一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统，它解决了涡流管制冷技术存在散热率和制冷效率低下的问题，其采用液氮循环对涡流管热管进行冷却，实现有效提高涡流管的散热率和制冷效率的目的，其技术方案为：包括涡流管制冷系统和液氮冷却系统，所述涡流管制冷系统包括带有喷嘴的进气套筒，进气套筒一端套接冷端管并由密封套筒密封，另一端套接热端管并由密封垫片密封，冷端管、进气套筒和热端管形成涡流室；所述热端管远离进气套筒的一端内部设有整流器；所述液氮制冷系统包括缠绕于热端管外部的螺旋液氮冷却管道，螺旋液氮冷却管道循环输送液氮对热端管进行冷却。

【技术实现步骤摘要】
一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统
本技术涉及涡流管制冷
，特别是涉及一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统。
技术介绍
涡流管是一种结构简单的能量分离装置，由喷嘴、涡流室、冷端管、热端管以及气体控制阀五个核心部分组成。利用能量涡流分离原理，工作时将压缩气体由进气管道通入涡流管喷嘴，由于空间的突然增大以及压力差，气体膨胀加速后以极高的速度沿切线方向进入涡流室，气流在涡流室内形成高速涡旋，由于气体控制阀与冷端管孔板之间的压力差，在涡流管内的中心区域形成回流气体，经过涡流变换后分离成总温不相等的两部分气流。其中，处于中心部位的强制涡回流气流温度降低形成低温气流并由冷端管一侧排除出，而处于外层部位的自由涡气流温度升高形成热气流，从热端管经气体控制阀调节排出。常温压缩空气通过涡流管的能量涡流分离形成冷热两股气流从涡流管两侧分别排出，这就是所谓的"涡流效应"或者"兰克效应"。张春堂等设计了一种涡流管制冷器，其涡流发生器由一端与冷端管相连接的主涡流发生器与套接在主涡流发生器另一端的辅助涡流发生器两部分组成，然后与热端管相连接。通过增加辅助涡流发生器使进入主涡流发生器的气体旋流得到增强并改变气旋角度，增大涡流管内部冷热气流的压差从而增强能量分离效率，达到增强降温效果提高制冷系数的目标。青岛理工大学刘国涛等设计了一种超音速喷嘴涡流管制冷与纳米流体微量润滑耦合供给系统，该系统的低温气体产生装置采用超音速喷嘴，通过提高涡流管喷嘴出口速度、将涡流管喷嘴流道设置为不同流线线型来提高气体在涡流管喷嘴处涡旋强度、对涡流管热管采用强化换热等措施来提高涡流管的能量分离程度，达到有效提高制冷效率的目的。北京航空航天大学的袁松梅等设计了一种收缩式阿基米德型线涡流管喷嘴，其喷嘴包括入气口、喷嘴外部流道、流道挡板、喷嘴流道、喷嘴涡流室和外围挡板，喷嘴流道采用收缩式阿基米德型线设计，且采用了双层流道设计。既可以增加空气在涡流室中的旋转速度，从而提升涡流室中内外层气体的换热效率，又可以避免采用单入气口压缩空气的流量和压力在各个喷嘴流道处分布不均的情况，最终达到提高制冷效率的目的。北京工业大学的马重芳等设计了一种涡流管喷嘴，其喷嘴的流道采用了几何轴对称，气动上沿喷嘴流道的中心轴线按等马赫梯度的设计方法以使气流沿气流轴向速度为等马赫梯度增加，气体流动损失减小；喷嘴进气前流道与喷嘴流道在同一个平面上，沿中线等气体流速设计，即保持进气流道中心线的法向面上的速度与涡流管进口速度一致。一方面可以提高涡流管的制冷温度效应，同时可以提高涡流管达到最大制冷温度效应时的冷流率，从而提高涡流管的单位制冷量和制冷系数。