專利名稱：進氣量可控低溫制冷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種進氣量可控低溫制冷裝置，通過控制制冷系統(tǒng)的進氣量來抑制直流的發(fā)生和控制制冷機的制冷溫度范圍。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，低溫技術(shù)常常起著關(guān)鍵作用。小型低溫制冷機作為低溫技術(shù)的重要分支，在很多方面都起著很重要的作用。然而，低溫制冷機中存在的可靠性差等制約著其在實際中的應(yīng)用，而脈管制冷機的出現(xiàn)解決了這個問題，因為在其內(nèi)部沒有運動部件，可以實現(xiàn)長壽命運行。
脈管制冷機是采用高低壓氣體對脈管空腔的充放氣過程而獲得制冷效果的設(shè)備，其中脈管是高低壓氣體在其內(nèi)部進行壓縮膨脹的設(shè)備，回?zé)崞魇莾Υ嫔弦患壍闹评淞坎⑵鋫鬟f給下一次循環(huán)的冷量儲存設(shè)備，其內(nèi)部填充有絲網(wǎng)等高比熱蓄冷材料。其制冷過程如下1.高壓氣體通過平面旋轉(zhuǎn)閥流經(jīng)回?zé)崞饕詫恿餍问綇拿}管冷端進入脈管，迅速擠壓脈管內(nèi)氣體向熱端移動，同時使之壓縮，溫度升高，在脈管熱端溫度達到最高值；2.布置在脈管熱端的散熱器將熱量帶走，溫度和壓力降低；3.平面旋轉(zhuǎn)閥切換，使系統(tǒng)接通低壓，脈管中的氣體以層流形式漸次向氣源擴張，氣體膨脹降壓溫度降低。氣體通過回?zé)崞?，將冷量儲存在回?zé)崞髦校?.平面旋轉(zhuǎn)閥再次切換，氣體通過回?zé)崞?，吸收上一次的冷量，降低溫度，并進入脈管壓縮，重復(fù)上述循環(huán)，這樣在脈管制冷機運行時在脈管中始終存在著一個溫度梯度冷端低，熱端高。
大量試驗和理論分析都已經(jīng)驗證通過控制雙向進氣閥門開度，可以調(diào)節(jié)脈管內(nèi)部氣流質(zhì)量流波和壓力波之間的相位差。從而改變脈管制冷機的性能，但是實驗過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在調(diào)節(jié)雙向進氣閥開度的過程中，冷端降溫過程不穩(wěn)定，即冷端溫度先是很快下降。然后回升，穩(wěn)定于某一個值，大多數(shù)是冷端溫度產(chǎn)生不穩(wěn)定的溫度波動，在一個長的時間內(nèi)不能夠穩(wěn)定下來，這就是由于直流現(xiàn)象引起的。雖然直流的絕對數(shù)值很小，但是對于制冷性能的影響很大，使得制冷性能變壞?，F(xiàn)在已知有中科院的多路旁通可以改變脈管制冷機的性能，這已經(jīng)得到了驗證，但是由于它是將脈管和回?zé)崞飨嗯酝?。這兩部分均處于真空中，調(diào)節(jié)不方便或者不能調(diào)節(jié)。另外還有浙江大學(xué)陳國邦教授的雙小孔流程，也可以改變制冷性能。
另一個方面，在低溫測量中，許多的測量不需要很高的制冷量，但是對于測量的溫度范圍要求比較大，測量溫度的穩(wěn)定性、精確性比較高，傳統(tǒng)的低溫制冷機對應(yīng)于某一個溫度有一定的制冷量，在制冷量一定的情況下，調(diào)節(jié)溫度范圍比較困難，而且在調(diào)解到某一溫度下可能會產(chǎn)生直流現(xiàn)象，從而使制冷溫度產(chǎn)生很大的波動，使測量精確性大大的降低，這對于低溫測量是絕對不可以允許的，這也限制了低溫制冷機在低溫測量中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種進氣量可控低溫制冷裝置。通過調(diào)節(jié)制冷裝置的進氣量，來控制它可以應(yīng)用于低溫測量和對于低溫時出現(xiàn)的直流現(xiàn)象。
它具有依次連接的壓縮機、旁通閥、平面旋轉(zhuǎn)閥、第一壓力表、回?zé)崞鳌⒚}管、小孔閥、第二壓力表、氣庫，在脈管的冷端設(shè)有加熱片，在回?zé)崞骱兔}管上設(shè)有溫度計，脈管熱端與回?zé)崞鞯倪M氣端之間連接有雙向進氣閥。
