一种采用冷端直流的高效回热式制冷机系统

本发明涉及制冷，尤其是涉及一种采用冷端直流的高效回热式制冷机系统。

背景技术：

1、脉管制冷机和gm制冷机等回热式低温制冷机具有结构简单、可靠性高、体积小等优点，在小型氢、氦液化和低温超导等低温技术中有广泛应用。

2、在回热式低温制冷机系统中，回热器的效率对制冷机系统的整体性能有大的影响。传统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。随着双向进气结构的引入，回热器和脉管构成闭合回路，引发直流流动。随着对实际情况下回热器中功和热传递的进一步研究，直流被认为能够对回热器的效率产生大的影响。

3、实际情况下，特别是对于20k以下制冷温区，实际气体效应严重，焓不仅与温度有关，还与压力有关。此时回热器中的气体工质会产生由于压力变化而导致的焓流，使得回热器本身产生热焓流来保证能量平衡，相应的就会存在内在热损失。通过设置一定大小方向的直流，不但对制冷机的性能没有影响，还能作为回热器的热量输入或热量排出来平衡回热器中的压焓变化，尽量消除热焓流，甚至能提高制冷性能。

4、如公开号为cn112097422a的中国专利文献公开了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两部分。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；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；直流外部循环单元从回热器冷端换热器引出后进入逆流式换热器，利用直流来预冷待液化气体，制冷机本身性能不变。

5、然而，现有的采用直流结构的回热式低温制冷机系统仍存在不足。不足之处在于，直流管路中会出现反复流，会影响制冷机本身的性能；引出直流的冷量较少被用来提升制冷机本身的性能；引出的直流还存在通过强化热交换过程来提升冷量利用率的空间。

技术实现思路

1、本发明提供了一种采用冷端直流的高效回热式制冷机系统，在回热式制冷的基础上从冷端引出一股直流来平衡回热器中的压焓变化，在不影响或提升制冷机原本性能的前提下，通过冷端节流换热、对冷指回冷和对制冷机补气，做到了充分利用回热器的中间制冷功率，进一步提高了系统的性能。

2、一种采用冷端直流的高效回热式制冷机系统，包括回热式制冷模块和直流回路模块；

3、所述的回热式制冷模块包括依次连接的制冷机压缩装置、旋转阀和冷指，所述的制冷机压缩装置设有高压排气口、补气口和低压进气口；所述旋转阀的一侧通过高压管路和高压排气口连接，另一侧通过低压管路和低压进气口连接，旋转阀的中心孔通过传输管路与冷指连接；

4、所述的直流回路模块包括节流冷端换热器、铜卡套换热器和直流控制组件；从冷指的回热器冷端换热器引出直流后在节流冷端换热器中节流换热并进入直流管路，直流管路部分接触固定在冷指上的铜卡套换热器，利用直流的冷量对冷指回冷，通过直流控制组件控制流量，最后直流在补气压缩装置中加压后回到制冷机压缩装置的补气口完成外部循环。

