專利名稱:絕熱膨脹-放氣回?zé)崾街评浞椒捌溲b置的制作方法
本發(fā)明屬于低溫制冷技術(shù)及其裝置領(lǐng)域。
眾所周知，Gifford-McMahon(簡(jiǎn)稱G-M)制冷方法及其裝置是1959年美國(guó)人Gifford提出的，其制冷循環(huán)由等容進(jìn)氣、等壓進(jìn)氣、絕熱放氣和等壓排氣四個(gè)過(guò)程組成(文獻(xiàn)〔1〕、U.S.Patent 2，966，035;〔2〕、H.O.McMahon，W.E.GiffordA New Low Temprature Gas Expansion Cycle，part I，《Advances in Cryogenic Engineering》，Vol.5，354-367，1959)。這種制冷方法及其裝置的缺點(diǎn)是絕熱放氣的不可逆性大，因而循環(huán)效率低。
二十多年來(lái)，G-M制冷裝置做了許多改進(jìn)，這些改進(jìn)可參閱下列資料〔3〕邊紹雄等《小型低溫制冷機(jī)》，121-125，127-134，152-156，163-169，機(jī)械工業(yè)出版社，1983。
〔4〕W.E.Gifford，T.E.HoffmanA New Refrigeration System for 4.2K，《Advances in Cryogenic Engineering》，Vol.6，82-94，1961。
〔5〕張亮“小型平面旋轉(zhuǎn)配氣閥門”，《制冷學(xué)報(bào)》，NO.4，1980。
〔6〕U.S.Patent 3，119，237。
以上文章所述的僅僅是對(duì)G-M制冷裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，目的在于提高其可靠性，增長(zhǎng)無(wú)維修運(yùn)轉(zhuǎn)周期，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，而其制冷方法沒(méi)有改變，這些G-M制冷方法及其裝置仍存在著熱力學(xué)效率低，單位制冷量能量消耗大等不足處。
本發(fā)明的目的在于提供一種新的效率較高的制冷方法及其裝置來(lái)代替G-M制冷方法及其裝置，它不但具有G-M制冷方法及其裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、無(wú)維修運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，而且比G-M制冷方法及其裝置的效率更高，單位制冷量的能量消耗小等優(yōu)點(diǎn)。
絕熱膨脹-放氣回?zé)崾街评浞椒ㄊ歉鶕?jù)以下熱力學(xué)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的在閉式系統(tǒng)中，氣體的初、終狀態(tài)不變的情況下，用絕熱膨脹和絕熱放氣兩個(gè)過(guò)程來(lái)代替單一的絕熱放氣過(guò)程，則熱力學(xué)循環(huán)的不可逆性降低，效率提高。
附圖1是本發(fā)明的制冷裝置膨脹機(jī)冷腔P-V圖。
附圖2是本發(fā)明的制冷裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。
附圖3(a)是本發(fā)明的制冷裝置膨脹機(jī)的推移活塞位置圖，圖中縱坐標(biāo)為推移活塞的位置，A為上止點(diǎn)，B為下止點(diǎn)。
附圖3(b)示出本發(fā)明的制冷裝置中膨脹機(jī)進(jìn)、排氣閥的開度在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的變化，縱坐標(biāo)為氣閥開度，C為進(jìn)氣閥開度，D為排氣閥開度，E點(diǎn)為氣閥全開，F(xiàn)點(diǎn)為氣閥關(guān)閉。
現(xiàn)參照附圖2介紹本發(fā)明的制冷裝置的結(jié)構(gòu)和組成。
本發(fā)明的制冷裝置與G-M制冷裝置相類似，包括壓縮機(jī)組(16)和膨脹機(jī)(17)兩大部分。壓縮機(jī)組(16)包括壓縮機(jī)(1)、冷卻器(2)、氣體純化器(3)、高壓貯氣罐(4)和低壓貯氣罐(5)。壓縮機(jī)組(16)連續(xù)地向膨脹機(jī)(17)供給高壓純凈的室溫工作氣體。膨脹機(jī)(17)由進(jìn)氣閥(6)、排氣閥(7)、冷卻器(8)、氣缸(9)、推移活塞(10)、回?zé)崞?11)、負(fù)荷換熱器(12)、真空罩(15)以及推移活塞和氣閥的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(附圖2中未標(biāo)出)組成。