关于制冷机中低温回热式的研究.docx

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关于制冷机中低温回热式的研究

关于制冷机低温回热式设备的研究

下图示出6种回热式低温制冷机循环图，图中a、b、c为没有配气阀的斯特林型制冷机，分别为斯特林制冷机、维勒米尔制冷机和斯特林型脉管制冷机；d、e、f是采用阀门的埃里克森型制冷机，分别为G-M制冷机、索尔凡制冷机和G-M型脉管制冷机

（1）斯特林制冷机

下动画a为斯特林制冷机示意图，其工作原理如下：

由外功W驱动的压缩机将工质在室温下压缩至高压，在级后冷却器中工质被冷却到温度Ta，向环境放出热量为Qa；排出器与压机活塞机械相联，但是它们的运动维持一定的相位差，以保证工质在处于环境温度下的压缩腔与处于低温下的膨胀腔之间流动；当工质从室温压缩腔经过回热器向低温膨胀腔流动时，回热填料从工质中吸取热量，当工质从低温膨胀腔返回室温压缩腔时，回热器向工质放热；膨胀腔下部的冷端换热器在低温下Tc从环境吸收热量，即输出的有效制冷量Qc。

机械驱动的斯特林制冷机的结构可分为整体式（上动画b）和分置式（上动画c）两种。

整体式斯特林制冷机是将压缩部分（包括压缩气缸、压缩活塞和冷却器）与膨胀制冷部分（包括膨胀气缸、排出器、回热器和冷量换热器）集成一体，并通过曲轴或其它动力机构耦合而成完全独立运转的制冷机。

分置式斯特林制冷机将压缩机与排出器完全独立地分开安置，在两者之间通过细管子相连接，可以避免或减少压缩机的振动对冷头的影响，使被冷却的器件远离振动源。

下图a给出了整体式斯特林制冷机的结构示意图。

下图b为采用线性压缩机驱动的斯特林制冷机的照片，该制冷机在180W输入功率下可在77K提供6W制冷量。

（2）维勒米尔制冷机

下动画是一种与斯特林制冷机相类似的维勒米尔制冷机。

有时，它也被称为以热压缩机代替机械压缩机的斯特林制冷机。

比较斯特林制冷机和维勒米尔制冷机的流程示意图可知，这两个系统在膨胀机部分是完全相同的，二者主要的区别在于：

维勒米尔制冷机没有采用机械式压缩机，而是代之以一个由高温排出器、高温回热器及一个附加的加热器组成的热压缩机系统。

对于热压缩机系统，高温排出器的运动使工质从高温排出器上部的高温腔通过高温回热器流向高温排出器下部的室温腔（或者是反向的流动），由于高温腔和室温腔的总容积是恒定的，工质在高温腔和室温腔之间的等容流动将导致系统压力的变化。

由于高温腔的温度远高于室温，当工质聚集在高温腔时，系统压力达到最大值，而当工质聚集在室温腔时，系统压力则最小。

维勒米尔制冷机的热压缩机部分与膨胀机部分通过冷却器直接相连，高温排出器的往复运动推动工质经由回热器在高温腔和室温腔之间等容的交变流动而产生的压力波直接驱动膨胀机部分实现制冷。

为了使得热压缩机部分产生的压力波能够正确地驱动膨胀机部分实现上述斯特林循环制冷过程，热压缩机中的高温排出器与膨胀机中的低温排出器需要联合工作，在本节开头的图b中将二者用虚线连接，两者的运动是相互关联的。

