專利名稱：脈管制冷機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體制冷機，特別是一種脈管制冷機。
目前的小孔脈管制冷機包括高壓進氣閥、低壓排氣閥、回熱器、冷卻器、冷量換熱器和層流化元件等，并在脈管尾部設(shè)有小孔和氣庫系統(tǒng)。由于小孔的節(jié)流作用，將高壓氣體的膨脹功耗散成熱放入環(huán)境，從而使脈管具有制冷效果。如果脈管熱端沒有這種不可逆損失存在，脈管也就不制冷了。但脈管制冷機中單位質(zhì)量氣體的毛制冷量很低，從而導(dǎo)致理論效率很低。造成這一狀況的原因是，在高壓進氣閥打開時有一個不等壓充氣過程，這是一個不可逆過程。在低壓排氣閥打開時有一個不等壓排氣過程，也是一個不可逆過程，必然造成很大的不可逆損失。這兩個過程使得脈管制冷機的理論制冷效率很低，而完善循環(huán)的理論制冷效率是100%。脈管在小制冷量場合應(yīng)用時，這個缺點尚不明顯。但在需要大制冷量的場合，這個缺點就十分突出了。
本發(fā)明的目的是要避免現(xiàn)有脈管制冷機高、低壓閥進排氣時的不可逆損失，實現(xiàn)等熵膨脹、獲得最大的溫降和單位制冷量，從而提高脈管制冷機的理論制冷效率。
本發(fā)明的解決方案是在現(xiàn)有脈管的熱端接入一個高壓氣庫和一個低壓氣庫，在高、低壓氣庫與脈管之間接有閥門。
當脈管的壓比較高時，需在高、低壓氣庫之間再增設(shè)若干不同壓力等級的中壓氣庫，中壓氣庫與脈管熱端間也接有閥門。
以下結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。


圖1是高、低壓氣庫脈管制冷機一種具體結(jié)構(gòu)的縱剖面圖。
圖2是高、中、低壓氣庫脈管制冷機的縱剖面圖。
圖3是高、低壓氣庫制冷機工作過程中脈管內(nèi)氣體分布示意圖。
圖4是用細管代替氣庫的結(jié)構(gòu)圖。
參見圖1，脈管7的冷端71有端蓋4、層流化元件5以及高壓進氣閥1和低壓排氣閥2，進、排氣管21、22通過一個總管3通入脈管冷端71。進、排氣一般可通過轉(zhuǎn)閥實現(xiàn)切換。但為了便于說明工作過程，進、排氣管上的閥門1、2采用分置式。脈管熱端72有端蓋9和層流化元件8。圖中，在脈管熱端設(shè)有一個高壓氣庫12和一個低壓氣庫13，在高壓氣庫12與脈管熱端的連接管11上裝有高壓氣庫閥10;在低壓氣庫13與脈管熱端的連接管14上裝有低壓氣庫閥15。這里的高、低壓氣庫閥10、15為分置式，也可用一個轉(zhuǎn)閥代替。圖中高、低壓氣庫與高、低壓氣源的壓力基本相同。
具有高、低壓氣庫的脈管制冷機工作過程如下①進、排氣閥1、2關(guān)閉，低壓氣庫閥15也關(guān)閉，此時脈管內(nèi)為低壓氣源壓力。將高壓氣庫閥10打開，氣體從高壓氣庫12流入脈管7熱端72，使脈管內(nèi)氣體壓力升至接近于高壓氣庫的壓力，這是因為氣庫體積較脈管大得多的緣故。這一過程結(jié)束后的氣體分布如圖3-1所示。②打開進氣閥1，其它閥狀態(tài)不變，高壓氣體經(jīng)進氣閥1流入脈管7冷端，因高壓氣源的壓力略高于高壓氣庫，將剛剛從高壓氣庫12流入脈管熱端的氣體又壓回高壓氣庫內(nèi)，這一過程基本上為等壓進氣過程，氣體分布如圖3-2。