[发明专利]一种采用直流的回热式制冷机高效液化系统

说明书

本发明涉及一种采用直流的回热式制冷机高效液化系统，包括回热式制冷模块和液化模块；所述回热式制冷模块包括回热式制冷机单元以及直流外部循环单元；所述回热式制冷机单元包括依次连接的压缩装置、回热器热端换热器、回热器、回热器冷端换热器、膨胀机构冷端换热器、膨胀机构、膨胀机构热端换热器。与现有技术相比，本发明换热热阻更小，尤其适配于制冷性能较优的紧凑型GM制冷机，由于回热器内置于气缸中，且二者必然存在气隙，只能将液化工质流道缠绕在气缸外侧，与回热器换热存在较大的气隙热阻，内部引出直流与回热填料和交变流紧密接触，由此做到几乎无换热温差，可有效降低热阻。

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，尤其是涉及一种采用直流的回热式制冷机高效液化系统。

背景技术

回热式低温制冷机具有可靠性高、结构简单、灵活性高等优点，在气体液化、超导等低温技术中得到广泛应用。

理想的回热式低温制冷机如脉管制冷机在运行中并不存在直流。然而随着双向进气结构的引入形成了一个由双向进气阀，回热器和脉管构成的闭合回路。这种回路引发了直流流动，直流由于最早由Gedeon正式提出并进行了理论论证而也被称作Gedeon直流。最初认为直流现象对制冷机的稳定性、制冷效率产生严重影响，自上世纪九十年代以来一直备受关注，具有重要研究意义。然而之后一系列的理论和实验表明，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。1997年，陈国邦等人在一台两级脉管制冷机中引入了一股负向直流，降低了脉管中部的温度，增强了调相作用，提高了回热器性能，减少了损失。1998年，王超通过数值模拟和实验结合的方法，发现一定负向直流可以显著地提高G-M制冷机的制冷性能。同年，王超得出了一台单级双向进气型脉管制冷机性能提升的可控直流的范围区间：-0.13％-+0.016％(可控直流量与回热器中交流量的比值)。2012年，曹强在提出一种利用固定体积充气来测定直流量的方法，定量研究可控直流对其设计的多级斯特林型脉管制冷机性能的影响。在20K温区使最低制冷温度降低达6.4K，显著提升了制冷性能。2014年，Tsuchiya等人在一台液氦温区GM型双向进气的脉管制冷机中引入直流。一定直流量的工况下制冷机无负荷制冷温度为4.2K时制冷量提高了0.25W。2016年，潘长钊在液氦温区VM制冷机的理论与实验研究中发现，引入直流后，最低制冷温度可实现0.2K的降低，制冷量可从27.5mW@5.6K提高到40mW@5.6K。2018年，黄宸在一台不使用双向进气调相机构的双级斯特林型脉管制冷机上针对液氢温区和液氮温区进行可直流影响的研究。其研究表明，在20K温区，通过引进一股从回热器到脉管的正向直流，使得双级斯特林型脉管制冷机的无负荷温度降低了6-7K，22K时的制冷量增加了约1W。2019年，孙正采用带有可控直流结构的单级脉管制冷机实验台进行了理想气体温区的直流影响实验研究，实验结果表明在理想气体温区一定量直流可使制冷机COP最大提升2.2％，得出的结论为回热器对直流带来的热负荷有一定的吸收作用，并且引入直流后能削减脉管中的穿梭损失及二次流损失，提升了制冷机冷端焓流，因此提升了制冷性能。

氦气收集成本和液化成本均较高，市面上也存在一些小型可移动式的氦液化装置，通常将液化流道缠绕在回热器管壁外侧预冷，换热热阻较大，液化效率较低，单位体积氦气的液化成本较高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种采用直流的回热式制冷机高效液化系统，本发明的采用直流的回热式制冷机高效液化系统，通过管路连通回热器冷端和热端，形成稳定的直流循环，使得直流循环在回热器内部吸收冷量，并从回热器冷端换热器引出后进入逆流式换热器与液化模块换热，预冷液化工质，再回到回热器热端，完成循环。