一种采用多级热耦合V-M型脉冲管制冷机的制冷系统技术方案

一种采用多级热耦合V-M型脉冲管制冷机的制冷系统，其由一个高频压力波发生器、两或三级斯特林型脉冲管制冷机、一个低频V-M型压力波发生器和一个低温侧脉冲管制冷机组成；斯特林型脉冲管制冷机工作于多温区段，其中高温区作为冷源冷却低频V-M型压力波发生器冷端，同时预冷低温侧脉管制冷机热端；低温区段进一步对低温侧脉冲管制冷机回热器中段进行冷却；热压缩机则依靠室温与斯特林型制冷机高温区冷源之间的温度梯度产生压力波动；压力波动驱动低温侧脉冲管制冷机到达更低温区；可解决现有液氦温区制冷机体积庞大、效率低、振动大等问题，具有制冷系统工作于液氢温区以上、热效率高、结构紧凑、体积小及免维护等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种采用多级热耦合V-M型脉冲管制冷机的制冷系统
本专利技术涉及回热式低温制冷机
，特别涉及到液氦温区小型低温制冷
的多级热耦合的V-M型脉冲管制冷机。
技术介绍
液氦温区低温制冷机在低温物理、深空探测、低温超导学、低温电子学等领域中有广泛的应用需求，对于促进低温物理、深空探测、低温超导等学术领域发展具有重要的作用，这些行业领域同时对小型制冷机提出了更高的要求，需要在紧凑系统下提供较高的工作效率。目前工作于液氢以上温区(20K)可采用斯特林制冷机或者斯特林型脉冲管制冷机技术，该类型制冷机采用活塞往复运动，在系统内形成压力波动，其本质为可逆循环，具有较高的效率，工作频率通常为30-100Hz，系统体积重量较小，计算以及实验结果表明，在液氢以上温区，氦气可认为是理想气体，同时与常用回热器填料相比，回热器填料比热容相对较大，在该温区通常能够取得较高效率，同时高频运行能够获得相对较小的系统体积。然而对于液氢以下温区，由于氦气特性偏离理想气体，同时传统回热器填料例如不锈钢、磷青铜等体积比热容下降非常明显，回热器效率变差，因此需要采用铅球、HoCu等磁性填料，受限于制作工艺，该类填料只能做成球状或者紧球状，如果仍保持高频率运行，将导致回热器与气体换热变差，并且阻力损失大幅增加，因此为达到液氦温区(4K)下高效运行，系统运行频率需保持在5Hz以下。G-M型制冷机即保持在1-2Hz附近的运行频率，目前为到达液氦温区的主要制冷机。而对于G-M型制冷机或者G-M型脉冲管制冷机，其采用油压缩机产生高压气体，结合高低压切换阀，在制冷机内形成周期性高低压气体循环，进而产生制冷效应；其优势在于切换阀运行频率低，在回热器内的损失较小，有利于到达液氦等温区，制冷机能够达到较高效率。但是一方面高低压切换阀阻力较大，气体流经时产生较大的压降损失，系统热效率难以提高；另一方面油压缩机需要配备油分离器等设备，系统体积庞大，并需要进行定期维护，寿命难以保证。而维勒米尔制冷机(V-M型)的压力波发生器结构，在小型电机的带动下，气体在热端进行加热，压力升高，在冷端进行冷却，压力降低，压力波动的频率则由小型电机驱动，能够在1-5Hz范围内运行。该类型压力波发生器依靠冷热温差产生，具有可靠性高、系统紧凑等明显优势。而斯特林型制冷机，为达到液氢温区，通常也需要多级结构，其中一级主要在液氮以上温区产生冷量，通常预冷二级结构，进一步降低二级冷端温度，二级冷端工作于20-30K温区。将多级斯特林型制冷机的一级冷端作为V-M型压力波发生器的冷端，利用低温与室温(或者辅助加热)间的温差，将高频下的冷源转换为低频下的压力波动，能够充分利用高频斯特林脉冲管制冷机体积小、液氢以上温区效率高、可靠性高及结构紧凑等优点。而低温侧脉冲管制冷机，依靠V-M型压力波发生器产生的低频压力波驱动，同时采用高频斯特林型脉冲管制冷机的二级及以上冷源作为预冷，工作在液氦温区，能够充分发挥该温区低频操作带来的压降小、换热效率高等优点。由于低温段V-M型脉冲管制冷机被预冷到液氢温区，制冷机热端与冷端间温差较小，所消耗声功(PV功)较小，因此能够V-M型压力波发生器的系统体积。因此，作为本专利技术主要
