专利名称：一种无回热器的反相气体循环低温制冷机的制作方法
技术领域：
本发明属于制冷与低温技术领域，特别涉及一种无回热器的反相气体循环低温制冷机。
对于常规气体回热式制冷机(如脉冲管制冷机，G-M制冷机，斯特林制冷机)，一个最重要的部件是回热器，它是由具有高比热容和低阻力系数的多孔介质固体填料组成，填料可以是细金属丝网(不锈钢，磷青铜等)，小金属球或颗粒，磁性材料等组成。在制冷机的一个周期工作的过程中，气体工质在排气膨胀半个周期过程中产生的冷量部分的储存在回热器中，用于预冷从压缩机来的高压高温气体工质；在另半个周期，气体工质充气压缩过程中产生的热量也部分储存在该回热器中。由于气体工质的循环流动工作过程中的吸热和放热过程均在回热器中完成，所以常规气体回热式制冷机效率的高低取决于回热器的热效率，因而要求气体工质在回热器中运动过程的各种损失要尽可能的小(1)回热器填料的阻力系数要小，使得气体工质在其中的流动过程阻力小，压降小，为此要求回热器填料空隙率大；(2)回热器填料的比换热面积要大，径向导热系数大，以增强气体工质和回热器填料之间的换热量，为此要求回热器填料的空隙率小；(3)回热器填料的比热容要大，使得回热器填料的蓄冷能力大；(4)回热器填料的轴向导热系数小，以减小轴向导热损失。而这些要求又是互相矛盾的，因而对回热器的实际设计要求很高，造成现有回热器的尺寸大，结构复杂，造价昂贵，长期工作效率下降。
本发明的目的在于，克服常规气体回热式低温制冷机采用结构复杂的回热器的缺点，提出了一种无回热器的反相气体循环低温制冷机。
本发明的实施方案如下本发明提供的无回热器的反相气体循环低温制冷机，其特征在于，包括两个结构完全相同的无回热器的子制冷机和高效逆流换热器，该两个结构完全相同的无回热器的子制冷机的冷端并联在高效逆流换热器的冷端，高效逆流换热器的主通道由2N组子通道组成，N为1-4的正整数；所述的两个结构完全相同的无回热器的子制冷机为常规回热式气体脉冲管制冷机、GM脉冲管或斯特林制冷机；所述的两个结构完全相同的无回热器的子制冷机热端带有调节小孔和气库。
工作时，这两个结构完全相同的无回热器的子制冷机中的气体工质时刻运行在反相位(180°相位差)工作状况，在逆流换热器中，当其中一个子制冷机中的气体工质在逆流换热器的一个通道内朝一个方向上运动并吸收(放出)热量时，另一个子制冷机中的气体工质在逆流换热器的另一个通道内朝相反的方向运动并放出(吸收)热量，反之依然。热量传递是通过逆流换热器两通道之间的间壁进行的，从而构成了本发明的无回热器的反相气体循环低温制冷机。
本发明提供的无回热器的反相气体循环低温制冷机，用一个高效逆流换热器代替两个子制冷机中结构复杂的回热器，结构简单，紧凑，可靠性和制冷效率高。
下面结合附图及实施例进一步描述本发明附
图1为本发明的结构示意图；附图2为本发明的逆流换热器的能量平衡示意图；附图3(A)为本发明逆流换热器通道内部任意一微元质点工作过程中的温度变化示意图；附图3(B)为逆流换热器通道内部任意一微元质点实际运行轨迹示意图。
其中压缩机1 连接管道2旋转阀系统3金属软管4 逆流换热器5 子制冷机61、62小孔7 气库8逆流换热器总长度L逆流换热器热端气体工质的温度TH1、TH2逆流换热器冷端气体工质的温度TL1、TL2逆流换热器热端气体工质的焓流HH1、HH2逆流换热器冷端气体工质的焓流HL1、HL2逆流换热器热端气体工质的熵流SH1、SH2逆流换热器冷端气体工质的熵流SL1、SL2逆流换热器热端气体工质的导热QCH1、QCH2逆流换热器冷端气体工质的导热QCL1、QCL2逆流换热器两主通道气体工质之间的换热量Qe逆流换热器热端的平均温度TH、TL
长度坐标L 温度T任一时刻气体工质的温度Tg1、Tg1任一两气体微元之间的温度差dTg逆流换热器总温度梯度ΔTHL任一两气体微元之间的微元温度梯度dT绝热压缩过程a-b、a-b’ 绝热膨胀过程c-d、c-d’等压放热过程b-c、b’-c’ 等压吸热过程d-a气体微元一周期热力循环过程a-b-c-d、a-b’-c’-d实线SX为当两个子制冷机61、62运行在同相位工作过程时的温度变化示意图；虚线XX为当两个子制冷机61、62运行在反相位工作过程时的温度变化示意图。
