专利名称：一种节流型脉管制冷机的制作方法
技术领域：
本发明涉及制冷机，尤其涉及一种节流型脉管制冷机。
背景技术：
传统的低温制冷技术主要有绝热膨胀和节流膨胀两种方式。其中绝热膨胀 是将被压縮的高温高压气体定压冷却至常温，再使其绝热膨胀对外做功以减少 气体内能，降低温度。而节流膨胀的原理则是依据能量守恒原则，节流过程焓 值不变，因而总能量不变，气体体积膨胀、分子势能增加，使得分子动能相应 减少，温度相应降低，从而获得低温。
出现于上世纪60年代的脉管制冷机，由于其消除了低温端运动部件，使得 脉管制冷机与传统的G-M制冷机相比，更具有可靠性的优势，因此近年来脉管 制冷机在通讯、航空、军事等诸多领域得到越来越广泛的应用。
传统的脉管制冷机主要有G-M型和斯特林型两种，其制冷效应均来自工质 的绝热膨胀，不同之处仅在于G-M型脉管制冷机需要切换阀将系统在高低压气 源之间切换，而斯特林型脉管则直接使用压縮机产生压力波推动循环进行，产 生制冷量。
脉管制冷机相比较其他类型制冷机有很高的可靠性和低的振动，但由于回 热器填料、传热损失、非均相流等因素的影响，整个系统的制冷量又仅仅来源 于工质气体的绝热膨胀，脉管制冷机在深低温下取得的制冷量非常小，而成本 却相当高，非但如此，本来就微乎其微的制冷量还有相当一部分消耗在漏热上， 这就极大的限制了脉管制冷机在深低温领域的应用。
相比较单纯依靠绝热膨胀的传统脉管制冷机，另一种制冷方式节流膨胀会 增加系统的压力损失，有很大的不可逆性，但却因结构简单、容易操作的优势 在制冷领域得到广泛运用。然而节流膨胀能否制冷取决于节流积分效应的正负， 只有积分效应为正值时才会产生制冷效果。而且为保证积分效应的正值，节流 膨胀需满足以下几个条件节流前温度需在工质的最大与最小转化温度之间； 节流前后的压力也需要控制在相应的范围内，以确保末状态点温度低于节流前温度。
而以上条件在脉管制冷机中都可以满足节流温度问题可通过预冷或选择 合适的工质解决，节流压力可通过充气压力和调节节流部件的开度来控制。理 论上节流膨胀运用于低温制冷机上不存在无法克服的障碍，而且受益于其简单结构和易操作性，低温制冷机不会复杂化，而性能则会有相当的提高。
针对这种情况，我们提出了一种新型的节流型脉管制冷机，它耦合了节流 制冷与膨胀制冷两种制冷方式，在整个工作循环中加入了两个节流制冷的过程， 增加了深低温下的制冷量，可实现节能的目标。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种节流型脉管制冷机。
一种节流型脉管制冷机包括压縮机、级后冷却器、回热器、节流喷管、冷头、 脉管、热端换热器、小孔阀、气库、双向进气阀，压縮机与级后冷却器、回热器、 节流喷管、冷头、脉管、热端换热器、小孔阀、气库依次连接，压縮机出口经双 向进气阀与热端换热器出口相连接。
一种节流型脉管制冷机包括压縮机、级后冷却器、回热器、节流喷管、冷头、 脉管、热端换热器、小孔阀、气库、双向进气阀，压縮机与级后冷却器、回热器、 冷头、节流喷管、脉管、热端换热器、小孔阀、气库依次连接，压縮机出口经双 向进气阀与热端换热器出口相连接。
一种节流型脉管制冷机包括压縮机、切换阀、回热器、节流喷管、冷头、脉 管、热端换热器、小孔阀、气库、双向进气阀，压縮机与切换阀、回热器、节流 喷管、冷头、脉管、热端换热器、小孔阀、气库依次相连接，压縮机出口经双向 进气阀与热端换热器出口相连接。
一种节流型脉管制冷机包括压縮机、切换阀、回热器、节流喷管、冷头、脉 管、热端换热器、小孔阀、气库、双向进气阀，压縮机与切换阀、回热器、冷头、 节流喷管、脉管、热端换热器、小孔阀、气库依次相连接，压縮机出口经双向进 气阀与热端换热器出口相连接。