③高壓氣庫閥10關(guān)閉，進氣閥1關(guān)閉，排氣閥2仍保持關(guān)閉，低壓氣庫閥15打開，脈管熱端的氣體流入低壓氣庫13，脈管7內(nèi)壓力降至低壓氣庫13的壓力。在過程②中進入脈管冷端的氣體等熵膨脹到低壓氣庫的壓力，溫度降低，氣體分布如圖3-3。④低壓排氣閥2打開，其它閥狀態(tài)不變，低壓氣庫13內(nèi)氣體流入脈管熱端，將過程③中膨脹后的氣體經(jīng)排氣閥2驅(qū)趕出脈管7，排入低壓氣源，氣體分布如圖3-4。至此完成一個循環(huán)，重新回到初始狀態(tài)。脈管周期性工作，高壓氣體也就不斷地膨脹到低壓。如不計氣體在脈管內(nèi)的傳熱、混合和流動損失，高壓氣庫內(nèi)的壓力即為高壓氣源進氣壓力，低壓氣庫內(nèi)的壓力即為低壓氣源排氣壓力。上述脈管進、排氣的全部過程是等熵過程，故制冷效率為等熵效率。制冷氣體所做的膨脹功，靠不可逆的氣庫向脈管放氣和脈管向氣庫放氣將功變成熱放入環(huán)境。圖1中連接管11、14及其上的閥門起到冷卻器的作用。圖中高、低壓氣庫閥門10、15可以采用分置式，也可合為一體，用二位三通閥代替。閥門的類型可以是電動閥、電磁閥、氣動閥或轉(zhuǎn)閥等。
如圖3所示，脈管內(nèi)氣團可分為高壓氣源進氣氣團Ⅰ，脈管內(nèi)充當氣體活塞的氣團Ⅱ，低壓氣庫進氣氣團Ⅲ和高壓氣庫進氣氣團Ⅳ，它們依次從左到右排列，根據(jù)工作過程可流出或流入脈管。過程的初始狀見圖3-4，脈管內(nèi)有氣團Ⅱ、Ⅲ，在過程①后，氣團Ⅳ流入脈管，脈管內(nèi)壓力升到Ph。在過程②后，高壓氣源流入的氣源流入的氣團Ⅰ將氣團Ⅳ擠出脈管，脈管內(nèi)壓力仍為Ph。在過程③中，低壓氣庫進氣團Ⅲ流回低壓氣庫，脈管內(nèi)壓力為P1，在過程④中，高壓氣源進氣團Ⅰ被擠出脈管，一個工作周期完成。
當脈管進排氣壓比過高時，圖3的過程①中氣團Ⅳ的長度就要大大加長，過程②中從高壓氣源來的高壓氣團Ⅰ的體積也大大加長，在過程③后，將會有一部分膨脹后的高壓氣體Ⅰ流入低壓氣庫，而低壓氣庫在室溫端，這樣，工作過程就失效了。為此，需設(shè)置一個或數(shù)個不同壓力的中壓氣庫，以解決這一困難。圖2是具有高、中、低壓氣庫脈管制冷機的剖面圖。圖中在原有高、低壓氣庫之間再接入一個中壓氣庫18，其壓力介于高、低壓氣庫之間，它與脈管7熱端間有連接管17、閥門16。該機工作過程如下①進氣閥1、排氣閥2、低壓氣庫閥15，高壓氣庫閥10均關(guān)閉，中壓氣庫閥16打開，氣體從中壓氣庫經(jīng)中壓閥16流入脈管7熱端，脈管內(nèi)壓力升至中壓氣庫壓力。②中壓氣庫閥16關(guān)閉，高壓氣庫閥10打開，其它閥狀態(tài)不變，這時高壓氣庫12內(nèi)氣體經(jīng)高壓氣庫閥10流入脈管熱端，脈管內(nèi)壓力升至高壓氣庫壓力。③進氣閥1打開，其它閥狀態(tài)不變，高壓氣源氣體經(jīng)進氣閥1進入脈管冷端，過程②中從高壓氣庫流入脈管的氣體又經(jīng)閥10返回高壓氣庫。④進氣閥1、高壓氣庫閥10關(guān)閉，中壓氣庫閥16打開，其它閥狀態(tài)不變，在過程①中從中壓氣庫流入脈管的氣體又經(jīng)閥16流回中壓氣庫18中，脈管壓力降至中壓氣庫壓力，在過程③中從高壓氣源流入脈管冷端的氣體膨脹到中壓氣庫壓力，溫度降低。⑤中壓氣庫閥16關(guān)閉，低壓氣庫閥15打開，其它閥狀態(tài)不變，脈管熱端氣體流入低壓氣庫13，脈管內(nèi)壓力降至低壓氣庫壓力。