第3章低温制冷机.ppt

上海理工大学 2011年 4月 图3-7 克劳特制冷机 3.6 吉福特-麦克马洪制冷机 系统包括压缩机、两端密封的气缸、气缸中的位移器，和回热器。 图3-17 G-M制冷机中单位 质量气体在T-S图上的流程 图3-16 G-M制冷机示意图 系统所需净功为: 从低温源带走的热量为: 因为膨胀过程中膨胀腔的体积保持不变，me/m可表示为密度比: 回热器效率 沿着位移器的导热和壳体漏热 气体与回热器往复换热 回热器中存在的一定容积 (3.30) (3.31) (3.32) 影响G-M制冷机性能的因素 在Solvay和G-M制冷机中，回热器是关键部件。一台较好的制冷机，其回热器效率需高达98%以上。 图3-18 回热器示意图 Solvay和G-M制冷机有共同的优点: 阀门和位移器活塞密封可在室温下实现，因此不存在低温密封问题。 通过使用回热器代替通常的换热器，可得到很高的换热效率，系统可使用稍稍不纯的气体为工质。 由于气体在回热器中来回流动，回热器中的杂质可在吸入过程中积存下来，在排气过程中清除出去。 相同表面积下，回热器的造价比换热器低。 Solvay系统与G-M系统相比有两大优点: Solvay系统COP总是比G-M系统高，因为工质在对外作功过程中，可带走更多能量； G-M系统中，需要一个小马达来移动位移器，而在Solvay系统中，由膨胀气体来移动活塞。 G-M系统与Solvay系统相比也有优点: 位移器两端压差小，所以在G-M系统中经位移器的泄漏很少； 在G-M系统中位移器和曲柄不用承受很大的力，因此驱动机构可以十分简单，很少有振动的问题。 G-M系统的突出优点之一是它可实现多级化。多级系统中的所有阀门都在室温下工作，三个位移器由一个驱动机构操纵。 三个位移器由同一个驱动机构驱动，在此制冷机中可同时制取三种不同的温度。 图3-19 三级G-M制冷机 * Gifford-McMahon (GM) Cryocooler System Used for cryopumps Used for MRI shield cooling * 15 K Condensing Array 15 K Charcoal Bed 80 K Condensing Array 1983 Cryopump with GM cryocooler 1970s 2-stage GM 1 W at 26 K CTI model 0120 Gifford-McMahon (GM) Cryocooler Invented 1960 Courtesy: CTI GM Cryocooler Early History (1960) * 2-Stage Gifford-McMahon Cryocooler GM2stage.cdr * Range of Commercial GM Refrigerators One-Stage Coolers 3.7 脉冲管制冷机 脉冲管制冷机省去了常规气体制冷机中的冷腔膨胀活塞，采用一根低热导的管子来代替，具有结构简单、运转可靠、冷头振动小、寿命长、成本低等优势。 图3-20 脉冲管制冷机的演变与发展 * Pulse Tube Geometry Pt20c.cdr 3.7.1 基本型脉冲管制冷机 3.7.2 小孔型脉冲管制冷机 3.7.3 双向进气脉冲管制冷机 3.7.4 多路旁通脉冲管制冷机 3.7.5 双活塞脉冲管制冷机 3.7.6 四阀式脉冲管制冷机 3.7.7 多级脉管制冷机 脉管制冷机分类 3.7.1 基本型脉冲管制冷机 最初的基本型脉冲管制冷机的制冷流程由压缩机、切换阀、回热器、冷端换热器、导流器、脉冲管本体以及脉冲管封闭端的水冷却器所组成。 1—切换阀 2—回热器 3—冷端换热器 4—脉冲管 5—水冷却器 6—导流器 基本原理是利用高低压气体对脉冲管腔的充放气而获得制冷效果的。 图3-21 基本型脉冲管制冷机原理图 基本型脉冲管制冷机利用充放气获得低温的方法实质上是西蒙膨胀制冷的一种型式。 基本型脉冲管制冷机与西蒙膨胀过程的不同点: 1. 脉冲管制冷机运行时，脉冲管气体轴向存在一温度梯度，入口端温度低，封闭端温度高；而西蒙膨胀的容器内气体温度均匀； 2. 充气完毕后，脉冲管取走热量的方式是靠封闭端的水冷换热器；而西蒙膨胀的热量是靠整个容器表面与外部环境的对流换热。 基本型脉冲管制冷机除了压缩气源和切换阀是室温运动部件外，在低温处无任何运动部件，因此其结构简单、运行可靠，但是其制冷效率低。 带有切换阀的基本型脉冲管制冷机:由于气体在通过阀门时有节