低温制冷机阀组及GM型脉管制冷机

摘要

本发明公开了一种低温制冷机阀组及GM型脉管制冷机，包括一级小孔阀、一级双向进气阀I、一级双向进气阀II、二级小孔阀、二级双向进气阀I以及二级双向进气阀II，还包括阀门体，所述一级小孔阀、一级双向进气阀I、一级双向进气阀II、二级小孔阀、二级双向进气阀I以及二级双向进气阀II均固定在阀门体上，同时所述阀门体上设有将各阀门对应接口连通的流道。本发明的4K低温制冷机阀组通过工作流体通道的紧凑设计，使得由阀门流量和相位调节更精密，减少工作流体流动的阻力，因而PV功损失降低，能够在一定程度上提高小功率4K低温制冷机的；使得制冷机的热端不需要焊接，实现流体的压力密封；使得阀门总体、热端换热器、压力传感器的设置更简单。

说明书

技术领域

本发明属于低温制冷领域，尤其涉及一种低温制冷机阀组以及带有该 低温制冷机阀组的GM型脉管制冷机。

背景技术

随着低温制冷机的发展，其应用范围越来越扩大。尤其4K低温制冷 机在小规模氦液化及再凝缩、超导传感器及超导仪器的冷却、超导磁体的 干式冷却、Sub-Kelvin制冷机的预冷却、材料的低温物性研究等很多方面 被应用。当前主流的4K温区低温制冷机按照制冷循环方式不同可以分为 GM制冷机和GM型脉管制冷机两种，其中GM型脉管制冷机的发展特别 快。当前小功率4K GM型脉管制冷机的研究和发展面临制冷效率很难提 高的问题。因为氦-4压缩机的输入功率小，目前小功率4K GM型脉管制 冷机的整体效率仍然不高。为了提高制冷机的效率，需要对制冷机进行设 计优化，尽量减少各种各样的损失。

4K GM型脉管制冷机在结构上可分为两种(用一套压缩机)：

如图1所示，4K GM型脉管制冷机的第一种结构包括依次连接的：压 缩机1、旋转阀2、热端换热器3、第一级部分和第二级部分，其中第一 级部分包括：一级回热器4，一级回热器冷端换热器5、一级冷端流体通 道6、一级脉管冷端换热器7、一级脉管8、一级脉管热端换热器9、一 级气库10、一级小孔阀18、一级双向进气阀I19、一级双向进气阀II20， 第二级部分包括：二级回热器11、二级回热器冷端换热器12、二级冷端 流体通道13、二级脉管冷端换热器14、二级脉管15、二级脉管热端换 热器16、二级气库17、二级小孔阀21、二级双向进气阀I22、二级双向 进气阀II23。

如图2所示，4K GM型脉管制冷机的第二种结构。跟第一种相比，都 是由一个压缩机驱动，但是质量流量分配的方法不一样。第二种结构的工 作气体的质量流量在制冷机的热端分配到两级，因此第一级的冷端没有分 配流体的通道。

针对上述结构的4K GM型脉管制冷机，4K GM型脉管制冷机的第一 级是预冷部分、第二级是4K温区部分，制冷机的工作过程为：压缩机1 的出口设有工作流体(氦-4)的高压(排出)及低压(吸入)管子。通过 跟压缩机连结的旋转阀2，产生氦-4的压力波动。由于氦-4的周期的压力 波动，氦-4在回热器(一级回热器4和二级回热器11)内进行和填料换 热，在脉管(一级脉管8和二级脉管15)内进行绝热压缩及膨胀。随着这 个过程的反复，冷端的温度渐渐降低。在第一种结构的两级脉管制冷机中， 氦-4的质量流量在两级之间由一级冷端流体通道6分配到两部分：一部分 进入一级脉管冷端换热器7，另一部分进入二级回热器11的热端。一级小 孔阀18、一级双向进气阀I19、一级双向进气阀II20调节一级脉管热端的 质量流量以及它和压力之间的相位差，从而影响一级的制冷性能。二级小 孔阀21、二级双双向进气阀I22、二级双向进气阀II 23对二级的影响亦 如此。为了达到4K温区，回热器(一级回热器4和二级回热器11)及脉 管(一级脉管8和二级脉管15)的作用很重要，而且六个阀门的调节的优 化也非常重要。原因如下：4K GM型脉管制冷机的制冷性能很大程度上 依赖冷端压力和气体质量流量的相位差。相位差的优化由上述的六个阀门 (一级小孔阀18、一级双向进气阀I 19、一级双向进气阀II 20、二级小孔 阀21、二级双双向进气阀I 22、二级双向进气阀II 23)的调节来实现。为 了达到4K温区，双向进气阀(一级双向进气阀I 19、一级双向进气阀II 20、二级双双向进气阀I 22、二级双向进气阀II 23)的作用尤其重要。 因为这些阀门调节流体直流，因此影响到流体的焓流，从而影响4K温区 的制冷性能。