由图1可知，本发明提供的本发明提供的一种无回热器的反相气体循环低温制冷机，包括两个结构完全相同的无回热器的子制冷机61、61和高效逆流换热器5，该两个结构完全相同的无回热器的子制冷机61和62的冷端并联在高效逆流换热器5的冷端，高效逆流换热器5的主通道由2N组子通道组成，N为1-4的正整数；所述的两个结构完全相同的无回热器的子制冷机61和62为常规回热式气体脉冲管制冷机、GM脉冲管制冷机或斯特林制冷机；所述的两个结构完全相同的无回热器的子制冷机61和62的热端带有调节小孔7和气库8。
图1所示的无回热器的反相气体循环低温制冷机的实施例中，其结构是压缩机1经两根连接管道2与一个旋转阀3组成高压和低压供气系统，该系统通过两根长1-4米的金属软管4与逆流换热器5相连，逆流换热器5的主通道由2N组子通道组成，N为1-4的正整数，本实施例中，其主通道由2组通道构成；两个完全相同的无回热器的子制冷机61和62通过逆流换热器5的两个主通道分别与旋转阀3的高压和低压进气孔相连通。在一个周期的工作过程中，压缩机1分别与旋转阀3的高压和低压进气孔相连通，所以两个子制冷机61和62中的气体工质在任何时候都运行在反相位(180°相位差)工作状况，即当其中一个子制冷机工作在排气膨胀过程中，另一个子制冷机则工作在充气压缩过程中，反之依然。图1中给出了在半个周期中气体工质在该逆流换热器5的两个通道中运动方向箭头，在另半个周期中气体工质运动方向箭头相反。当两个子制冷机61和62为常规脉冲管制冷机时，它们的热端还可以有调节相位的小孔7和气库8。同样，分别与两个子制冷机61和62相连的逆流换热器5的两个主通道中的气体工质，在任何时候也运行在反相位(180°相位差)工作状况，即当其中一个制冷机中的气体工质在逆流换热器5的其中一组通道内朝一个方向上运动并吸收(放出)热量时，另一个制冷机中的气体工质在逆流换热器的另一个通道内朝相反的方向运动并放出热量(吸收)，反之依然。热量传递是通过该逆流换热器两通道之间的间壁进行的。
图2为本发明中的逆流换热器5的能量平衡示意图。这里，我们通过分析逆流换热器5内部的能量平衡来说明其可以产生制冷效应，即产生温度梯度。设逆流换热器总长度为L，沿该逆流换热器轴向取坐标，逆流换热器5与旋转阀3相连的一端定义为l＝0，另一端，即与子制冷机相连的一端为l＝L，如图2所示。通过热力学分析，我们得到沿逆流换热器5的轴向可以产生ΔTHL＝TH-TL的温度梯队 其中TH，TL分别是逆流换热器5两端(l＝0和l＝L)的平均温度，t为时间，tc为周期，F为换热面积，αh为气体和逆流换热器材料之间的换热系数，κre为逆流换热器材料的轴向导热系数。因此，为了获得大的温度梯队ΔTHL，即获得较低的制冷温度，所采用的逆流换热器应当具有较大的比换热面积，较大的径向导热系数，较小的轴向导热系数，同时该逆流换热器应具有较小的空容积和压降。
图3为本发明中逆流换热器通道内部任意一气体微元质点(称第一气体微元质点)工作过程中的温度变化示意图。图中实线表示当两个子制冷机61和62运行在同相位工作状况时第一气体微元质点的温度变化；虚线表示当两个子制冷机61和62中运行在反相位(180°相位差)工作状况时第一气体微元质点的温度变化。
下面将详细说明在本发明中逆流换热器通道内部气体工质的运动过程及如何产生轴向温度梯度ΔTHL＝TH-TL的。考虑逆流换热器5的一个主通道(我们称为通道TD1，则另一通道为TD2)内部第一气体微元质点随压力的周期性振荡过程，它经历两个绝热压缩和膨胀过程(曲线a-b、c-d)，两个等压换热过程(曲线b-c、d-a)，为简单起见，我们考虑如图3(A)所示的矩型不连续过程(曲线a-b-c-d)，而不是实际的连续过程[如图3(B)]。在充气压缩过程中，该第一气体微元质点沿通道TD1的轴向从最初的位置朝L端运动，其温度升高(曲线a-b)；在排气膨胀过程中，该第一气体微元质点朝初始位置运动，其温度下降(曲线c-d)。在一个周期内该第一气体微元质点的平均温度变化可以用曲线(曲线a-c)表示。如果两个子制冷机61和62中在任何时候都运行在同相位工作状况，则(曲线b-c)过程放出的热量应该等于(曲线d-a)过程吸收的热量，则在一个周期内该第一气体微元质点的平均温度变化为零，气体工质温度不变，保持在初始状态(如图3中的实线SX所示)。
