库9;其中一级压缩机1的出口与一级冷却器 2的入口相连，一级冷却器2的出口又与一级回热器3的入口相连，一级脉管6的出口连接 一级热端换热器7第一端，一级热端换热器7第二端经过一级惯性管8连接一级气库9 ; 其中二级回热式脉管制冷机27包括二级压缩机20、二级冷却器21、二级回热器22、二 级脉管23、二级热端换热器24、二级惯性管25、二级气库26;其中二级压缩机20出口连接 二级冷却器21入口，二级冷却器21出口连接二级回热器22入口，二级脉管23出口连接 二级热端换热器24第一端，二级热端换热器24第二端经过二级惯性管25连接二级气库 26 ； 其中三级回热式脉管制冷机19包括三级压缩机11、三级冷却器12、三级回热器13、离 心式螺旋型流道5、三级冷端换热器18、三级脉管17、三级热端换热器16、三级惯性管15、三 级气库14;其中三级压缩机11出口连接三级冷却器12入口，三级冷却器12出口连接三级 回热器13热端，三级回热器13冷端连接三级冷端换热器18第一端，三级冷端换热器18第 二端连接三级脉管17入口，三级脉管17出口连接三级热端换热器16第一端，三级热端换 热器16第二端通过三级惯性管15连接三级气库14 ;上述一级回热器3出口、一级脉管6入 口、三级回热器13、二级回热器22的中部通过第一热桥4-1依次连接到一起；二级脉管23 入口、二级回热器22出口、三级回热器13、三级脉管17出口、三级热端换热器16第一端通 过第二热桥4-2依次连接到一起； 所述的回热式斯特林型脉管制冷机第三级加上了离心式螺旋型回热器，当流体从回热 器热端流至冷端的过程中，回热器中工作流体氦的流道面积逐渐减小，流体速度增大，流体 压力降低，从而使流体的性质更接近于理想气体，减小由于氦工质偏离理想气体特性导致 的回热器损失；当流体从脉管回流至回热器时，流体经过离心式螺旋型流道，回热器中工作 流体氦的流道面积逐渐增大，流体速度降低，压力逐渐增大，沿回热器冷端至热端方向形成 逐渐增大的压力梯度，使得回热器冷端工质处于低压环境，而螺旋型回热器热端工质处于 相对较高压力下，更利于提高工质在各自温区的制冷效应，从而提高了制冷机的制冷效率。
[0013] 图2所示，离心式螺旋型回热器由渐缩管道盘旋而成。流体因管道的截面积变化 而改变流速和体积比。相比于二维渐缩型回热器，离心式螺旋型回热器流道的流通面积变 化更平缓，有利于流体的层流化。
[0014] 图3所示，工质氦-3和氦-4实际气体焓流QUOTE <ft>P <?!>Ρ和冷端PV功 之比随着压力的变化。通常情况下把QUOTE +< ft >p <fl>p即与压力项相关的焓流作为 实际气体损失的衡量标准。在20K以下温区该项损失为4K温区回热器的主导损失。在较 低压力下，工质性质接近于理想气体，制冷机的实际气体损失小，有利于提高制冷效率。通 过使用离心式螺旋型回热器，能够显著降低工质氦在20Κ以下温区的压力。
[0015] 本发明的具体的实施方法是：该低温回热式脉管制冷机为三级热耦合型结构，低 温下各级气路不互相干扰。此结构参数清晰、分步优化、确定性好。该脉管制冷机的三级 分别使用三台压缩机驱动气体，一二级制冷机给三级提供预冷。当三级回热器中的流体进 入离心式螺旋型回热器，回热器中工作流体氦的流道面积逐渐减小，流体速度增大，压力降 低，从而使流体的性质更接近于理想气体，减小由于氦工质偏离理想气体特性导致的回热 器损失；当流体从脉管回流至回热器时，流体经过离心式螺旋型流道，回热器中工作流体氦 的流道面积逐渐增大，流体气流速度降低，压力逐渐增大。沿螺旋型回热器热端至冷端方向 形成逐渐减小的压力梯度，使得回热器冷端工质处于低压环境，减小了实际气体损失，而回 热器螺旋型流道热端工质处于相对较高压力下，更利于提高工质在各自温区的制冷效应， 从而提高了低温回热式制冷机的制冷效率。
[0016] 该制冷机加装离心式螺旋型流道后，在保留结构简单、可靠性高、制冷温度低的优 点同时，制冷效率得到了提高，对于更好地改进脉管制冷机有着重要意义。
【权利要求】