现有的4K GM型脉管制冷机仍然存在制冷效率低的问题。另外，现 有的4K GM型脉管制冷机在压缩机与回热器、或者气库与脉管热端换热 器之间需要设置许多管路和多个上述的阀门，结构繁琐，同时导致了各种 损失的存在：如在旋转阀、工作流体四通道等处的损失，其制冷效率比4K GM制冷机低，尤其小功率脉管制冷机。

现有的4KGM型脉管制冷机的压缩机功率、压比、工作流体的质量 流量分别大于1.7kW、1.5、3g/s，因此在阀门处PV功的损失很小。

但是小功率4KGM型脉管制冷机的压缩机功率、压比、工作流体的 质量流量分别小于1.3kW、1.5、2.5g/s，因此不能忽视在阀门处PV功的 损失，应要尽量减少。并且为了达到4K温区，理论上工作流体的质量流 量越小，所有阀门总体的优化微细调节越重要。

当前还是没有对于小功率4KGM型脉管制冷机的研究，所以没有可 应用的包含阀组及热端换热器一起的紧凑设计。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种低温制冷机阀组以及带有该低温制 冷机阀组的GM型脉管制冷机，该低温制冷机阀组能有效减少水力阻力， 降低压缩工质损失，提高制冷效率。

一种低温制冷机阀组，包括一级小孔阀、一级双向进气阀I、一级双 向进气阀II、二级小孔阀、二级双向进气阀I以及二级双向进气阀II，还 包括阀门体，所述一级小孔阀、一级双向进气阀I、一级双向进气阀II、 二级小孔阀、二级双向进气阀I以及二级双向进气阀II均固定在阀门体上， 同时所述阀门体上设有将各阀门对应接口连通的流道。

本发明中，各阀门之间的连通关系可采用现有的方案。根据本发明提 出的设计，旋转阀出口的小部分流体分配到两级的双向进气阀门，通过这 些双向进气阀门、脉管热端的流体一起流到小孔阀门。采用本发明的方案， 直接将各个端口与制冷机的各个端口连接，降低了安装难度，省去了繁琐 的管路连接。

作为优选，所述流道包括：

贯穿所述阀门体的主流道；用于连接旋转阀和一级回热器的热端；

设置在阀门体一端的第一分流道和第二分流道；分别用于与一级气库 和二级气库连接；

设置在阀门体另一端的第三分流道和第四分流道；分别用于与一级脉 管和二级脉管的连接；

所述一级双向进气阀I、一级双向进气阀II、二级双向进气阀I以及 二级双向进气阀II一端出口同时与所述主流道连通；所述一级小孔阀和二 级小孔阀一端出口分别与所述第一分流道和第二分流通道连通；即一级小 孔阀的一端出口与第一分流道连通，二级小孔阀的一端出口与第二流道连 通；

所述一级双向进气阀I、一级双向进气阀II、一级小孔阀另一端出口 同时与第三分流道连通；所述二级双向进气阀I、二级双向进气阀II和二 级小孔阀同时与第四分流道连通。

制冷机的运行过程中需要测量在一些重要部分的流体压力波动。作为 优选，所述主流道靠近阀门体顶端的侧壁设有旋转阀出口压力传感器，用 于检测旋转阀出口的压力波动；所述第三分流道、第四分流道侧壁分别设 有一级脉管热端压力传感器、二级脉管热端压力传感器，即第三分流道侧 壁设有一级脉管热端压力传感器，用于检测一级脉管热端的压力波动；第 四分流道的侧壁设有二级脉管热端压力传感器，用于检测二级脉管热端的 压力波动。根据本发明提供的设计，旋转阀的出口、两个脉管热端的压力 传感器设置在三个流体通道(流道)的延长部分。

作为优选，所述一级小孔阀、一级双向进气阀I、一级双向进气阀II、 二级小孔阀、二级双向进气阀I以及二级双向进气阀II沿阀门体周侧设置， 采用该技术方案，进一步提高了整个阀组的紧凑型。

作为优选，所述一级小孔阀、一级双向进气阀I、一级双向进气阀II、 二级小孔阀、二级双向进气阀I、二级双向进气阀II均通过可拆卸方式与 阀门体相互固定。采用该技术方案，方便了上述阀门的安装和检修。

作为优选，所述旋转阀出口压力传感器、一级脉管热端压力传感器、 二级脉管热端压力传感器通过可拆卸方式与所述阀门体相互固定。采用可 拆卸方式，方便了上述各传感器的更换和安装。