技术实现思路
的多级耦合结构，在斯特林脉冲管制冷机与低温侧脉冲管制冷机之间，通过采用多级热耦合的方式，能够充分利用多级高频斯特林制冷机不同级的制冷量，尽量减小低频系统所消耗功率，进一步改善整机温度场分布，利用能够有效改善系统热效率，利用斯特林型制冷机的高频运行优势，减小了低频V-M型压力波发生器驱动功率，减小了整机体积与质量，对于提高系统紧凑性、改善制冷机竞争力有重要意义。
技术实现思路
本专利技术目的在于解决现有液氦温区制冷机体积庞大、效率低、振动大等问题，而提供一种采用多级热耦合V-M型脉冲管制冷机的制冷系统，该制冷系统可工作于液氢温区以上，其具有热效率高、结构紧凑、体积小及免维护等优点；本专利技术的技术方案有以下四种结构：一、如图1所示，本专利技术提供的采用多级热耦合V-M型脉冲管制冷机的制冷系统，其由一个高频压力波发生器1、两级斯特林型脉冲管制冷机、一个低频V-M型压力波发生器和一个低温侧脉冲管制冷机组成；所述两级斯特林型脉冲管制冷机中的第一级斯特林型脉冲管制冷机由依次连接于所述高频压力波发生器1出口端的一级热端换热器2、一级回热器3、一级冷端换热器4、一级脉冲管5、一级脉冲管热端换热器6、一级惯性管7和一级气库8组成；所述两级斯特林型脉冲管制冷机中的第二级斯特林型脉冲管制冷机由依次连接于所述一级冷端换热器4出口端的二级回热器10、二级冷端换热器11、二级脉冲管12、二级脉冲管热端换热器13、二级惯性管14和二级气库15组成；所述低频V-M型压力波发生器由室温排出器及通过连接管路依次连通于所述室温排出器下部空腔的压缩机热端换热器19、压缩机侧回热器20、压缩机侧冷端换热器21、热缓冲管23和热缓冲管热端换热器22组成，所述热缓冲管热端换热器22通过气体连接管路与室温排出器上部空腔相连通；所述室温排出器由排出器壳体、裝于排出器壳体之内的室温排出器活塞18和固定安装于所述室温排出器活塞18上端的驱动电机连杆34组成；所述低温侧脉冲管制冷机由依次连接于所述压缩机侧冷端换热器21出口端的低温侧第一换热器24、低温侧第一回热器25、低温侧中间换热器26、低温侧第二回热器27、低温侧冷端换热器28、低温侧脉冲管29、低温侧脉冲管热端换热器30、第一阀门31和低温侧气库33组成；所述室温排出器和压缩机热端换热器19间的连接管路与所述低温侧脉冲管热端换热器30和第一阀门31间的连接管路之间装有第二阀门32；所述压缩机侧冷端换热器21和热缓冲管23以及一级冷端换热器4和第一级脉冲管5通过第一热桥9相并联；所述二级冷端换热器11和二级脉冲管12以及所述低温侧中间换热器26通过第二热桥17相并联。其中，压缩机侧冷端换热器21通过热桥9被一级冷端换热器4冷却，热缓冲管热端换热器22通过连接管与室温排出器18上部空腔连通；在压缩机侧冷端换热器21处，一部分气体压力波动进入热缓冲管23，另一部分进入低温侧第一换热器24；在低温侧脉冲管制冷机采用针阀+双向进气的调相结构形式；如图1所示，第一阀门31、第二阀门32及第二气库33共同组成调相机构，第一阀门31位于第二气库32与第二脉冲管热端换热器30之间，第二阀门32连接低温侧脉冲管热端换热器30与压缩机热端换热器19，形成双向进气机构。二、如图2所示，本专利技术提供的采用多级热耦合V-M型脉冲管制冷机的制冷系统，其由一个高频压力波发生器1、三级斯特林型脉冲管制冷机、一个低频V-M型压力波发生器和一个低温侧脉冲管制冷机组成；所述三级斯特林型脉冲管制冷机中的第一级斯特林型脉冲管制冷机由依次连接于所述高频压力波发生器1出口端的一级热端换热器2、一级回热器3、一级冷端换热器4、一级脉冲管5、一级脉冲管热端换热器6、一级惯性管7和一级气库8组成；所述三级斯特林型脉冲管制冷机中的第二级斯特林型脉冲管制冷机由依次连接于所述一级冷端换热器4出口端的二级回热