其中以上所述的节流喷管为开度可调的节流阀。
本发明使得整个制冷机的工作原理除了绝热膨胀以外，又融合了节流制冷， 是不同于传统脉管制冷机的带有节流效应的脉管制冷机。当脉管制冷机运行的 工质气体流经回热器后温度低于其节流临界温度时，工质气体在流过节流喷管 时会引发节流效应，从而获得制冷量。整个循环中，工质气体经过回热器进入 脉管时会有一次节流效应，再从脉管返回回热器时又会再次引发节流效应，两 次节流都会产生一部分制冷量，因而总的制冷量相比较传统脉管制冷机有所增 加，提高了制冷的效率，也达到了节能的效果。
为了验证节流型脉管制冷机的可行性，利用专业低温系统设计软件sage建 立了制冷机模型，并进行数值模拟计算。最后得出，当节流喷管开度达到50%时，整个系统的制冷量达到最大值，与普通脉管制冷机相比，80K时制冷量提 高了2.4W， COP提高了 2.04%。并且节流喷管开度从100%减小到50%时，对 制冷量和COP的贡献都是正向的。因此节流型脉管制冷机从数值模拟的结论上 看也是可行的。
图l(a)为节流喷管与回热器直接相连的节流型斯特林脉管制冷机I型结 构示意图l(b)为节流喷管与脉管冷端直接相连的节流型斯特林脉管制冷机II型结 构示意图2(a)为节流喷管与回热器直接相连的节流型G-M脉管制冷机I型结构示
意图2(b)为节流喷管与脉管冷端直接相连的节流型G-M脉管制冷机II型结构 示意图中压縮机l、级后冷却器2、回热器3、节流喷管4、冷头5、脉管6、 热端换热器7、小孔阀8、气库9、双向进气阀IO、切换阀ll。
具体实施例方式
如图l(a)所示，节流喷管与回热器直接相连的节流型斯特林脉管制冷机I 型包括压縮机l、级后冷却器2、回热器3、节流喷管4、冷头5、脉管6、热端 换热器7、小孔阀8、气库9、双向进气阀IO，压縮机1与级后冷却器2、回热 器3、节流喷管4、冷头5、脉管6、热端换热器7、小孔阀8、气库9依次连接， 压縮机出口经双向进气阀IO与热端换热器出口相连接。所述的节流喷管4为开 度可调的节流阀。
如图l(b)所示，节流喷管与脉管冷端直接相连的节流型斯特林脉管制冷机 II型包括压縮机l、级后冷却器2、回热器3、节流喷管4、冷头5、脉管6、热 端换热器7、小孔阀8、气库9、双向进气阀IO，压縮机1与级后冷却器2、回 热器3、冷头5、节流喷管4、脉管6、热端换热器7、小孔阀8、气库9依次连 接，压縮机出口经双向进气阀IO与热端换热器出口相连接。所述的节流喷管4 为开度可调的节流阀。
如图2(a)所示，节流喷管与回热器直接相连的节流型G-M脉管制冷机I型 包括压缩机l、切换阀ll、回热器3、节流喷管4、冷头5、脉管6、热端换热 器7、小孔阀8、气库9、双向进气阀IO，压縮机l与切换阀ll、回热器3、节 流喷管4、冷头5、脉管6、热端换热器7、小孔阀8、气库9依次相连接，压縮机出口经双向进气阀IO与热端换热器出口相连接。所述的节流喷管4为开度可 调的节流阀。
如图2 (b)所示，节流喷管与脉管冷端直接相连的节流型G-M脉管制冷机 II型包括压縮机l、切换阀ll、回热器3、节流喷管4、冷头5、脉管6、热端 换热器7、小孔阀8、气库9、双向进气阀10，压縮机1与切换阀11、回热器3、 冷头5、节流喷管4、脉管6、热端换热器7、小孔阀8、气库9依次相连接，压 縮机出口经双向进气阀10与热端换热器出口相连接。所述的节流喷管4为开度 可调的节流阀。
当节流型制冷机运行一段时间(时间长短随工质气体的节流临界转化温度 而定)，工质气体温度低于其节流临界转化温度时，工质气体流经回热器进入节 流喷管，引发第一次节流效应，产生附加冷量l，进入脉管后被压縮，热量被热 端换热器带走；压縮机开始吸气冲程，工质气体在脉管内膨胀，产生主冷量； 工质气体被压縮机吸回时再次流经节流喷管，继而再次引发节流效应，产生附 加冷量2.于是在一个节流型脉管制冷机工作循环过程中，制冷机产生的总冷量