本實用新型可以實現(xiàn)在恒定制冷量的情況下，很大范圍的變化制冷溫度，而且可以起到對直流的抑制作用，使制冷溫度的穩(wěn)定。從而使其在低溫測量和直流的抑制中可以得到很好的應(yīng)用。它具有原理簡單、操作方便、實用性強，對于需要低溫測量的行業(yè)有著很好的應(yīng)用前景，同時，它對于制冷性能的提高也有很大的作用。


圖1是進氣量可控低溫制冷裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是傳統(tǒng)的沒有經(jīng)過旁通裝置調(diào)節(jié)溫度變化示意圖；圖3是本實用新型設(shè)有旁通裝置調(diào)節(jié)后的溫度變化示意圖；圖4是本實用新型旁通裝置調(diào)節(jié)開度和溫度的關(guān)系示意圖。
具體實施方式
如圖1所述，進氣量可控低溫制冷裝置具有依次連接的壓縮機1、旁通閥2、平面旋轉(zhuǎn)閥3、第一壓力表4、回?zé)崞?、脈管8、小孔閥10、第二壓力表11、氣庫12，在脈管8的冷端設(shè)有加熱片7，在回?zé)崞?和脈管8上設(shè)有溫度計6，脈管8熱端與回?zé)崞?的進氣端之間連接有雙向進氣閥9。
本實用新型壓縮機1是用來提供給系統(tǒng)運行所需要的高低壓力和系統(tǒng)所需制冷工質(zhì)的裝置。對于壓縮機的要求沒有限制，只要可以和系統(tǒng)相匹配即可?？梢愿鶕?jù)壓縮機型號和應(yīng)用場合等因素來確定。樣品壓縮機為LEYBOLD COOLPAK4000。
旁通閥2為這個制冷機中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)部件，它的作用是用來調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)的進氣量，將高低壓相連通，使高壓氣體部分不直接進入系統(tǒng)，而是分出進入低壓管路。減少了高壓進氣的氣量，從而控制了系統(tǒng)的進氣量，來調(diào)節(jié)制冷性能。材料主要采用可以承受高壓、韌性比較好的金屬材料。在實驗樣品中采用了銅為主要材料。
平面旋轉(zhuǎn)閥3是控制整個低溫制冷系統(tǒng)的高低壓切換的裝置，使高低壓工質(zhì)氣體以一定的時序進入系統(tǒng)，達到制冷效果。
脈管8是通過工質(zhì)氣體周期性壓縮和膨脹來產(chǎn)生制冷量的裝置；回?zé)崞?的作用是累積上一次循環(huán)所得的冷量，并傳遞給下一次循環(huán)流入氣體而使脈管冷端溫度逐步降低下去，本發(fā)明中采用的是自制的脈管和回?zé)崞鳎瑢嶋H中可以根據(jù)應(yīng)用場合等因素來選擇它們的尺寸參數(shù)。
本實用新型各部件之間采用密封圈密封，使系統(tǒng)不發(fā)生泄漏。密封圈采用橡膠等柔韌性彈性比較大的非金屬材料。本實用新型中密封圈采用了橡膠制成。螺栓、螺母(如果采用法蘭連接)，起連接作用。其要求是不僅能夠達到連接所需要的強度，同時，盡管采用導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料，可以使用不銹鋼等強度大，導(dǎo)熱系數(shù)相對較小的金屬材料，也可以采用連接強度一般，而導(dǎo)熱系數(shù)小的塑料等非金屬材料。樣品中，為了制作方便采用各種標準不銹鋼螺栓螺母，墊片采用導(dǎo)熱性能差的橡膠制成。
本實用新型通過調(diào)節(jié)旁通裝置的開度，控制從壓縮機中進入制冷機中的氣體工質(zhì)的質(zhì)量流量，可以有效地抑制脈管制冷機中的直流現(xiàn)象的發(fā)生，并且可以在制冷量不變的情況，大幅度的調(diào)節(jié)制冷溫度，為其在提高制冷機性能和低溫測量的應(yīng)用提供了可能，本實用新可以有以下兩個應(yīng)用。