器10、二级冷端换热器11、二级脉冲管12、二级脉冲管热端换热器13、二级惯性管14和二级气库15组成；所述三级斯特林型脉冲管制冷机中的第三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用多级热耦合V‑M型脉冲管制冷机的制冷系统；其由一个高频压力波发生器(1)、两级斯特林型脉冲管制冷机、一个低频V‑M型压力波发生器和一个低温侧脉冲管制冷机组成；所述两级斯特林型脉冲管制冷机中的第一级斯特林型脉冲管制冷机由依次连接于所述高频压力波发生器(1)出口端的一级热端换热器(2)、一级回热器(3)、一级冷端换热器(4)、一级脉冲管(5)、一级脉冲管热端换热器(6)、一级惯性管(7)和一级气库(8)组成；所述两级斯特林型脉冲管制冷机中的第二级斯特林型脉冲管制冷机由依次连接于所述一级冷端换热器(4)出口端的二级回热器(10)、二级冷端换热器(11)、二级脉冲管(12)、二级脉冲管热端换热器(13)、二级惯性管(14)和二级气库(15)组成；所述低频V‑M型压力波发生器由室温排出器及通过连接管路依次连通于一室温排出器下部空腔的压缩机热端换热器(19)、压缩机侧回热器(20)、压缩机侧冷端换热器(21)、热缓冲管(23)和热缓冲管热端换热器(22)组成，所述热缓冲管热端换热器(22)通过气体连接管路与所述室温排出器上部空腔相连通；所述室温排出器由排出器壳体、裝于排出器壳体之内的室温排出器活塞(18)和固定安装于所述室温排出器活塞(18)上端的驱动电机连杆(34)组成；所述低温侧脉冲管制冷机由依次连接于所述压缩机侧冷端换热器(21)出口端的低温侧第一换热器(24)、低温侧第一回热器(25)、低温侧中间换热器(26)、低温侧第二回热器(27)、低温侧冷端换热器(28)、低温侧脉冲管(29)、低温侧脉冲管热端换热器(30)、第一阀门(31)和低温侧气库(33)组成；所述室温排出器和压缩机热端换热器(19)间的连接管路与所述低温侧脉冲管热端换热器(30)和第一阀门(31)间的连接管路之间装有第二阀门(32)；所述压缩机侧冷端换热器(21)和热缓冲管(23)以及一级冷端换热器(4)和第一级脉冲管(5)通过第一热桥(9)相并联；所述二级冷端换热器(11)和二级脉冲管(12)以及所述低温侧中间换热器(26)通过第二热桥(17)相并联。...

【技术特征摘要】
1.一种采用多级热耦合V-M型脉冲管制冷机的制冷系统，其由一个高频压力波发生器(1)、两级斯特林型脉冲管制冷机、一个低频V-M型压力波发生器和一个低温侧脉冲管制冷机组成；所述两级斯特林型脉冲管制冷机中的第一级斯特林型脉冲管制冷机由依次连接于所述高频压力波发生器(1)出口端的一级热端换热器(2)、一级回热器(3)、一级冷端换热器(4)、一级脉冲管(5)、一级脉冲管热端换热器(6)、一级惯性管(7)和一级气库(8)组成；所述两级斯特林型脉冲管制冷机中的第二级斯特林型脉冲管制冷机由依次连接于所述一级冷端换热器(4)出口端的二级回热器(10)、二级冷端换热器(11)、二级脉冲管(12)、二级脉冲管热端换热器(13)、二级惯性管(14)和二级气库(15)组成；所述低频V-M型压力波发生器由室温排出器及通过连接管路依次连通于一室温排出器下部空腔的压缩机热端换热器(19)、压缩机侧回热器(20)、压缩机侧冷端换热器(21)、热缓冲管(23)和热缓冲管热端换热器(22)组成，所述热缓冲管热端换热器(22)通过气体连接管路与所述室温排出器上部空腔相连通；所述室温排出器由排出器壳体、装于排出器壳体之内的室温排出器活塞(18)和固定安装于所述室温排出器活塞(18)上端的驱动电机连杆(34)组成；所述低温侧脉冲管制冷机由依次连接于所述压缩机侧冷端换热器(21)出口端的低温侧第一换热器(24)、低温侧第一回热器(25)、低温侧中间换热器(26)、低温侧第二回热器(27)、低温侧冷端换热器(28)、低温侧脉冲管(29)、低温侧脉冲管热端换热器(30)、第一阀门(31)和低温侧气库(33)组成；所述室温排出器和压缩机热端换热器(19)间的连接管路与所述低温侧脉冲管热端换热器(30)和第一阀门(31)间的连接管路之间装有第二阀门(32)；所述压缩机侧冷端换热器(21)和热缓冲管(23)以及一级冷端换热器(4)和第一级脉冲管(5)通过第一热桥(9)相并联；所述二级冷端换热器(11)和二级脉冲管(12)以及所述低温侧中间换热器(26)通过第二热桥(17)相并联。