一種由傳輸管連接壓縮裝置與回熱器的低溫制冷機制造方法及圖紙

本實用新型專利技術公開了一種由傳輸管連接壓縮裝置與回熱器的低溫制冷機，包括依次連接的回熱式壓縮裝置、傳輸管、預冷換熱器、低溫段回熱器、回熱器冷端換熱器、連接管、脈管冷端換熱器、脈管以及調相機構，還包括：低溫制冷模塊，用于向所述預冷換熱器提供預冷量；絕熱區域，用于將所述預冷換熱器與環境溫度隔絕；本實用新型專利技術用傳輸管代替高溫段回熱器連接室溫端的回熱式壓縮裝置與低溫端的預冷換熱器，減小回熱器導熱損失、氣固換熱損失和聲功損失，提高低溫制冷機的效率。

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及低溫制冷機
，特別涉及一種由傳輸管連接壓縮裝置與回熱器的低溫制冷機。
技術介紹
由于軍事、空間探測等對低溫環境的制冷溫度、可靠性、重量及壽命等要求越來越高，開發20K以下溫區高效、緊湊的低溫制冷機已成為空間用低溫制冷技術的研究熱點。脈管制冷機冷端無運動部件，具有結構緊湊簡單、低振動、低磨損、長壽命等優點，滿足許多特殊場合對低溫制冷可靠性的要求。兩級或多級脈管制冷機可以達到很低的制冷溫度以滿足應用的需求，目前級間耦合方式主要有氣耦合和熱耦合兩種，如圖1和圖2。采用其他冷源冷卻的方案也早有應用，其原理與熱耦合相似，即低溫級的回熱器中部通過中間換熱器被高溫級預冷，降低低溫級的中間換熱器以下回熱器單位質量焓流，從而提高凈制冷量，降低無負荷制冷溫度。對于基礎研究，熱耦合結構由于級間干擾少、易于分析而備受青睞，近年來，熱耦合結構的應用越來越多。回熱器是回熱式制冷機的核心部件，它通過消耗聲功，將一定的熱量從冷端泵送到熱端。根據回熱器的功能，分為預冷回熱器和工作回熱器。預冷回熱器目標在于，在滿足預冷量的前提下，盡可能地向冷端輸送聲功，減小聲功損失；而工作回熱器則必須將增加聲功和減小焓流、導熱損失兩方面均衡考慮。低溫級回熱器為了減小導熱損失和氣固換熱損失，需要較長的回熱器，但回熱器長度增加則流阻增大，導致預冷回熱器的聲功損失增大，到達工作回熱器的聲功減小，使其調相困難且制冷量減小。制冷機的聲功(PV功)通常由線性壓縮機在室溫產生輸入系統，制冷機的熱量通常由回熱器傳遞至室溫排出系統。對于理想的制冷循環(逆卡諾循環)，制冷系數只與高溫熱源TH和低溫熱源TC的溫度有關，高溫熱源溫度越低，COPCarnot越高。空間應用制冷機處于約3K的宇宙微波輻射背景中，可以實現低溫排熱，而目前低溫排熱制冷機的研究和應用非常少。在一根空管內，交變流動工質的壓力波和質量流的相位差因慣性效應而隨空管長度改變，而因空管阻力小，幾乎不損耗聲功。因此長度合適的傳輸管，可調節壓縮機出口的相位角，使其質量流相位領先于壓力波相位，從而達到驅動脈管制冷機的目的。
技術實現思路
本技術提出了一種由傳輸管連接壓縮裝置與回熱器的低溫制冷機，可減小回熱器導熱損失、氣固換熱損失和聲功損失，從而提高低溫制冷機的制冷效率。一種由傳輸管連接壓縮裝置與回熱器的低溫制冷機，包括依次連接的回熱式壓縮裝置、傳輸管、預冷換熱器、低溫段回熱器、回熱器冷端換熱器、連接管、脈管冷端換熱器、脈管以及調相機構，其特征在于，還包括：低溫制冷模塊，用于向所述預冷換熱器提供預冷量；絕熱區域，用于將所述預冷換熱器與環境溫度隔絕。使用時，所述傳輸管在室溫端的回熱式壓縮裝置和低溫下的預冷換熱器間形成溫度梯度，傳遞聲功。本技術將回熱式壓縮裝置在室溫下運行，回熱器熱端置于低溫下，由預冷換熱器連接其他低溫制冷模塊預冷，傳輸管代替高溫段回熱器，連接室溫端的壓縮裝置和低溫下的低溫段回熱器熱端，從而可減小低溫段回熱器導熱損失、氣固換熱損失和聲功損失，從而提高低溫制冷機的制冷效率。低溫制冷模塊可以采用多種方式，為了方便安裝和制造，優選的，所述低溫制冷模塊為液態低溫工質或制冷機冷端。在空間應用中，宇宙低溫輻射背景可提供充足的冷量。考慮其在空間應用等方面的發展前景，優選的，所述低溫制冷模塊為宇宙低溫輻射裝置。優選的，所述低溫制冷模塊的預冷溫度為液氮溫區，液氮的制造簡單，造價低，易于獲得，可以為低溫制冷模塊提供充足的冷量。該溫區也是單級制冷機工作的溫度范圍。一般來說，回熱器冷端質量流落后于壓力波30°(30°)，回熱器熱端質量流領先于壓力波30°(-30°)，即回熱器中部質量流與壓力波的相位差為0°時，回熱器的回熱效率最高。經過對所述傳輸管長度與截面積的設計，利用傳輸管內聲學效應，改變傳輸管內工質質量流和壓力波的相位關系，可在傳輸管出口即低溫段回熱器入口獲得-30°的最優相位。對于不同的相位改變需要，對傳輸管長度和直徑有不同的選擇。為了減小傳輸管損失，優選的截面積為2ρc|U1|/|p1|，其中，ρ為管內氣體密度，近似為一定值，c為聲波聲速，U1為體積流量，p1為管內壓力；優選的長度在λ/4～λ/2的范圍內，其中λ為管內聲波波長。所述傳輸管在優化工質質量流和壓力波的相位關系的同時，將壓縮裝置輸出聲功傳遞至回熱器熱端，驅動低溫制冷機工作，提升低溫制冷機制冷性能。本技術的低溫制冷機，通過設計傳輸管調節的工質壓力波和質量流之間的相位差，在回熱器入口處達到-30°的最優相位，提高低溫段回熱器的回熱效率，從而提升低溫制冷機制冷性能。所述調相機構為慣性管和氣庫或雙向進氣閥組等，優選的，所述脈管的熱端、所述調相機構與所述預冷換熱器相連。低溫調相增強調相功能，使制冷機內獲得更好的相位分布，提高制冷機的性能。本技術的低溫制冷機為脈管制冷機，優選的，所述回熱式壓縮裝置為G-M型壓縮裝置或斯特林型壓縮裝置。脈管制冷機冷頭無運動部件且結構緊湊，具有穩定性高等優點。優選的，所述低溫制冷機為多級脈管制冷機，多級結構為熱耦合結構或者氣耦合結構。級數可以是兩級、三級、四級等，以達到更低的制冷溫度。所述回熱式壓縮裝置處于室溫環境，所述預冷換熱器處于低溫環境，所述傳輸管連接室溫環境的回熱式壓縮裝置與低溫環境下的預冷換熱器。為了提高使制冷機結構更緊湊，優選的，所述連接管為U型管。對于一個制冷系統，輸入功W，在低溫熱源TC產生制冷量，即吸熱在高溫熱源TH排出熱量其卡諾循環效率僅與高溫熱源和低溫熱源的溫度有關。在達到一定的制冷溫度時，高溫熱源溫度TH越低，則其卡諾效率越高。若在中間溫度TM(TC＜TM＜TH)增加散熱根據熱力學第一定律和熱力學第二定律，可逆循環的效率：大于COPCarnot，若增加在多個中間溫度Ti(TC＜Ti＜TH,i＝1,2,3…)排出熱量Qi，則該系統可逆循環的效率隨中間溫度的增加而增加。因此，本技術的低溫制冷機熱量在低溫下排出，制冷機的理論效率可得到提升。本技術的有益效果如下：本技術的低溫制冷機，用傳輸管代替高溫段回熱器連接室溫端的回熱式壓縮裝置與低溫端的預冷換熱器，減小回熱器導熱損失、氣固換熱損失和聲功損失，提高低溫制冷機的效率。本技術的低溫制冷機，熱量在低溫下排除，提高了制冷機的理論效率，其更適用于空間應用。本技術的低溫制冷機，用一根空管作傳輸管代替高溫段回熱器，制冷機結構簡單，且加工成本降低。附圖說明圖1是傳統氣耦合型脈管制冷機級的結構示意圖。圖2是傳統熱耦合型脈管制冷機級的結構示意圖。圖3是制冷機系統卡諾循環框線圖。圖4是本技術的傳輸管連接壓縮裝置和回熱器的制冷機的結構示意圖。其中：1、回熱式壓縮裝置，2、傳輸管，3、級冷器，4、調相機構，5、高溫段回熱器，6、脈管，7、脈管冷端換熱器，8、U型連接管，9、回熱器冷端換熱器，10、低溫段回熱器，11、預冷級U型連接管，12、預冷換熱器，13、預冷級脈管，14、預冷級脈管熱端換熱器，15、預冷級調相機構，16、預冷級回熱器，17、預冷級級冷器，18、真空絕熱系統。具體實施方式如圖3所示，本實施例的低溫制冷機包括回熱式壓縮裝置1、傳輸管2、預冷換熱器12、低溫段回熱器10、回熱器冷端換熱器9、U型連接管8、脈本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種由傳輸管連接壓縮裝置與回熱器的低溫制冷機，包括依次連接的回熱式壓縮裝置、傳輸管、預冷換熱器、低溫段回熱器、回熱器冷端換熱器、連接管、脈管冷端換熱器、脈管以及調相機構，其特征在于，還包括：低溫制冷模塊，用于向所述預冷換熱器提供預冷量；絕熱區域，用于將所述預冷換熱器與環境溫度隔絕。