在膨脹機(jī)(17)中，除了進(jìn)氣閥(6)、排氣閥(7)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、推移活塞的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和冷卻器(8)之外，所有部件均包在真空罩(15)中，以防止外界熱量傳入低溫區(qū)域。膨脹機(jī)(17)可以與壓縮機(jī)組(16)遠(yuǎn)距離布置，工作氣體用軟管相連通。膨脹機(jī)(17)不受壓縮機(jī)(1)振動(dòng)的影響，也不受其運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的制約，可以低頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，以增加無(wú)維修運(yùn)轉(zhuǎn)周期、減少振動(dòng)、膨脹機(jī)的進(jìn)氣閥(6)和排氣閥(7)均在室溫下工作，可靠性高。
本發(fā)明的制冷裝置與G-M制冷裝置的區(qū)別在于(Ⅰ)參照附圖3，本發(fā)明制冷裝置中膨脹機(jī)進(jìn)氣閥(6)的停氣相位角θ的范圍為π/2＜θ＜π，即進(jìn)氣度i的范圍是0＜i＜1，而G-M制冷裝置的進(jìn)氣度i＝1。
(Ⅱ)參照附圖2，本發(fā)明制冷裝置中，在膨脹機(jī)(17)的熱端增加了一個(gè)冷卻器(8)，該冷卻器(8)的作用是降低由熱腔(14)流向回?zé)崞?11)的氣體溫度，對(duì)循環(huán)效益有利。
下面參照附圖1、2、3來(lái)說(shuō)明本發(fā)明制冷方法的實(shí)現(xiàn)及其單級(jí)制冷裝置的工作原理。
本發(fā)明的制冷方法由等容進(jìn)氣過(guò)程1-2、等壓進(jìn)氣過(guò)程2-3、絕熱膨脹過(guò)程3-4、絕熱放氣過(guò)程4-5、等壓排氣過(guò)程5-1，共五個(gè)過(guò)程組成。
設(shè)在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)周期中，回?zé)崞?11)已具有從室溫Ta到制冷溫度Tc的溫度梯度，開始時(shí)刻，膨脹機(jī)(17)的進(jìn)氣閥(6)，排氣閥(7)均關(guān)閉，推移活塞(10)處于下止點(diǎn)，冷腔(14)中工質(zhì)處于附圖1中的狀態(tài)1。
等容進(jìn)氣過(guò)程1-2推移活塞(10)不動(dòng)，進(jìn)氣閥(6)開啟，高壓氣體進(jìn)入熱腔(14)和回?zé)崞?11)，平衡后達(dá)到狀態(tài)2。在此過(guò)程中，熱腔(14)中氣體經(jīng)歷著絕熱進(jìn)氣過(guò)程，溫度升高。
等壓進(jìn)氣過(guò)程2-3推移活塞(10)向上運(yùn)動(dòng)，把熱腔(14)中的部分氣體推出，經(jīng)過(guò)冷卻器(8)時(shí)，被冷卻到接近于室溫Ta，再經(jīng)過(guò)回?zé)崞?11)被冷卻后進(jìn)入冷腔(13)。伴隨著氣體溫度的降低，壓力也有降低的趨勢(shì)，所以，與此同時(shí)，還有一部分由進(jìn)氣閥(6)進(jìn)入的高壓氣體經(jīng)回?zé)崞?11)進(jìn)入冷腔(13)。當(dāng)推移活塞到達(dá)某一中間位置(狀態(tài)3)時(shí)，進(jìn)氣閥關(guān)閉。
絕熱膨脹過(guò)程3-4推移活塞(10)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，直至上止點(diǎn)。冷腔(13)中的氣體膨脹，而熱腔(14)中的氣體被推出，經(jīng)冷卻器(8)和回?zé)崞?11)冷卻后進(jìn)入冷腔(13)，故冷腔(13)中氣體經(jīng)歷了有進(jìn)氣的絕熱膨脹過(guò)程，并伴隨著氣體溫度的降低。這個(gè)過(guò)程不同于普通膨脹機(jī)中的等熵膨脹過(guò)程。
絕熱放氣過(guò)程4-5推移活塞(10)停在上止點(diǎn)不動(dòng)，排氣閥(7)打開，冷腔(13)中的氣體經(jīng)負(fù)荷換熱器(12)吸熱(制冷)，再經(jīng)過(guò)回?zé)崞?11)、排氣閥(7)排向低壓貯氣罐(5)。冷腔(13)中剩余的氣體溫度隨壓力的減少而降低，這個(gè)過(guò)程是有制冷效應(yīng)的過(guò)程。
