采用超声波雾化装置的4k回热式低温制冷机及制冷方法
【专利摘要】本发明涉及一种采用超声波雾化装置的4K回热式低温制冷机。它包括一级压缩机、液氦温区回热式低温制冷机，超声波雾化装置。当制冷工质氦-4处于20K以下的低温温区时，由于分子间引力显著增大，氦-4的性质更接近凝聚状态的液体，使得回热器内的压力焓损失、不可逆回热损失和导热损失急剧增大，同时氦的膨胀效率也会降低，由实际气体效应引起的损失逐渐增大。因此,如何减小实际气体效应导致的损失是提高液氦温区回热式低温脉管制冷机效率的关键。本发明在于利用超声波的雾化原理，通过在液氦温区段安装超声波雾化装置使液氦雾化，使其更接近于理想气体状态工作，该发明对于提高低温区的制冷效率具有十分重要的意义。
【专利说明】采用超声波雾化装置的4K回热式低温制冷机及制冷方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及制冷机，尤其涉及一种采用超声波雾化装置的液氦温区回热式低温制冷机。
【背景技术】
[0002]回热式低温制冷机主要由回热器、压缩机、室温端换热器、冷端换热器、膨胀机构以及调相机构组成。回热式低温制冷机在低温下具有结构简单、可靠性高、寿命长、高的回热效率、低的流动阻力等优点，因此近年来回热式低温制冷机逐渐成为低温制冷领域的研究热点。
[0003]几种常见的低温回热式制冷机包括斯特林制冷机、G-M制冷机和脉管制冷机。
[0004]为了获得优良的制冷性能，需要使用具有优越的热力性质的流体作为工质。在低温工程中，氦是一种常见的工质。在所有的低温流体中，氦的性质最接近于理想气体，因为氦的分子势能很小。氦是获取IOK以下低温的唯一制冷工质，也是低温制冷机最理想的制冷工质。因此在军事、空间、超导等方面氦流体有着广泛的应用。
[0005]尽管氦是一种理想的低温制冷剂工质，但随着温区的不断下降，在20K以下的低温温区回热器内压力焓损失、不可逆换热损失和导热损失都会增大，同时液氦的膨胀率降低，由实际气体效应引起的损失逐渐增大，液氦温区的制冷量几乎被耗尽。大多数液氦制冷机为工作频率为IHz左右的G-M制冷机或者G-M型脉管制冷机。在液氦温区只有0.5-1%的卡诺效率。因此，减小回热器内的压力焓损失及不可逆换热损失，改善膨胀机构中氦-4的膨胀效率以提高制冷机效率，成为亟需解决的关键科学问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种在液氦温区时采用超声波雾化装置的制冷效率高、可靠性能高的回热式低温制冷机。
[0007]它包括三种常用的回热式制冷机，分别为脉管制冷机、G-M制冷机和斯特林制冷机。
[0008]一种采用超声波雾化装置的脉管制冷机，包括预冷级制冷机、热桥、超声波雾化装置、液氦温区低温制冷机；其中预冷级制冷机包括压缩机一、一级回热器、一级脉管、一级惯性管和一级气库；其中压缩机一的出口与一级回热器入口相连，一级脉管出口通过所述一级惯性管与一级气库入口相连；
其中液氦温区回热式低温制冷机包括压缩机二、二级回热器、二级脉管、二级惯性管和二级气库；其中压缩机二的出口与二级回热器的入口相连，二级回热器的出口通过冷头与二级脉管的入口相连，二级脉管的出口通过所述二级惯性管与二级气库入口相连；
上述一级回热器的出口和一级脉管的入口通过热桥与液氦温区脉管制冷机回热器中部相连；
其特征在于:上述二级回热器最末端20K温区以下部位安装有超声波雾化装置，通过超声波雾化装置使液氦雾化为细小的气雾。
[0009]采用超声波雾化装置的脉管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气体通过压缩机一进入一级回热器热端，流入一级回热器的工质气体被一级回热器充分冷却后，从冷端进入一级脉管，一级脉管冷端的气体质量流量与压力波之间产生一定的相位差，工质在一级脉管冷端膨胀产生制冷效应，而在一级脉管热端放热；两级之间通过热耦合使一级为二级提供预冷，二级的制冷方式与一级相同。上述二级回热器最末端20K温区以下部位安装有超声波雾化装置，通过超声波雾化装置使液氦雾化为细小的气雾。
[0010]脉管制冷机特点为与其他现行的制冷机相比，脉管制冷机由于不存在低温运动部件从而提高了寿命，消除了以前冷头部件的颤动，膨胀和振动小，可以在很大程度上减少质量、提高可靠性降低费用、延长寿命。在液氦温区增加超声波雾化装置，使制冷剂以微小气雾的形式喷出，使氦-4工质分子间距增大，更接近于理想气体状态工作，增大了低温温区的效率，减小了回热器内的压力焓损失、不可逆换热损失和导热损失，同时增大了液氦温区氦的膨胀率，从而与未采用超声波雾化装置的液氦温区回热式低温制冷机相比可显著改善制冷效率改善了液氦温区回热式低温制冷机尤其是20K温区以下的制冷性能。
[0011]一种采用超声波雾化装置的G-M制冷机，它包括预冷级制冷机、热桥、超声波雾化装置、液氦温区低温制冷机；
其中预冷级制冷机包括压缩机一、两个一级进气阀、一级冷却器、一级回热器、一级排除器和两个一级排气阀；其中压缩机一的出口依次经过第一个一级进气阀、一级冷却器、第二个一级进气阀与一级回热器的入口相连，一级排出器的出口依次经过所述两个一级排出阀与压缩机一出口相连；
其中液氦温区回热式低温制冷机包括压缩机二、两个二级进气阀、二级冷却器、二级回热器、二级排出器，两个二级排气阀和冷头；其中压缩机二的出口依次经过第一个二级排气阀二级冷却器、第二个二级排气阀与二级回热器入口相连，二级回热器的出口通过冷头与二级排出器的入口相连，二级排出器的出口依次通过所述两个二级排气阀与压缩机二出口相连。
[0012]上述一级回热器的出口和一级排出器的入口通过热桥与液氦温区脉管制冷机回热器中部相连。
[0013]其特征在于:上述二级回热器最末端20K温区以下部位安装有超声波雾化装置，通过超声波雾化装置使液氦雾化为细小的气雾。
[0014]采用超声波雾化装置的G-M制冷机的制冷方法，其特征在于包括以下过程:气体在压缩机一中压缩，与此同时打开一级进气阀，气体经一级冷却器冷却进入一级回热器，经回热器冷却进入一级排出器；一级进气阀关闭，打开以及排气阀；气体冷却回热器填料后温度升高，进入低压贮气罐，然后由一级压缩机吸入，压缩后再次进入高压贮气罐；同时，推移活塞重新移动到气缸底部，排气阀关闭；周而复始，整个系统连续工作，冷头温度逐步降低，连续不断地制取冷量；两级之间通过热耦合使一级为二级提供预冷，二级的制冷方式与一级相同。上述二级回热器最末端20K温区以下部位安装有超声波雾化装置，通过超声波雾化装置使液氦雾化为细小的气雾。
[0015]G-M制冷机具有结构简单、运转可靠、性能稳定、使用寿命长等优点。在液氦温区增加超声波雾化装置，使制冷剂以微小气雾的形式喷出，使氦-4工质分子间距增大，更接近于理想气体状态工作，增大了低温温区的效率，减小了回热器内的压力焓损失、不可逆换热损失和导热损失，同时增大了液氦温区氦的膨胀率，从而与未采用超声波雾化装置的液氦温区回热式低温制冷机相比可显著改善制冷效率改善了液氦温区回热式低温制冷机尤其是20K温区以下的制冷性能。
[0016]一种采用超声波雾化装置的斯特林制冷机，其特征在于:它包括预冷级制冷、热桥、超声波雾化装置、液氦温区低温制冷机。
[0017]其中预冷级制冷机包括压缩机一、一级冷却器、一级回热器、一级排出器；压缩机一的出口与一级冷却器入口相连，一级冷却器出口同时与一级回热器入口和一级排出器出口相连；
其中液氦温区回热式低温制冷机包括压缩机二、二级冷却器、二级回热器、二级排出器和冷头；压缩机二的出口与二级冷却器入口相连，二级冷却器出口同时与二级回热器入口和二级排出器出口相，二级回热器的出口通过冷头与二级排出器的入口相连；上述一级回热器的出口和一级排出器的入口通过热桥与液氦温区脉管制冷机回热器中部相连。
[0018]其特征在于:二级回热器最末端20K温区以下部位安装有超声波雾化装置，通过超声波雾化装置使液氦雾化为细小的气雾。
[0019]采用超声波雾化装置的斯特林制冷机的制冷方法，其特征在于包括以下过程:第一级的制冷过程是压缩机一将工质压缩至高压，在一级冷却器中气体被冷却，向环境放出热量；一级排出器与压缩机一活塞机械相联，但是它们的运动维持一定的相位差，以保证工质在处于环境温度下的压缩腔与处于低温下的膨胀腔之间流动；当工质从压缩机一经过一级回热器向下端流动时，回热填料从工质中吸取热量，同时一级排出器功回收至压缩机供压缩机使用；两级之间通过热耦合使一级为二级提供预冷，二级的制冷方式与一级相同。上述二级回热器最末端20K温区以下部位安装有超声波雾化装置，通过超声波雾化装置使液氦雾化为细小的气雾。
