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图2－42 G－M制冷机的系统示意图 1—压缩机组；2—进气阀；3—排气阀；4—回热器； 5—换热器；6—膨胀机； a—低压储气罐；b—高压储气罐；c—冷却器； d—往复式压缩机；e—薄壁不锈钢气缸 热腔(1) 冷腔(2) 容积(2)处在低温下，它们与回热器用管道相连接。推移活塞在气缸中的上下移动由一小曲轴控制，膨胀机和进、排气阀的控制机构组合在一起，由一个微型电动机带动。进、排气阀的开启和关闭与推移活塞的移动位置之间按一定的相对角配合，以保证实现制冷机的热力循环。 工作气体在压缩机d中压缩，然后经冷却器c冷却，清洁的高压气体进入高压储气罐b。开始时，控制机构使推移活塞处于气缸底部，与此同时打开进气阀。高压气体进入推移活塞上方的热腔容积(1)和回热器4。回热器4及容积(1)的压力增高。当压力平衡后，推移活塞从气缸底部向上移动，把进入到热腔(1)的气体推移出去，经回热器4被冷却后进入冷腔(2)。与此同时，还有一部分来自高压储气罐的 气体，也经回热器4被冷却后进入冷腔(2)。推移活塞移动到气缸顶部，进气阀关闭。打开排气阀，使冷腔(2)内的气体经换热器5、回热器4与低压储气罐相连通。这时，处在冷腔(2)中的高压气体向低压储气罐a放气。制得的冷量经换热器5输出。气体经回热器4加热后进入低压储气罐a，然后进入高压储气罐b。同时，推移活塞重新移动到气缸底部，排气阀关闭。这样，周而复始，整个系统就能连续工作，不断地制取冷量。 图2－43 理想G－M循环的系统图、四个工作阶段及P－V图 图2－43 理想G－M循环的系统图、四个工作阶段及P－V图 三、脉管制冷机 脉管制冷是通过周期性地对一端封闭的管子充气压缩—放气膨胀而获得低温的一种方法。基本脉管制冷机如图2－45所示。 制冷机由压缩机、回热器和脉管单元组成，它们之间用金属软管连接。压缩机作为压力波发生器(这部分与上述G－M机的压缩机部分相同，图中末示出)。脉管单元是一根两端装有热交换器(图中的HC和HH)的管子，管内有层流化元件防止气体湍流混合。 图2－45 基本脉管制冷机 旋转阀处于进气位置时，高压(pH)气体先经过回热器被冷却到制冷温度Tc，再进入到热交换器HC，经过层流化元件使气体以层流态进入脉管，这是加压过程。该过程中气流无湍流运动，好似一片一片地由管子左端向右端推进。与此同时，由于受后续气体的压缩，所以一边推进，一边升温。待气体达到热交换器HH时，温度升到Tm。气体沿管程的温度分布如图2－45中实线所示。当脉管中压力提高到pH时，紧接着静止一段时间。这时旋转阀关闭，进入HH的气体被水冷却温度降到Ta。然后，旋转阀再转到与排气接通的位置。于是管内高压气体又一边向左流出，一边因降压膨胀而降温。这时管内气体的温度分布如图中虚线所示。当右侧气体返回到HC时，其温度降到Ti，Ti＜Tc。因此，冷气体进入HC后可以从温度为Tc的外界吸热，产生制 冷作用。在减压过程中由脉管流出的气体经过回热器被加热后又重新返回压缩机吸入侧。 由上可知，脉管制冷经历加压进气、静止、减压放气、静止这样四个阶段。为了防止脉管内气体发生湍流混合，要求进气和放气时间相当短；为了保证HC和HH有充分的时间传热，则需要静止期比较长。 对脉管制冷机理方面的经典分析是吉福特于1967年提出的“表面泵热”原理。他认为，脉管制冷是由于管内气体微团在压缩—膨胀行程内从一端向另一端附于管壁表面泵热的结果，并且定性地解释脉管几何尺寸、工作压力、脉冲频率等因素对其制冷性能的影响。 基本脉管制冷机由于外部热损失大、效率低，所以其制冷温度有限，最低只达到124 K。以后又不断改进，产生了各种类型的脉管制冷机，如热声型脉管(用热声振荡产生压力波驱动脉管)，小孔型脉管、双向进气脉管、多级脉管等。到目前为止，单级脉管制冷温度已达到23.5 K。近年来，多级脉管的研究也有很大进展。 在相同的制冷负荷下，脉管制冷机所需用的气量为斯特林制冷机的4倍左右，蓄冷器的热负荷也要大得多。为了找出存在上述差距的原因，并提出解决存在问题的办法。西安交通大学朱绍伟等提出了双向进气脉管制冷机的新方案，法国学者采用相同的方案，单级最低温度到达28 K。 当前的研究进展表明：脉管将成为有竞争力的低温制冷机。它比常规回热式空气制冷机(如G－M机、斯特林机)突出的优越之处在于简单，无低温运动部件，特别适宜在高空应用(对可靠性、寿命、振动要求极高)，它用以作为红外器件、低温电子器件冷源的前景日益明朗。 * 对于G－M制冷机作如下假定： (1)系统中工质为理想气体