1. 一种采用了离心式螺旋型回热器的4K低温制冷机，包括一级回热式脉管制冷机 (10)、二级回热式脉管制冷机（27)、三级回热式脉管制冷机（19)、热桥（4); 其中一级回热式脉管制冷机（10)包括一级压缩机（1)、一级冷却器（2)、一级回热器 (3)、一级脉管（6)、一级热端换热器（7)、一级惯性管（8)、一级气库（9);其中一级压缩机 (1)的出口与一级冷却器（2)的入口相连，一级冷却器（2)的出口又与一级回热器（3)的入 口相连，一级脉管（6)的出口连接一级热端换热器（7)第一端，一级热端换热器（7)第二端 经过一级惯性管（8)连接一级气库（9); 其中二级回热式脉管制冷机（27)包括二级压缩机（20)、二级冷却器（21)、二级回热器 (22)、二级脉管（23)、二级热端换热器（24)、二级惯性管（25)、二级气库（26);其中二级压 缩机（20)出口连接二级冷却器（21)入口，二级冷却器（21)出口连接二级回热器（22)入 口，二级脉管（23 )出口连接二级热端换热器（24 )第一端，二级热端换热器（24 )第二端经过 二级惯性管（25)连接二级气库（26); 其中三级回热式脉管制冷机（19)包括三级压缩机（11)、三级冷却器（12)、三级回热器 (13)、离心式螺旋型流道（5)、三级冷端换热器（18)、三级脉管（17)、三级热端换热器（16)、 三级惯性管（15)、三级气库（14);其中三级压缩机（11)出口连接三级冷却器（12)入口，三 级冷却器（12)出口连接三级回热器（13)热端，三级回热器（13)冷端连接三级冷端换热器 (18)第一端，三级冷端换热器（18)第二端连接三级脉管（17)入口，三级脉管（17)出口连 接三级热端换热器（16 )第一端，三级热端换热器（16 )第二端通过三级惯性管（15 )连接三 级气库（14);上述一级回热器（3)出口、一级脉管（6)入口、三级回热器（13)、二级回热器 (22)的中部通过第一热桥（4-1)依次连接到一起；二级脉管（23)入口、二级回热器（22)出 口、三级回热器（13)、三级脉管（17)出口、三级热端换热器（16)第一端通过第二热桥（4-2) 依次连接到一起； 其特征在于： 三级回热器（13)低于20Κ温区部位增加了离心式螺旋型流道（5)，其中离心式螺旋型 流道（5)热端与三级回热器（13)冷端连接，离心式螺旋型流道（5)冷端与三级冷端换热器 (18)第一端连接；离心式螺旋流道（5)从热端到冷端其螺旋半径逐渐减小，它的作用是使 工作于该温区的流体氦的性质更接近理想气体。
2. 根据权利要求1所述的采用离心式螺旋型回热器的4Κ温区低温制冷机的制冷方法， 其特征在于包括以下过程： 第一级的制冷过程是一级压缩机（1)压缩气体后，使气体进入一级冷却器（2)降温，接 着气体进入一级回热器（3)进一步降温后，进入一级脉管（6);气体在一级脉管（6)内压缩 并将热量通过一级热端换热器（7)排出后回流，回流过程中膨胀降温，吸收来自热桥（4)的 热负荷；一级惯性管（8 )和一级气库（9 )对气体调相；依靠热桥（4-1)的热耦合，一级回热式 脉管制冷机（10)对二级回热式脉管制冷机（27)和三级回热式脉管制冷机（19)进行预冷， 二级回热式脉管制冷机（28)对三级回热式脉管制冷机（19)进行预冷； 第二级的制冷过程是二级压缩机（20)压缩气体后，使气体进入二级冷却器（21)降温， 接着气体进入二级回热器（22)进一步降温后，进入二级脉管（23);气体在二级脉管（23)内 压缩并将热量通过二级热端换热器（24)排出后回流，回流过程中膨胀降温，吸收来自热桥 (4-2)的热负荷；二级惯性管（25)和二级气库（26)对气体调相；依靠热桥（4-2)的热耦合， 二级回热式脉管制冷机（23)对三级回热式脉管制冷机（19)预冷； 第三级的制冷过程是三级压缩机（11)压缩气体后，使气体进入三级冷却器（12)降温， 接着气体进入三级回热器（13)进一步降温后，进入三级脉管（17);气体在三级脉管（17)内 压缩并将热量通过三级热端换热器（24)排出后回流，回流过程中膨胀降温，吸收来自三级 冷端换热器（18)的热负荷；三级惯性管（15)和三级气库（14)对气体调相；第三级回热器 冷端内部填充有铜丝网保证换热以及从螺旋型流道流出的氦工质的层流化，螺旋型流道使 工作于该温区的流体氦的性质更接近理想气体。
【文档编号】F25B9/14GK104296411SQ201410523678
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】李卓裴, 胡沛, 夏颖, 蒋彦龙 申请人:南京航空航天大学