一、提高制冷機性能脈管制冷機在調(diào)節(jié)閥門開度或者負荷變化的過程中，由于閥門開度的不同，使得制冷機系統(tǒng)在一個周期內(nèi)，各橫截面處正半周和負半周的氣流質(zhì)量流量不平衡從而產(chǎn)生了直流，這種直流不但不產(chǎn)生制冷效應(yīng)，反而成為制冷機冷端的附加熱流。當(dāng)制冷溫度穩(wěn)定時，如果外界參數(shù)發(fā)生變化，脈管冷端的溫度長時間波動，不能穩(wěn)定下來，也就可以判斷產(chǎn)生了直流，此時可以打開旁通閥門，使高壓氣體部分進入低壓管路，隨著低壓氣體排出系統(tǒng)，也就是高壓管路中只有部分氣體進入系統(tǒng)，從而變化了進入制冷機系統(tǒng)的進氣量。來達到抑制直流的作用，減小或者消除脈管冷端的制冷溫度的波動。多次的實驗證明這種方法是有效的。圖2，3是單級脈管制冷機的對比示意圖。條件是室溫14℃；進水溫度15.2℃；出水溫度20℃；充氣壓力1.355Mpa(表壓)；傳感器平均壓力P1＝P2＝1.35Mpa，P3＝1.36Mpa；頻率1.8Hz；加熱絲功率25.05W。從圖2中我們可以看出冷頭的溫度在慢慢的上升，最后由于直流的逐漸增大，使冷頭溫度急劇上升。圖3是同一條件下，我們調(diào)節(jié)旁通閥以后得到的穩(wěn)定冷頭溫度，從圖中可以看出來，溫度雖然有一些提高，但是制冷溫度可以長時間的穩(wěn)定下來，從而在一定程度上改變了制冷性能。
二、擴大低溫測量范圍本實用新型也可以增加測量低溫下物體的溫度范圍，增加其測量的精確度。在相同的負荷變化情況下，通過調(diào)節(jié)旁通閥門開度的大小，可以大大的增加溫度的變化范圍，這對于那些要求溫度范圍變化大的測量系統(tǒng)是適用的。另外對于那些由于設(shè)備條件所限，例如加熱絲有電流的限制，但是仍需要測量的溫度范圍比較大的情況也是很合適的一種測量輔助設(shè)備。
試驗條件加熱絲加熱功率為30W，其余的條件與上述試驗條件相同。從圖4我們可以看出，當(dāng)旁通閥門開度為0時，其制冷溫度為45.93K，而將閥門開度開為兩圈的時候，他的測量范圍擴大到了101.68K，也就是說在溫度測量時，加熱絲功率為30W時，測量的溫度上限是45.93K，而采用了旁通閥門來控制時，測量溫度的范圍可以擴大到了101.68K，同時，在30W時，消耗的壓縮機功為3.746KW，而打開了旁通的時候，耗功減少了0.2KW，為3.52KW。
權(quán)利要求1.一種進氣量可控低溫制冷裝置，其特征在于它具有依次連接的壓縮機(1)、旁通閥(2)、平面旋轉(zhuǎn)閥(3)、第一壓力表(4)、回?zé)崞?5)、脈管(8)、小孔閥(10)、第二壓力表(11)、氣庫(12)，在脈管(8)的冷端設(shè)有加熱片(7)，在回?zé)崞?5)和脈管(8)上設(shè)有溫度計(6)，脈管(8)熱端與回?zé)崞?5)的進氣端之間連接有雙向進氣閥(9)。
專利摘要本實用新型公開了一種進氣量可控低溫制冷裝置。它具有依次連接的壓縮機、旁通閥、平面旋轉(zhuǎn)閥、第一壓力表、回?zé)崞?、脈管、小孔閥、第二壓力表、氣庫，在脈管的冷端設(shè)有加熱片，在回?zé)崞骱兔}管上設(shè)有溫度計，脈管熱端與回?zé)崞鞯倪M氣端之間連接有雙向進氣閥。本實用新型可以實現(xiàn)在恒定制冷量的情況下，很大范圍的變化制冷溫度，也可以起到對低溫制冷中發(fā)生的直流有很好抑制作用，使制冷溫度恒定。提高制冷性能，從而使其在低溫測量和直流的抑制中可以得到很好的應(yīng)用。本實用新型具原理簡單、操作方便，調(diào)節(jié)控制方便、應(yīng)用于低溫測量時測量范圍大、準確度高等優(yōu)點。
文檔編號F25B9/14GK2804728SQ200520101119
公開日2006年8月9日 申請日期2005年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月22日
發(fā)明者甘智華, 郁煥禮, 邱利民, 劉華釗 申請人:浙江大學(xué)