当两个子制冷机61和62中运行在反相位(180°相位差)工作状况时，在充气压缩过程中，该第一气体微元质点沿通道TD1的轴向从最初的位置朝L端运动，其温度升高(曲线a-b)；因为通道TD1和通道TD2内部的工质气体时刻运行在反相位工作状态，所以通道TD2内部相对应于该第一气体微元质点的另一气体微元质点(第二气体微元质点)正工作在排气膨胀过程中，其温度低于该第一气体微元质点的温度。也就是说第一气体微元质点和第二气体微元质点之间有dTg＝Tg1-Tg2的温度差。根据能量平衡原理，通道TD1内的第一气体微元质点将被通道TD2中的第二气体微元质点冷却，其温度会降低(曲线b-b’)。热量传递是通过该逆流换热器两主通道之间的间壁进行的，传递量等于两通道内运行在不同压力下工作气体的焓差。所以在充气压缩过程中，第一气体微元质点所经历的热力学过程是曲线a-b’，而不是曲线a-b。在等压换热过程所释放的热量应当与两个子制冷机运行在同相位工作状态时相同，因为压缩机所作的功是相同的。所以在等压放换热过程，第一气体微元质点的热力学过程是曲线b’-c’，而不是曲线b-c。
在排气膨胀过程中，第一气体微元质点沿通道TD1的轴向朝初始位置运动，其温度进一步下降(曲线c’-d)；因为通道TD1和通道TD2内部的工质气体时刻运行在反相为工作状态，所以通道TD2内部相对应于第一气体微元质点的第二气体微元质点正工作在充气压缩过程中。根据能量平衡原理，通道TD1内的第一气体微元质点将从通道TD2中的第二气体微元质点吸收热量，吸收的热量与曲线b-b’过程放出的热量相同，则第一气体微元质点的温度会到达平衡状态。
最后，在等压吸热过程中，根据能量守衡原理，所吸热的热量应当等于曲线b’-c’，过程所释放的热量，从而回到初始位置。这就意味着当两个子制冷机61和62中运行在反相位工作状况时，第一气体微元质点所经历的热力学过程是曲线a-b’-c’-d’-a，而不是曲线a-b-c-d-a。即在一个周期内该第一气体微元质点的平均温度变化是曲线曲线a-c’，而不是曲线a-c，从而沿轴向产生一微小温度梯度dT。在逆流换热器5的通道内有无数第一气体微元质点一样运行的气体微元质点，它们经历相似的运动过程，每个气体微元质点在一个周期内都传递一微元能量，产生一微小温度梯度dT，所有的气体微元质点的总效果就会获得较大的温度梯队ΔTHL＝TH-TL，如图3(A)的虚线XX所示。
权利要求
1.一种无回热器的反相气体循环低温制冷机，其特征在于，包括两个结构完全相同的无回热器的子制冷机和高效逆流换热器，该两个结构完全相同的无回热器的子制冷机的冷端并联在高效逆流换热器的冷端，高效逆流换热器的主通道由2N组子通道组成，N为1-4的正整数。
2.权利要求书1所述的无回热器的反相气体循环低温制冷机，其特征在于，所述的两个结构完全相同的无回热器的子制冷机为常规回热式气体脉冲管制冷机、GM脉冲管制冷机或斯特林制冷机。
3.权利要求书1所述的无回热器的反相气体循环低温制冷机，其特征在于，所述的两个结构完全相同的无回热器的子制冷机带有调节小孔和气库。
全文摘要
本发明涉及的无回热器的反相气体循环低温制冷机,包括两个结构完全相同的无回热器的子制冷机和高效逆流换热器,该两个子制冷机的冷端并联在高效逆流换热器的冷端,高效逆流换热器的主通道由2N组子通道组成,N为1－4正整数;子制冷机为常规回热式气体脉冲管制冷机、GM脉冲管或斯特林制冷机,带有调节小孔的气库,本发明采用一个高效逆流换热器代替结构复杂的回热器,结构简单,紧凑,可靠性高。
文档编号F25B5/02GK1373335SQ0110909
公开日2002年10月9日 申请日期2001年2月28日 优先权日2001年2月28日
发明者巨永林 申请人:中国科学院理化技术研究所