【技術特征摘要】
1.一種由傳輸管連接壓縮裝置與回熱器的低溫制冷機，包括依次連接的回熱式壓縮裝置、傳輸管、預冷換熱器、低溫段回熱器、回熱器冷端換熱器、連接管、脈管冷端換熱器、脈管以及調相機構，其特征在于，還包括：低溫制冷模塊，用于向所述預冷換熱器提供預冷量；絕熱區域，用于將所述預冷換熱器與環境溫度隔絕。2.如權利要求1所述的由傳輸管連接壓縮裝置與回熱器的低溫制冷機，其特征在于，所述低溫制冷模塊為液態低溫工質或制冷機冷端。3.如權利要求1所述的由傳輸管連接壓縮裝置與回熱器的低溫制冷機，其特征在于，所述低溫制冷模塊為宇宙低溫輻射裝置。4.如權利要求1所述的由傳輸管連接壓縮裝置與回熱器的低溫制冷機，其特征在于，所述低溫制冷模塊的預冷溫度為液氮溫區。5.如權利要求1所述的由傳輸管連接壓縮裝置與回熱器的低溫制冷機，其特征在于，所述脈管的熱端、所述調相機構與所述預冷換熱器相連。6.如權利要求1所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邱利民，黃宸，夏曦，姜曉，植曉琴，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：新型
國別省市：浙江;33