這樣，在過程③中從高壓氣源流入脈管冷端的氣體進一步膨脹至低壓氣庫壓力，溫度進一步降低。⑥排氣閥2打開，其它閥狀態(tài)不變，氣體從低壓氣庫13經(jīng)低壓氣庫閥15流入脈管熱端，將過程③中從高壓氣源流入脈管冷端的氣體從排氣閥2驅(qū)出脈管，回到初始狀態(tài)。脈管制冷機如此周期性循環(huán)，高壓氣源的氣體就不斷地被膨脹到排氣壓力。如果不計流動阻力、傳熱和氣體在脈管內(nèi)的混合，全部過程是等熵過程，該過程的氣體分布圖與前例原理相同，故省略。
上面以高、中、低壓氣庫為例說明了多級氣庫脈管制冷機的工作過程。當壓比很高時，還可根據(jù)需要在高低壓氣庫之間接入多種不同壓力的氣庫，其原理都相同，均屬本發(fā)明的保護范圍。
控制各氣庫的閥門，可以如圖中采用分置式，但最好采用多位多通的電動轉(zhuǎn)閥，一閥可同時控制多支管道，起到與多個閥相同的作用，這樣更便于控制，結(jié)構(gòu)也更簡單。
如圖4，上述各氣庫12、13和18及連接管也可分別用一根較長的細管40、41和42代替，將細管的兩頭都通入脈管熱端，管的兩端各裝一個單向閥46、47，使管內(nèi)的氣體只能沿一個方向流動。這樣細管既可起到氣庫作用，也可起到冷卻作用。
高、低壓氣庫與普通脈管制冷機相比，由于進、排氣過程是等壓的，沒有不可逆損失，脈管內(nèi)的高壓氣體是可逆絕熱膨脹到低壓氣體，因而制冷系數(shù)高，制冷效率接近100%。該機適合作為膨脹機使用，具有結(jié)構(gòu)簡單，造價低，易于推廣的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種脈管制冷機，包括脈管(7)、層流化元件(5、8)、高壓進氣閥(1)和低壓排氣閥(2)，其特征在于在所說脈管(7)的熱端接入一個高壓氣庫(12)和一個低壓氣庫(13)，在高、低壓氣庫與脈管之間接有閥門(10)、(15)。
2.如權(quán)利要求1所述的制冷機，其特征在于所說的高低壓氣庫(12)、(13)之間再增設(shè)若干不同壓力等級的中壓氣庫(18)，中壓氣庫與脈管(7)熱端間也接有閥門(16)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的制冷機，其特征在于所說的高、中低壓氣庫(12)、(13)和(18)用一根較長的細管(40)、(41)和(42)代替，細管的兩頭都通入脈管熱端，管的兩頭各裝一個單向閥(46)、(47)，使管內(nèi)的氣體只能沿一個方向流動。
全文摘要
本脈管制冷機的特征在于在一般脈管的熱端接入一個高壓氣庫和一個低壓氣庫，并在高、低壓氣庫與脈管之間接有控制閥。當壓力比較高時，還可再增設(shè)若干不同壓力等級的中壓氣庫。上述氣庫也可用一根細管代替，細管兩頭都通入脈管熱端，管的兩頭各裝一單向閥，使管內(nèi)氣體只能沿一個方向流動。由于進、排氣過程是等壓的，脈管內(nèi)高壓氣體是可逆絕熱膨脹到低壓氣體，因而制冷系數(shù)高，制冷效率接近100％。該機適合作為膨脹機使用。
文檔編號F25B9/00GK1095466SQ93105608
公開日1994年11月23日 申請日期1993年5月16日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月16日
發(fā)明者朱紹偉 申請人:朱紹偉