等壓排氣過(guò)程5-1推移活塞(10)向下運(yùn)動(dòng)、直至下止點(diǎn)，冷腔(13)中的剩余氣體經(jīng)負(fù)荷換熱器(12)吸熱(制冷)，再經(jīng)過(guò)回?zé)崞?11)復(fù)熱后，一部分經(jīng)冷卻器(8)進(jìn)入熱腔(14)，一部分經(jīng)排氣閥(7)到低壓貯氣罐(5)，達(dá)到狀態(tài)1時(shí)，關(guān)閉排氣閥(7)。這個(gè)過(guò)程也有制冷效應(yīng)。至此，整個(gè)循環(huán)結(jié)束，并周而復(fù)始的連續(xù)制冷。
本發(fā)明的制冷方法也可實(shí)現(xiàn)多級(jí)制冷裝置，以獲得不同溫度水平的冷量，或者獲得更低溫度的冷量，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的單級(jí)制冷機(jī)，其冷腔行程容積為100立方厘米，高壓為2.1兆巴，低壓為0.7兆巴，制冷溫度50-100開，進(jìn)氣度i＝0.5，膨脹機(jī)的運(yùn)行頻率為1赫茲。該制冷機(jī)與同樣冷量和制冷溫度的G-M制冷機(jī)相比，制冷系數(shù)可高出10%以上，單位制冷量的能量消耗可降低10%以上。
根據(jù)本發(fā)明，設(shè)計(jì)的雙級(jí)制冷機(jī)用于低溫真空泵，其1級(jí)制冷溫度為80開，2級(jí)制冷溫度為20開，膨脹機(jī)1級(jí)缸徑50毫米，2級(jí)缸徑26毫米，推移活塞行程25毫米，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率1.2赫茲，該制冷機(jī)與同樣冷量和制冷溫度的G-M制冷機(jī)相比，功率消耗可降低10%以上。
權(quán)利要求
1.絕熱膨脹-放氣回?zé)崾街评浞椒?，其循環(huán)過(guò)程包括等容進(jìn)氣過(guò)程1-2、等壓進(jìn)氣過(guò)程2-3、絕熱放氣過(guò)程4-5、等壓排氣過(guò)程5-1，本發(fā)明的特征是其循環(huán)過(guò)程中增加了一個(gè)絕熱膨脹過(guò)程3-4。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的制冷方法，其特征在于絕熱膨脹過(guò)程3-4位于等壓進(jìn)氣過(guò)程2-3和絕熱放氣過(guò)程4-5之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1、2所述的制冷方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)絕熱膨脹過(guò)程3-4時(shí)，進(jìn)氣閥(6)、排氣閥(7)都關(guān)閉，推移活塞(10)向上運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的制冷方法，其特征在于進(jìn)氣閥(6)是在推移活塞(10)向上運(yùn)動(dòng)到某一中間位置(狀態(tài)3)時(shí)關(guān)閉的。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的制冷方法，其特征在于推移活塞(10)運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)(狀態(tài)4)時(shí)，排氣閥(7)打開。
6.絕熱膨脹-放氣回?zé)崾街评溲b置，由壓縮機(jī)組(16)和膨脹機(jī)(17)兩大部分組成，本發(fā)明的特征是膨脹機(jī)(17)中還裝有進(jìn)氣閥(6)和冷卻器(8)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的制冷裝置，其特征在于進(jìn)氣閥(6)的停氣相位角θ的范圍為π/2＜θ＜π。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的制冷裝置，其特征在于冷卻器(8)位于膨脹機(jī)(17)的熱端。
專利摘要
一種絕熱膨脹—放氣回?zé)崾街评浞椒捌溲b置是G—M制冷方法及其裝置的改進(jìn)。本發(fā)明的制冷方法由等容進(jìn)氣過(guò)程、等壓進(jìn)氣過(guò)程、絕熱膨脹過(guò)程、絕熱放氣過(guò)程、等壓排氣過(guò)程共五個(gè)過(guò)程組成，本發(fā)明的制冷裝置的進(jìn)氣閥的停氣相位角θ的范圍為π/2＜θ＜π，膨脹機(jī)的熱端裝有冷卻器，提高了循環(huán)效率，降低了單位制冷量的能耗。
文檔編號(hào)F25B1/02GK87101681SQ87101681
公開日1988年9月14日 申請(qǐng)日期1987年3月1日
發(fā)明者萬(wàn)威武 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan