[发明专利]一种可提高制冷效率的可控直流装置及改进型脉管制冷机

说明书

技术领域

本发明属于制冷机技术领域，涉及一种可提高制冷效率的可控直流装置及改进型脉管制冷机。

背景技术

脉管制冷机是20世纪60年代由美国的Gifford和Longthworth共同提出的，具有紧凑性好、效率高、可靠性高等突出优点，在航天、军事等方面有广泛的应用前景。脉管制冷机的发展经历了基本型脉管制冷机、小孔型脉管制冷机、双向进气型、惯性管型脉管制冷机等几个发展阶段。现在所使用的脉管制冷机大部分为双向进气型、惯性管型以及两者的混合。

理想的脉管制冷机不存在直流，然而理论和实验表明，一定流量的正向、负向直流都具有提高脉管制冷机制冷性能的潜力。浙江大学陈国邦教授等首先在液氦温区GM型脉管制冷机中引入负向直流，降低了脉管中部温度，提高了制冷机性能；王超通过数值分析表明液氦温区GM型脉管制冷机中负向直流可以提高脉管制冷机性能，并通过实验予以证明；揭示脉管制冷机直流产生机理的Gedeon在数值模拟中发现，负向直流对液氮温区的脉管制冷性能也有提升。另一方面，1999年杨鲁伟等在GM型脉管制冷机中将气库与压缩机高压侧相连，产生一股正向直流，在20K温区制冷效率得到了提高，说明正向直流在一定条件下也可以提高脉管制冷机的效率。负向直流的方向定义为：回热器热端‐冷端‐脉管热端；正向直流的方向为：脉管热端‐冷端‐回热器热端。注意到，提高脉管制冷机制冷性能的直流流量很小，大约为交流质量流振幅的千分之一量级。(参考文献：1、Gedeon,D.,DC gas flows in stirling and pulse tube cryocoolers,in Cryocoolers 9,R.G.Ross,R.G.Ross^Editors.1997,Plenum Press Div Plenum Publishing Corp:New York.p.385‐392.2、Chen,G.,et al.,Experimental study on a double‐orifice two‐stage pulse tube refrigerator.Cryogenics,1997.37(5):p.271‐273.3、Wang,C.,G.Thummes and C.Heiden,Effects of DC gas flow on performance of two‐stage 4 K pulse tube coolers.Cryogenics,1998.38(6):p.689‐695.4、曹强.液氦温区多级斯特林型脉管制冷机理研究[D].浙江大学,2012.)

直流因气体环路结构而产生。典型的气体环路结构为双向进气结构，然而双向进气结构产生的直流存在不稳定和难以控制的问题。直流流量随温度、压力、功率等运行参数发生变化，不稳定。直流流量不随阀门开度(一般为两个非对称阀门并联或串联)变化而有规律地变化。事实上，目前的双向进气结构中直流的流量是未知的。

不稳定和难以控制的直流对往往会削弱制冷性能、带来制冷机运行不稳定。因为直流流量超过最佳流量后，携带的附加焓流会成为冷端热负荷，直接降低制冷量。因此如何利用直流的关键问题在于控制直流的大小和稳定性。GM型脉管制冷机由于压缩机形成高压侧和低压侧，通过管路连接即可解决问题。然而斯特林型脉管制冷机中不存在高压侧和低压侧，该问题变得十分困难。

发明内容

为了改进现有脉管制冷机的性能，本发明的目的是提供一种可提高制冷效率的可控直流装置。

本发明的另一个目的是提供一种包括上述可控直流装置的改进型脉管制冷机。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种可提高制冷效率的可控直流装置，包括流量控制装置、恒压气库和单向限压阀；所述恒压气库位于所述流量控制装置和所述单向限压阀之间，通过连接管路进行连接。

所述流量控制装置为用于控制流量的具有一定阻力的装置，优选为阀门、毛细管、喷嘴、多孔介质形成的阻力元件。

所述单向限压阀可以是高压限压阀，也可以是低压限压阀。相应的，恒压气库内形成的可以是高于系统平均压力的压力(简称高压)，也可以是低于系统平均压力的压力(简称低压)。

所述恒压气库是一刚性容器。

所述可提高制冷效率的可控直流装置的两端可置于相同的温度或不相同的温度。

本发明还提供了一种改进型脉管制冷机，包括脉管制冷机和可控直流装置，所述可控直流装置两端分别与所述脉管制冷机的回热器侧和脉管侧连接。