实际上，两个排出器的运动并非同步，而是存在约90°相位角，以使得高温腔的体积超前于膨胀机中低温腔体积约90°相位。

维勒米尔制冷机特别适用于有可供利用的高温热能场合，例如可以利用放射性同位素放出的热量、太阳能、废热能或焚烧矿物燃料和固体废物所产生的热能等来实现制冷。

（3）索尔文制冷机

索尔文制冷机如下动画所示。

由压缩机，回热器和膨胀机组成。

压缩机在外功W的作用下，将气体工质在常温下压缩到高压，压缩热Qa通过冷却器在温度Ta下排到环境中去。

高压工质通过回热器后温度降低，然后在膨胀机中膨胀，对外作功W0，工质的温度降低到Tc，通过冷端换热器输出制冷量Qc。

索尔文制冷机与斯特林制冷机的区别在于前者是用阀门来控制工质的流动的，后者不用阀门。

用阀门来隔离压缩机和膨胀机是一个很大的改进，它使压缩机工作频率和膨胀机的工作频率无关，从而使制冷机获得更高的压力比（pmax/pmin）。

而且，采用频率低，使噪音和振动减小，对低温电子领域的应用有重大意义，因为一些探测仪元件对机械振动和电磁干扰是极为敏感的，有严格的要求。

此时，压缩机却完全可以高速运转，并不影响到在低温区工作的精密探测仪。

通常可将常规的商品空气压缩机稍加改进，就可用作索尔文制冷机的压缩机，使成本降低。

下图为索尔文制冷机结构示意图。

（4）吉福特-麦克马洪（G-M）制冷机 

下动画所示的吉福特-麦克马洪系统与索尔凡制冷机大体相似，只是用排出器取代了索尔文系统中的膨胀机。

与索尔文制冷机一样，G-M制冷机也是通过阀门配气的，压缩机和膨胀机可相互独立地工作，以获得更高的压力比。

G-M制冷机较索尔文制冷机更具优势。

它使用的是排出器而非活塞。

排出器仅要求低压密封，而活塞则要求高压密封。

然而正是这一点细小的差别，使G-M制冷机在低温制冷机领域得到非常广泛的应用。

下图a为G-M制冷机结构示意图。

下图b给出了德国莱宝公司的液氦温区G-M制冷机，该制冷机在2.5kW电功率输入下，可在4.2K提供0.25W制冷量。

（5）脉管制冷机 

脉管制冷机与斯特林制冷机及G-M制冷机的主要区别在于前者消除了在低温下运动的排出器，其相位调节由小孔和气库等调相机构来完成。

按照脉管制冷机的压缩机和膨胀机间是否采用阀门配气，可将其分为斯特林型脉管制冷机和G-M型脉管制冷机两种。

采用无阀压缩机的称为斯特林型脉管制冷机，见本节开头的图（c）；采用附加配气阀的有阀压缩机的为G-M型脉管制冷机，见本节开头的图（f）。

下图a和下图b给出了美国LockheedMartin研究中心的研制的采用线性压缩机驱动的单级和四级斯特林型脉管制冷机。

下图c为日本岩谷公司生产的单级G-M型脉管制冷机，可在77K提供15W制冷量。

斯特林型脉管制冷机通常采用机械式的线性压缩机驱动，但近年开发的采用热声压缩机来驱动脉管制冷机（见下图d），使整个制冷系统完全没有运动部件。

热声压缩机也叫做热声驱动器或热声发动机，是一种利用热-声转换效应输出压力波的热压缩机。

出师表

两汉：

诸葛亮

　　先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。

然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。

诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。

　　宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。

若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。

　　侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：

愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。

　　将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能”，是以众议举宠为督：

愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。

　　亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。

先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。

侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也

。

　　臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。

先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。

后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。

　　先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。

受命以来，夙夜忧叹，恐托付不效，以伤先帝之明；故五月渡泸，深入不毛。

今南方已定，兵甲已足，当奖率三军，北定中原，庶竭驽钝，攘除奸凶，兴复汉室，还于旧都。

此臣所以报先帝而忠陛下之职分也。

至于斟酌损益，进尽忠言，则攸之、祎、允之任也。

　　愿陛下托臣以讨贼兴复之效，不效，则治臣之罪，以告先帝之灵。

若无兴德之言，则责攸之、祎、允等之慢，以彰其咎；陛下亦宜自谋，以咨诹善道，察纳雅言，深追先帝遗诏。

臣不胜受恩感激。

　　今当远离，临表涕零，不知所言。