哈尔滨工程大学宋福元等设计了一种新型涡流管制冷装置，包括涡流室机构、热端管、热阀、包腔座和包腔盖，包腔盖套在包腔座上，涡流室机构包括涡流室和压盖，涡流室的数量不少于三个，涡流室机构安装在包腔座里、且涡流室机构的一端与包腔盖相连，热端管安装在包腔盖里，热阀安装在热端管的一端。可以满足实际对冷端流量和温度的需要，结构尺寸比较小，一定程度上提高了制冷流量。综上，在现有的涡流管制冷技术中，涡流管以其结构简单、维护简便、故障率低、无需电能、机械能和化学能等优势得到广泛应用,然而制冷效率低一直是涡流管研究领域的难题，同时热管内热空气的散热困难，对涡流管的能量分离效果也有一定的制约，因此如何设计一种能有效提高散热率并有效提高制冷效率的涡流管制冷系统是本领域技术人员的重点研究内容。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本技术提供了一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统，其采用液氮循环对涡流管热管进行冷却，实现有效提高涡流管的散热率和制冷效率的目的；进一步的，本技术采用下述技术方案：一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统，包括涡流管制冷系统和液氮冷却系统，所述涡流管制冷系统包括带有喷嘴的进气套筒，进气套筒一端套接冷端管并由密封套筒密封，另一端套接热端管并由密封垫片密封，冷端管、进气套筒和热端管形成涡流室；所述热端管远离进气套筒的一端内部设有整流器；所述液氮制冷系统包括缠绕于热端管外部的螺旋液氮冷却管道，螺旋液氮冷却管道循环输送液氮对热端管进行冷却。进一步的，所述冷端管包括冷端管圆盘，冷端管圆盘一端设置流道凸起，冷端管圆盘另一端设置冷端管道。进一步的，所述流道凸起围绕中心设置多条弧形流道槽。进一步的，所述弧形流道槽的形状可以为双阿基米德变径螺线线型型、阿基米德-抛物线线型、阿基米德-圆弧线型中的任意一种。进一步的，所述冷端管圆盘中心设置连通冷端管道和流道凸起的通道。进一步的，所述冷端管道包括依次连接的第一直管段、扩压段和第二直管段，所述第一直管段与冷端管圆盘连接；所述第一直管段内径尺寸小于第二直管段内径尺寸，所述扩压段的内径尺寸由与第一直管段连接处至与第二直管段连接处渐变增大。进一步的，所述热端管包括热端管圆盘，热端管圆盘一端与热端管道连接；所述热端管圆盘中部设置与热端管道连通的通道；所述热端管道包括与热端管圆盘连接的锥形扩张段，锥形扩张段与圆柱直管段连接；所述锥形扩张段内径尺寸由与热端管圆盘连接处至与圆柱直管段连接处渐变增大。进一步的，所述热端管和冷端管对接设置，进气套筒的喷嘴设置于冷端管流道凸起处。进一步的，所述喷嘴为双变径切向喷嘴或渐开线变径喷嘴。进一步的，所述双变径切向喷嘴包括两个以进气套筒中心对称的喷嘴体，喷嘴体与进气套筒相切连接，喷嘴体的内径尺寸由与进气套筒连接端至悬置端渐变增大。进一步的，所述渐开线变径喷嘴包括与进气套筒连接的喷嘴体，喷嘴体的形状为渐开线形，喷嘴体内径尺寸由与进气套筒连接端至悬置端渐变增大。进一步的，所述气体整流器包括圆柱套筒，圆柱套筒套设于热端管内部，所述圆柱套筒内壁设置多个均匀分布的整流叶片。进一步的，相对设置的所述整流叶片之间的间隙逐渐减小至最小而后逐渐增大至最大；相对设置的整流叶片之间的间隙始终大于0。或者，相对设置的所述整流叶片之间的间隙逐渐减小至0而后逐渐增大至最大。