2.一种采用多级热耦合V-M型脉冲管制冷机的制冷系统，其由一个高频压力波发生器(1)、三级斯特林型脉冲管制冷机、一个低频V-M型压力波发生器和一个低温侧脉冲管制冷机组成；所述三级斯特林型脉冲管制冷机中的第一级斯特林型脉冲管制冷机由依次连接于所述高频压力波发生器(1)出口端的一级热端换热器(2)、一级回热器(3)、一级冷端换热器(4)、一级脉冲管(5)、一级脉冲管热端换热器(6)、一级惯性管(7)和一级气库(8)组成；所述三级斯特林型脉冲管制冷机中的第二级斯特林型脉冲管制冷机由依次连接于所述一级冷端换热器(4)出口端的二级回热器(10)、二级冷端换热器(11)、二级脉冲管(12)、二级脉冲管热端换热器(13)、二级惯性管(14)和二级气库(15)组成；所述三级斯特林型脉冲管制冷机中的第三级斯特林型脉冲管制冷机由依次连接于所述二级冷端换热器(11)出口端的三级回热器(36)、三级冷端换热器(37)、三级脉冲管(41)、三级脉冲管热端换热器(42)、三级惯性管(43)和三级气库(44)组成；所述低频V-M型压力波发生器由室温排出器及通过连接管路依次连通于一室温排出器下部空腔的压缩机热端换热器(19)、压缩机侧回热器(20)、压缩机侧冷端换热器(21)、热缓冲管(23)和热缓冲管热端换热器(22)组成，所述热缓冲管热端换热器(22)通过气体连接管路与所述室温排出器上部空腔相连通；所述室温排出器由排出器壳体、装于排出器壳体之内的室温排出器活塞(18)和固定安装于所述室温排出器活塞(18)上端的驱动电机连杆(34)组成；所述低温侧脉冲管制冷机由依次连接于所述压缩机侧冷端换热器(21)出口端的低温侧第一换热器(24)、低温侧第一回热器(25)、低温侧中间换热器(26)、低温侧第二回热器(27)、低温侧冷端换热器(28)、低温侧第三回热器(38)、低温侧第二冷端换热器(39)、低温侧脉冲管(29)、低温侧脉冲管热端换热器(30)、第一阀门(31)和低温侧气库(33)组成；所述室温排出器和压缩机热端换热器(19)间的连接管路与所述低温侧脉冲管热端换热器(30)和第一阀门(31)间的连接管路之间装有第二阀门(32)；所述压缩机侧冷端换热器(21)和热缓冲管(23)以及一级冷端换热器(4)和第一级脉冲管(5)通过第一热桥(9)相并联；所述二级冷端换热器(11)和二级脉冲管(12)以及所述低温侧中间换热器(26)通过第二热桥(17)相并联；所述三级冷端换热器(37)和三级脉冲管(41)以及所述低温侧冷端换热器(28)通过第三热桥(40)相并联。3.一种采用多级热耦合V-M型脉冲管制冷机的制冷系统，其由一个高频压力波发生器(1)、两级斯特林型脉冲管制冷机、一个低频V-M型压力波发生器和一个低温侧脉冲管制冷机组成；所述两级斯特林型脉冲管制冷机中的第一级斯特林型脉冲管制冷机由依次连接于所述高频压力波发生器(1)出口端的一级热端换热器(2)、一级回热器(3)、一级冷端换热器(4)、一级脉冲管(5)、一级脉冲管热端换热器(6)、一级惯性管(7)和一级气库(8)组成；所述两级...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓涛，戴巍，罗二仓，赵月晶，
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：北京;11