5、进一步地，所述的铜卡套换热器固定在冷指的外壁面上，包括一级铜卡套换热器和二级铜卡套换热器，每一级的数量至少为一个。

6、进一步地，所述的铜卡套换热器由两片外形相同的扁平状半圆环铜块栓接固定而成，直流管路部分缠绕在铜卡套换热器外部。

7、进一步地，所述直流控制组件包括依次连接的压力传感器、减压阀、一号针阀、二号针阀和蝶阀。

8、可选择地，所述的回热式制冷模块为gm制冷机、gm型脉管制冷机、斯特林制冷机、斯特林型脉管制冷机、vm制冷机中的一种。

9、可选择地，所述回热式制冷模块的结构形式是同轴型、u型或直线型，其制冷级数为单级、两级或多级，其耦合结构是热耦合或气耦合。

10、可选择地，所述节流冷端换热器的内部节流结构形式为毛细管或者节流孔，其个数为一个或者多个。

11、进一步地，所述的制冷机压缩装置上还设有高压排气压力表、低压进气压力表、压缩装置显示屏和压缩装置控制面板。

12、本发明还提供了一种制冷方法，采用上述高效回热式制冷机系统，具体过程如下：

13、向回热式制冷模块内充入工作压力的气体工质，调整制冷机压缩装置的频率，开启制冷机压缩装置开始降温；

14、当冷指的回热器冷端换热器温度不再降低后，依次打开直流控制组件中的减压阀、一号针阀、二号针阀、蝶阀、补气压缩装置，使直流循环开始工作，当回热器冷端换热器和节流冷端换热器的温度稳定不变后，在回热器冷端换热器和节流冷端换热器处获得相应的制冷温度和制冷量。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、1、相比于传统的回热式制冷机系统存在实际气体的内在热损失，本发明通过管路连接回热器冷端和和压缩机补气口，形成稳定的直流循环，利用直流减少了回热器实际气体损失，有利于提高制冷机性能。

17、2、本发明通过将引出的直流在回热器冷端节流换热，在维持或增强原有制冷机性能的基础上，进一步增加了制冷机冷端制冷量。

18、3、本发明将引出的冷端直流通过气缸外壁换热组件给回热器回冷后通入压缩机，并通过铜卡套换热器增加换热面积，强化热交换，利用直流冷量减少了回热器总的热损失，进一步提高了制冷机性能。

19、4、相比于已有的采用冷端直流的回热式制冷机系统，本发明通过在冷端添加节流结构，避免了直流管路中出现反复流影响制冷机性能。

技术特征：

1.一种采用冷端直流的高效回热式制冷机系统，其特征在于，包括回热式制冷模块和直流回路模块；

2.根据权利要求1所述的采用冷端直流的高效回热式制冷机系统，其特征在于，所述的铜卡套换热器固定在冷指(13)的外壁面上，包括一级铜卡套换热器(14)和二级铜卡套换热器(15)，每一级的数量至少为一个。

3.根据权利要求1所述的采用冷端直流的高效回热式制冷机系统，其特征在于，所述的铜卡套换热器由两片外形相同的扁平状半圆环铜块栓接固定而成，直流管路(18)部分缠绕在铜卡套换热器外部。

4.根据权利要求1所述的采用冷端直流的高效回热式制冷机系统，其特征在于，所述直流控制组件包括依次连接的压力传感器(19)、减压阀(20)、一号针阀(21)、二号针阀(22)和蝶阀(23)。

5.根据权利要求1所述的采用冷端直流的高效回热式制冷机系统，其特征在于，所述的回热式制冷模块为gm制冷机、gm型脉管制冷机、斯特林制冷机、斯特林型脉管制冷机、vm制冷机中的一种。

6.根据权利要求5所述的采用冷端直流的高效回热式制冷机系统，其特征在于，所述回热式制冷模块的结构形式是同轴型、u型或直线型，其制冷级数为单级、两级或多级，其耦合结构是热耦合或气耦合。

7.根据权利要求1所述的采用冷端直流的高效回热式制冷机系统，其特征在于，所述节流冷端换热器(17)的内部节流结构形式为毛细管或者节流孔，其个数为一个或者多个。

8.根据权利要求1所述的采用冷端直流的高效回热式制冷机系统，其特征在于，所述的制冷机压缩装置(1)上还设有高压排气压力表(5)、低压进气压力表(6)、压缩装置显示屏(8)和压缩装置控制面板(9)。

技术总结本发明公开了一种采用冷端直流的高效回热式制冷机系统，包括回热式制冷模块和直流回路模块；回热式制冷模块包括依次连接的制冷机压缩装置、旋转阀和冷指，制冷机压缩装置设有高压排气口、补气口和低压进气口；旋转阀一侧和高压排气口连接，另一侧和低压进气口连接，旋转阀的中心孔与冷指连接；直流回路模块包括节流冷端换热器、铜卡套换热器和直流控制组件；从冷指的回热器冷端换热器引出直流后在节流冷端换热器中节流换热并进入直流管路，直流管路接触固定在冷指上的铜卡套换热器，利用直流冷量对冷指回冷，通过直流控制组件控制流量，最后直流加压后回到补气口完成外部循环。本发明充分利用回热器的中间制冷功率，进一步提高系统性能。技术研发人员：植晓琴,高天,陈鑫,韦涛,邱利民受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29