进一步的，所述热端管远离进气套筒的一端设置热端调节阀，所述热端调节阀包括套设于热端管外部的气体控制阀阀体，气体控制阀阀体侧壁设置气体控制阀阀芯。进一步的，所述液氮制冷系统还包括液氮循环泵，液氮循环泵通过涡流管进液管道与螺旋液氮冷却管道一端连通，螺旋液氮冷却管道另一端通过液氮运输回流管道与液氮槽连通，液氮槽通过液氮循环泵输出管道与液氮循环泵连通。与现有技术相比，本技术的有益效果是：本技术改进设计的新型喷嘴结构可以减少喷嘴入口的气体拥堵从而减少能量损失，同时起到提高压缩气体速度的作用，有助于提高能量分离效率。本技术改进设计不同线型的涡流管流道形状能够提高涡流室内的涡流效应，有利于冷热两股气体的能量分离。本技术改进设计的热端调节阀也能有效提高涡流能量分离效果，有效降低冷端管气体的温度。本技术设计应用的气体整流器可以人为的制止涡流，为形成中心层回流气流的轴向运动创造了条件，还能够增加涡流层之间的径向梯度，有利于能量传递，能够在不影响制冷效果的同时减小热端管的长度，减小了涡流管的体积。同时，采用扩张式锥形和圆柱式相结合的热管分离室结构能够有效提高涡流管的制冷效率。本技术的液氮循环冷却系统能够及时高效的降低涡流管热端管的温度，从而能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统，其特征是，包括涡流管制冷系统和液氮冷却系统，所述涡流管制冷系统包括带有喷嘴的进气套筒，进气套筒一端套接冷端管并由密封套筒密封，另一端套接热端管并由密封垫片密封，冷端管、进气套筒和热端管形成涡流室；所述热端管远离进气套筒的一端内部设有整流器；所述液氮冷却系统包括缠绕于热端管外部的螺旋液氮冷却管道，螺旋液氮冷却管道循环输送液氮对热端管进行冷却。

【技术特征摘要】
1.一种液氮循环冷却涡流管高效制冷系统，其特征是，包括涡流管制冷系统和液氮冷却系统，所述涡流管制冷系统包括带有喷嘴的进气套筒，进气套筒一端套接冷端管并由密封套筒密封，另一端套接热端管并由密封垫片密封，冷端管、进气套筒和热端管形成涡流室；所述热端管远离进气套筒的一端内部设有整流器；所述液氮冷却系统包括缠绕于热端管外部的螺旋液氮冷却管道，螺旋液氮冷却管道循环输送液氮对热端管进行冷却。2.如权利要求1所述的制冷系统，其特征是，所述冷端管包括冷端管圆盘，冷端管圆盘一端设置流道凸起，冷端管圆盘另一端设置冷端管道；所述流道凸起围绕中心设置多条弧形流道槽；所述热端管和冷端管对接设置，进气套筒的喷嘴设置于冷端管流道凸起处；所述弧形流道槽的形状可以为双阿基米德变径螺线线型型、阿基米德-抛物线线型、阿基米德-圆弧线型中的任意一种。3.如权利要求2所述的制冷系统，其特征是，所述冷端管圆盘中心设置连通冷端管道和流道凸起的通道；所述冷端管道包括依次连接的第一直管段、扩压段和第二直管段，所述第一直管段与冷端管圆盘连接；所述第一直管段内径尺寸小于第二直管段内径尺寸，所述扩压段的内径尺寸由与第一直管段连接处至与第二直管段连接处渐变增大。4.如权利要求1所述的制冷系统，其特征是，所述热端管包括热端管圆盘，热端管圆盘一端与热端管道连接；所述热端管圆盘中部设置与热端管道连通的通道；所述热端管道包括与热端管圆盘连接的锥形扩张段，锥形扩张段与圆柱直...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建超，李长河，张彦彬，杨敏，贾东洲，殷庆安，张晓阳，侯亚丽，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：新型
国别省市：山东,37