[0020]斯特林制冷机具有效率高、结构紧凑、起动快、操作方便和温度范围宽广等优点，适用于制冷量小的场合。在液氦温区增加超声波雾化装置，使制冷剂以微小气雾的形式喷出，使氦-4工质分子间距增大，更接近于理想气体状态工作，增大了低温温区的效率，减小了回热器内的压力焓损失、不可逆换热损失和导热损失，同时增大了液氦温区氦的膨胀率，从而与未采用超声波雾化装置的液氦温区回热式低温制冷机相比可显著改善制冷效率改善了液氦温区回热式低温制冷机尤其是20K温区以下的制冷性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为一种回热式低温制冷机即液氦温区脉管制冷机；
图2为一种回热式低温制冷机即液氦温区G-M制冷机；
图3为一种回热式低温制冷机即液氦温区斯特林制冷机；
图4为超声波雾化装置图；
图5为氦的膨胀率随温度变化图；
图中的标号名称:1、预冷级制冷机，2、压缩机一,3、一级气库,4、一级回热器,5、一级脉管，6、热桥，7、液氦温区回热式低温制冷机，8、压缩机二，9、一级惯性管，10、二级回热器，11、二级气库，12、冷头，13、超声波雾化装置，14、二级脉管，15、二级惯性管，16 —级冷却器，17、一级排出器，18、二级冷却器，19、二级排出器，20、一级进气阀，21、一级排气阀，22、二级进气阀，23、二级排出阀。
【具体实施方式】
[0022]图1所示，采用超声波雾化装置的两级脉管制冷机包括包括预冷级制冷机1、热桥
6、超声波雾化装置13、液氦温区回热式低温制冷机7 ;其中预冷级制冷机I包括压缩机一2、一级回热器4、一级脉管5、一级惯性管9和一级气库3 ;其中压缩机一 2的出口与一级回热器4入口相连，一级脉管5出口通过所述一级惯性管9与一级气库3入口相连；液氦温区回热式低温制冷机7包括压缩机二 8、二级回热器10、二级脉管14、二级惯性管15和二级气库11 ;其中压缩机二 8的出口与二级回热器10的入口相连，二级回热器10的出口通过冷头12与二级脉管14的入口相连，二级脉管14的出口通过所述二级惯性管9与二级气库11入口相连；上述超声波雾化装置13置于二级回热器10最末端20K温区以下部位，通过雾化装置使液氦雾化为细小的气雾；一级回热器4的出口和一级脉管5的入口通过热桥6与液氦温区脉管制冷机回热器中部相连。
[0023]所述的液氦温区制冷机为回热式制冷机。液氦温区段采用了超声波雾化装置，雾化器通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液氦分子结构打散而产生自然飘逸的液氦雾。
[0024]图2所示，采用超声波雾化装置的两级G-M制冷机，它包括预冷级制冷机1、热桥
6、超声波雾化装置13、液氦温区回热式低温制冷机7 ;其中预冷级制冷机I包括压缩机一
2、一级进气阀20、一级冷却器16、一级回热器4、一级排出器17和一级排气阀21 ;其中压缩机一 2的出口与一级进气阀20相连，两个进气阀20通过一级冷却器16相连，一级回热器4入口与一级进气阀20出口相连接，一级排出器17 —端通过一级排气阀21与压缩机一 2出口相连接。液氦温区回热式低温制冷机7包括压缩机二 8、二级进气阀22、二级冷却器18、二级回热器10、二级排出器19，二级排气阀23和冷头12 ;其中压缩机二 8的出口与二级排气阀23的入口相连，两个二级进气阀20通过二级冷却器18相连接，二级回热器10入口与二级进气阀20出口相连，二级回热器10的出口通过冷头12与二级排出器19的入口相连，二级排出器19的出口通过所述二级排气阀21与压缩机二 8出口相连；上述超声波雾化装置13置于二级回热器10最末端20K温区以下部位，通过雾化装置使液氦雾化为细小的气雾。上述一级回热器4的出口和一级排出器17的入口通过热桥6与液氦温区脉管制冷机回热器中部相连。所述的液氦温区制冷机为回热式制冷机。液氦温区段采用了超声波雾化装置，雾化器通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液氦分子结构打散而产生自然飘逸的液氦雾。