总冷量=附加冷量1+主冷量+附加冷量2 这比单纯的脉管制冷机多产生了附加冷量1和附加冷量2，提高了制冷机在深低 温工况下的制冷量和制冷效率。
本制冷机上的节流喷管还可替代成其他节流元件，如普通节流阀、可电控 开度的节流阀等。依据不同的工质和工况，通过调整节流元件的开度来满足节 流的条件，使得机器正常运转。这些也应当视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种节流型脉管制冷机，其特征在于包括压缩机(1)、级后冷却器(2)、回热器(3)、节流喷管(4)、冷头(5)、脉管(6)、热端换热器(7)、小孔阀(8)、气库(9)、双向进气阀(10)，压缩机(1)与级后冷却器(2)、回热器(3)、节流喷管(4)、冷头(5)、脉管(6)、热端换热器(7)、小孔阀(8)、气库(9)依次连接，压缩机出口经双向进气阀(10)与热端换热器出口相连接。
2. —种节流型脉管制冷机，其特征在于包括压縮机(l)、级后冷却器(2)、回 热器(3)、节流喷管(4)、冷头(5)、脉管(6)、热端换热器(7)、小孔阀(8)、气库(9)、 双向进气阀(IO)，压縮机(1)与级后冷却器(2)、回热器(3)、冷头(5)、节流喷管(4)、 脉管(6)、热端换热器(7)、小孔阀(8)、气库(9)依次连接，压縮机出口经双向进气 阀(10)与热端换热器出口相连接。
3. —种节流型脉管制冷机，其特征在于包括压縮机(l)、切换阀(ll)、回热器 (3)、节流喷管(4)、冷头(5)、脉管(6)、热端换热器(7)、小孔阀(8)、气库(9)、双 向进气阀(IO)，压縮机(l)与切换阀(ll)、回热器(3)、节流喷管(4)、冷头(5)、脉 管(6)、热端换热器(7)、小孔阀(8)、气库(9)依次相连接，压縮机出口经双向进气 阀(10)与热端换热器出口相连接。
4. 一种节流型脉管制冷机，其特征在于包括压縮机(l)、切换阀(ll)、回热器 (3)、节流喷管(4)、冷头(5)、脉管(6)、热端换热器(7)、小孔阀(8)、气库(9)、双 向进气阀(IO)，压縮机(l)与切换阀(ll)、回热器(3)、冷头(5)、节流喷管(4)、脉 管(6)、热端换热器(7)、小孔阀(8)、气库(9)依次相连接，压縮机出口经双向进气 阀(10)与热端换热器出口相连接。
5. 根据权利要求1、 2、 3或4所述的一种节流型脉管制冷机，其特征在于， 所述的节流喷管(4)为开度可调的节流阀。
全文摘要
本发明公开了一种节流型脉管制冷机，它包括压缩机、级后冷却器或切换阀、小孔阀、双向进气阀、气库、回热器、节流喷管、脉管、热端换热器和冷头。其中压缩机出口分别与双向进气阀和回热器热端相连，其中GM型脉管制冷机需要在压缩机出口加装切换阀，斯特林型脉管制冷机可在回热器热端前加装级后冷却器，回热器与脉管之间接入节流喷管和冷头，气库经小孔阀与热端换热器和双向进气阀的另一端相连接。本发明将节流制冷与膨胀制冷两种基本制冷原理结合起来构成一种新型脉管制冷机，整个热力循环中包含了膨胀与节流，使得制冷机在工质气体温度低于其节流临界温度时兼备了膨胀制冷与节流制冷，提高了制冷机的制冷效率，增加了低温下的制冷量。
文档编号F25B41/06GK101561197SQ20091009863
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月18日 优先权日2009年5月18日
发明者孙大明, 李卓裴, 凯 王, 甘智华, 邱利民 申请人:浙江大学