一种无回热器的反相气体循环低温制冷机制造技术

本发明专利技术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，本发明专利技术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。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属于制冷与低温
，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。本专利技术的目的在于，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。本专利技术的实施方案如下本专利技术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，从而构成了本专利技术的无回热器的反相气体循环低温制冷机。本专利技术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专利技术附附图说明图1为本专利技术的结构示意图；附图2为本专利技术的逆流换热器的能量平衡示意图；附图3(A)为本专利技术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，本专利技术提供的本专利技术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为本专利技术中的逆流换热器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为本专利技术中逆流换热器通道内部任意一气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：巨永林，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]