[0025]图3所示，采用超声波雾化装置的两级斯特林制冷机。它包括预冷级制冷机1、热桥6、超声波雾化装置13、液氦温区回热式低温制冷机7。其中预冷级制冷机I包括压缩机一 2、一级冷却器16、一级回热器4、一级排出器17 ;压缩机一 2的出口与一级冷却器16入口相连，一级冷却器16出口同时与一级回热器4入口和一级排出器17出口相连。液氦温区回热式低温制冷机7包括压缩机二 8、二级冷却器18、二级回热器10、二级排出器19和冷头12 ;压缩机二 8的出口与二级冷却器18入口相连，二级冷却器18出口同时与二级回热器10入口和二级排出器19出口相，二级回热器10的出口通过冷头12与二级排出器19的入口相连上述超声波雾化装置13置于二级回热器10最末端20K温区以下部位，通过雾化装置使液氦雾化为细小的气雾。上述一级回热器4的出口和一级排出器17的入口通过热桥6与液氦温区脉管制冷机回热器中部相连
图4所示为超声波雾化装置，雾化装置不需加热或添加任何化学试剂，通过一定的振荡电路手段，与压电陶瓷固有振荡频率产生共振，使与压电陶瓷接触的液氦雾化为微小气雾。
[0026]图5所示为氦的膨胀率随温度，从中可以看出随着温度的不断下降，膨胀率逐步减小，采用雾化装置不仅不需加热或添加任何化学试剂，而且可以使制冷机在满足液氦温区制冷的同时增大液氦的膨胀率，同时也可减小回热器内的压力焓损失，不可逆换热损失和导热损失。
[0027]本发明具体的实施方法是:该回热式制冷机制冷机采用热耦合型结构(即分离型结构)，各级通过冷量连接而气体回路相互独立，力图使各级的能量流和质量流明确，以利于预测与分析。该制冷机通过热桥连接各级，各热桥均可拆装，使得各级的分步加工与测试成为可能。该两级制冷机采用两台压缩机驱动。而两台压缩机分别采用高精度的变频电源驱动。当制冷剂到达液氦温区制冷机时，首先进入超声波雾化器，此时水位开关检测到有液体时会自动接通振荡器的工作电源，机器开始工作，喷雾口看到有液氦雾喷出。
[0028]该制冷机与其他制冷机相比，具有制冷效率高、结构简单、安全可靠等优点。通过选用超声波雾化装置，可同步实现液氦温区制冷和制冷效率的提高，对于提高脉管制冷机液氦温区的制冷效率具有重要意义。
【权利要求】
1.一种采用超声波雾化装置的脉管制冷机，包括预冷级制冷机(1)、热桥(6)、超声波雾化装置(13)、液氦温区回热式低温制冷机(7)； 其中预冷级制冷机(1)包括压缩机一(2)、一级回热器(4)、一级脉管(5)、一级惯性管(9)和一级气库(3);其中压缩机一(2)的出口与一级回热器(4)入口相连，一级脉管(5)出口通过所述一级惯性管(9)与一级气库(3)入口相连； 其中液氦温区回热式低温制冷机(7)包括压缩机二(8)、二级回热器(10)、二级脉管(14)、二级惯性管(15)和二级气库(11);其中压缩机二(8)的出口与二级回热器(10)的入口相连，二级回热器(10)的出口通过冷头(12)与二级脉管(14)的入口相连，二级脉管(14)的出口通过所述二级惯性管(15 )与二级气库(11)入口相连； 上述一级回热器(4)的出口和一级脉管(5)的入口通过热桥(6)与液氦温区脉管制冷机回热器中部相连； 其特征在于:上述二级回热器(10)最末端20K温区以下部位安装有超声波雾化装置(13)，通过超声波雾化装置(13)使液氦雾化为细小的气雾。
2.根据权利要求1所述的采用超声波雾化装置的脉管制冷机的制冷方法，其特征在于包括以下过程: 第一级的制冷过程是气体通过压缩机一(2)进入一级回热器(4)热端，流入一级回热器(4)的工质气体被一级回热器充分冷却后，从冷端进入一级脉管(5)，一级脉管(5)冷端的气体质量流量与压力波之间产生一定的相位差，工质在一级脉管(5)冷端膨胀产生制冷效应，而在一级脉管热端放热；两级之间通过热耦合使一级为二级提供预冷，二级的制冷方式与一级相同；上述二级回热器(10)最末端20K温区以下部位安装有超声波雾化装置(13)，通过超声波雾化装置(13)使液氦雾化为细小的气雾。
