[其他]绝热膨胀-放气回热式制冷方法及其装置

说明书

本发明属于低温制冷技术及其装置领域。

众所周知，Gifford-McMahon（简称G-M）制冷方法及其装置是1959年美国人Gifford提出的，其制冷循环由等容进气、等压进气、绝热放气和等压排气四个过程组成（文献〔1〕、U.S.Patent    2，966，035;〔2〕、H.O.McMahon，W.E.Gifford：A    New    Low    Temprature    Gas    Expansion    Cycle，part    I，《Advances    in    Cryogenic    Engineering》，Vol.5，354-367，1959）。这种制冷方法及其装置的缺点是：绝热放气的不可逆性大，因而循环效率低。

二十多年来，G-M制冷装置做了许多改进，这些改进可参阅下列资料：

〔3〕边绍雄等：《小型低温制冷机》，121-125，127-134，152-156，163-169，机械工业出版社，1983。

〔4〕W.E.Gifford，T.E.Hoffman：A    New    Refrigeration    System    for    4.2K，《Advances    in    Cryogenic    Engineering》，Vol.6，82-94，1961。

〔5〕张亮：“小型平面旋转配气阀门”，《制冷学报》，NO.4，1980。

〔6〕U.S.Patent    3，119，237。

以上文章所述的仅仅是对G-M制冷装置结构的改进，目的在于提高其可靠性，增长无维修运转周期，扩大其应用范围，而其制冷方法没有改变，这些G-M制冷方法及其装置仍存在着热力学效率低，单位制冷量能量消耗大等不足处。

本发明的目的在于提供一种新的效率较高的制冷方法及其装置来代替G-M制冷方法及其装置，它不但具有G-M制冷方法及其装置的结构简单、可靠性高、无维修运转周期长、振动小等优点，而且比G-M制冷方法及其装置的效率更高，单位制冷量的能量消耗小等优点。

绝热膨胀-放气回热式制冷方法是根据以下热力学原理来实现的：

在闭式系统中，气体的初、终状态不变的情况下，用绝热膨胀和绝热放气两个过程来代替单一的绝热放气过程，则热力学循环的不可逆性降低，效率提高。

附图1是本发明的制冷装置膨胀机冷腔P-V图。

附图2是本发明的制冷装置的结构原理图。

附图3（a）是本发明的制冷装置膨胀机的推移活塞位置图，图中纵坐标为推移活塞的位置，A为上止点，B为下止点。

附图3（b）示出本发明的制冷装置中膨胀机进、排气阀的开度在一个循环内的变化，纵坐标为气阀开度，C为进气阀开度，D为排气阀开度，E点为气阀全开，F点为气阀关闭。

现参照附图2介绍本发明的制冷装置的结构和组成。

本发明的制冷装置与G-M制冷装置相类似，包括压缩机组（16）和膨胀机（17）两大部分。压缩机组（16）包括压缩机（1）、冷却器（2）、气体纯化器（3）、高压贮气罐（4）和低压贮气罐（5）。压缩机组（16）连续地向膨胀机（17）供给高压纯净的室温工作气体。膨胀机（17）由进气阀（6）、排气阀（7）、冷却器（8）、气缸（9）、推移活塞（10）、回热器（11）、负荷换热器（12）、真空罩（15）以及推移活塞和气阀的驱动机构（附图2中未标出）组成。在膨胀机（17）中，除了进气阀（6）、排气阀（7）及其驱动机构、推移活塞的驱动机构和冷却器（8）之外，所有部件均包在真空罩（15）中，以防止外界热量传入低温区域。膨胀机（17）可以与压缩机组（16）远距离布置，工作气体用软管相连通。膨胀机（17）不受压缩机（1）振动的影响，也不受其运转频率的制约，可以低频率运转，以增加无维修运转周期、减少振动、膨胀机的进气阀（6）和排气阀（7）均在室温下工作，可靠性高。

本发明的制冷装置与G-M制冷装置的区别在于：

（Ⅰ）参照附图3，本发明制冷装置中膨胀机进气阀（6）的停气相位角θ的范围为π/2＜θ＜π，即进气度i的范围是0＜i＜1，而G-M制冷装置的进气度i＝1。

（Ⅱ）参照附图2，本发明制冷装置中，在膨胀机（17）的热端增加了一个冷却器（8），该冷却器（8）的作用是降低由热腔（14）流向回热器（11）的气体温度，对循环效益有利。

下面参照附图1、2、3来说明本发明制冷方法的实现及其单级制冷装置的工作原理。