3.一种采用超声波雾化装置的G-M制冷机，它包括预冷级制冷机(1)、热桥(6)、超声波雾化装置(13)、液氦温区回热式低温制冷机(7)； 其中预冷级制冷机(1)包括压缩机一(2)、两个一级进气阀(20)、一级冷却器(16)、一级回热器(4)、一级排出器(17)和两个一级排气阀(21);其中压缩机一(2)的出口依次经过第一个一级进气阀(20)、一级冷却器(16)、第二个一级进气阀(20)与一级回热器(4)的入口相连，一级排出器(17)的出口依次经过所述两个一级排气阀(21)与压缩机一(2)出口相连； 其中液氦温区回热式低温制冷机(7)包括压缩机二(8)、两个二级进气阀(22)、二级冷却器(18)、二级回热器(10)、二级排出器(19)，两个二级排气阀(23)和冷头(12);其中压缩机二(8)的出口依次经过第一个二级排气阀(20)二级冷却器(18)、第二个二级排气阀(23)与二级回热器(10)入口相连，二级回热器(10)的出口通过冷头(12)与二级排出器(19)的入口相连，二级排出器(19)的出口依次通过所述两个二级排气阀(23)与压缩机二(8)出口相连； 上述一级回热器(4)的出口和一级排出器(17)的入口通过热桥(6)与液氦温区脉管制冷机回热器中部相连； 其特征在于:上述二级回热器(10)最末端20K温区以下部位安装有超声波雾化装置(13)，通过超声波雾化装置(13)使液氦雾化为细小的气雾。
4.根据权利要求3所述的用超声波雾化装置的G-M制冷机的制冷方法，其特征在于包括以下过程: 气体在压缩机一(2)中压缩，与此同时打开一级进气阀(20)，气体经一级冷却器(16)冷却进入一级回热器(4)，经回热器(4)冷却进入一级排出器(17);—级进气阀(20)关闭，打开一级排气阀(21);气体冷却回热器填料后温度升高，进入低压贮气罐，然后由压缩机一(2)吸入，压缩后再次进入高压贮气罐；同时，推移活塞重新移动到气缸底部，排气阀关闭；周而复始，整个系统连续工作，冷头温度逐步降低，连续不断地制取冷量；两级之间通过热耦合使一级为二级提供预冷，二级的制冷方式与一级相同；上述二级回热器(10)最末端20K温区以下部位安装有超声波雾化装置(13)，通过超声波雾化装置(13)使液氦雾化为细小的气雾。
5.一种采用超声波雾化装置的斯特林制冷机，其特征在于:它包括预冷级制冷机(I)、热桥(6 )、超声波雾化装置(13)、液氦温区低温制冷机(7 ); 其中预冷级制冷机(I)包括压缩机一(2)、一级冷却器(16)、一级回热器(4)、一级排出器(17);压缩机一(2)的出口与一级冷却器(16)入口相连，一级冷却器(16)出口同时与一级回热器(4)入口和一级排出器(17)出口相连； 其中液氦温区回热式低温制冷机(7)包括压缩机二(8)、二级冷却器(18)、二级回热器(10)、二级排出器(19)和冷头(12);压缩机二(8)的出口与二级冷却器(18)入口相连，二级冷却器(18)出口同时与二级回热器(10)入口和二级排出器(19)出口相，二级回热器(10)的出口通过冷头(12)与二级排出器(19)的入口相连；上述一级回热器(4)的出口和一级排出器(17)的入口通过热桥(6)与液氦温区脉管制冷机回热器中部相连；其特征在于:二级回热器(10)最末端 20K温区以下部位安装有超声波雾化装置(13)，通过超声波雾化装置(13)使液氦雾化为细小的气雾。
6.根据权利要求5所述的采用超声波雾化装置的斯特林制冷机的制冷方法，其特征在于包括以下过程:第一级的制冷过程是压缩机一(2)将工质压缩至高压，在一级冷却器(16)中气体被冷却，向环境放出热量；一级排出器(19)与压缩机一(2)活塞机械相联,但是它们的运动维持一定的相位差，以保证工质在处于环境温度下的压缩腔与处于低温下的膨胀腔之间流动；当工质从压缩机一(2)经过一级回热器(4)向下端流动时，回热填料从工质中吸取热量，同时一级排出器(17)功回收至压缩机供压缩机使用；两级之间通过热耦合使一级为二级提供预冷，二级的制冷方式与一级相同；上述二级回热器(10)最末端20K温区以下部位安装有超声波雾化装置(13)，通过超声波雾化装置(13)使液氦雾化为细小的气雾。
【文档编号】F25B9/14GK103994597SQ201410227530
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】李卓裴, 夏颖, 胡沛, 蒋彦龙 申请人:南京航空航天大学