本发明的低温制冷机阀组特别适用于4K温区制冷机，阀门体在提供 支撑框架作用的同时，兼做一级回热器热端换热器、一级脉管热端换热器 和二级脉管热端换热器，所述阀组内有紧凑的工作流道，同时在流道侧壁 设置压力传感器，各部件之间采用可拆卸方式固定，装配的时候不需要焊 接。

作为优选，所述阀门体外周侧设有散热肋片。采用该技术方案，提高 了阀门体的换热效率，保证制冷机的制冷性能。作为进一步优选，散热肋 片布置在阀门体的下面部分。

本发明还提供了一种GM型脉管制冷机，采用上述任一技术方案所述 的低温制冷机阀组调节脉管热端的压力和气体质量流量的相位差。

作为优选，所述GM型脉管制冷机包括压缩机，与压缩机出口连通的 旋转阀，与旋转阀出口依次连通的一级回热器、一级回热器冷端换热器、 二级回热器、二级回热器冷端换热器、二级脉管冷端换热器、二级脉管和 二级气库，同时与一级回热器冷端换热器连通的一级脉管冷端换热器、一 级脉管和一级气库，以及低温制冷机阀组，其中：

所述主流道的一端开口与所述旋转阀的出口连通；所述主流道的另一 端开口与所述一级回热器热端连通；

所述第一分流道与所述一级气库连通；所述第二流道与所述二级气库 连通；所述第三分流道与所述一级脉管热端连通；所述第四分流道与所述 二级脉管热端连通。

根据本发明提供的设计，低温制冷机阀组本身也作为热端换热器。回 热器及脉管热端换热器流体通道设置在跟三个流体通道垂直方向的延长 部分。而且热端换热器散热肋片都设置在阀门体的壁面。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

一、通过各阀门与阀门体的紧凑设计，减少在阀门组的水力阻力及无 效体积、压缩功损失，并保证氦-4气体的压力气密可靠性。

二、通过各阀门与阀门体的紧凑设计，免去复杂的阀门总体的结构、 把热端换热器部分、压力传感器部分等，都设置在一个综合的部件上，即 都设置在阀门体上，整体结构简单。

三、通过各阀门与阀门体的紧凑设计，便于阀门的调节，提高了4K 低温制冷机的制冷效率，从而促进4K低温制冷机的应用。

综上所述，本发明的4K低温制冷机阀组通过工作流体通道的紧凑设 计，使得阀门流量和相位调节更精密，减少工作流体流动的阻力，因而 PV功损失降低，能够在一定程度上提高小功率4K低温制冷机的制冷效 率；使得制冷机的热端不需要焊接，实现流体的压力密封；使得阀门总体、 热端换热器、压力传感器的设置更简单。

附图说明

图1是现有的4K温区GM型脉管制冷机的第一种结构示意图；

图2是现有的4K温区GM型脉管制冷机的第二种结构示意图；

图3是本发明的4KGM型脉管制冷机的结构示意图；

图4是本发明4K GM型脉管制冷机阀组的结构视图；

图5是本发明低温制冷机阀组的俯视图(剖视)；

图6是图5所示本发明低温制冷机阀组的A-A面剖视图

图7是图5所示本发明低温制冷机阀组的B-B面剖视图

图8是图6所示本发明低温制冷机阀组的D-D面剖视图

图9是图6所示本发明低温制冷机阀组的E-E视图

上述各附图中：

1.压缩机，2.旋转阀，3.热端换热器，4.一级回热器，5.一级回热 器冷端换热器，6.一级冷端流体通道，7.一级脉管冷端换热器，8.一级脉 管，9.一级脉管冷端换热器，10.一级气库，11.二级回热器，12.二级回 热器冷端换热器，13.二级冷端流体槽道，14.二级脉管冷端换热器， 15.二级脉管，16.二级脉管热端换热器，17.二级气库，18.一级小孔阀， 19.一级双向进气阀I，20.一级双向进气阀II，21.二级小孔阀，22.二 级双向进气阀I，23.二级双向进气阀II，24.旋转阀出口压力传感器， 25.一级脉管热端压力传感器，26.二级脉管热端压力传感器；

101.阀门体，102.主流道，103.第一分流道，104.第二分流道，105. 第三分流道，106.第四分流道，107.散热肋片。

具体实施方式

如图4-9所示，一种低温制冷机阀组，包括阀门体101，阀门体101 上设有主流道102、第一分流道103、第二分流道104、第三分流道105 和第四分流道106。主流道102沿阀门体101轴向设置，贯穿整个阀门体 101，主流道102具有分别设置在阀门体101顶端和底部的两个端口，实 际使用时，用于分别与外接旋转阀出口(旋转阀入口与压缩机出口连通) 和一级回热器热端相连；第一分流道103、第二分流道104设于阀门体101 顶端，实际使用时，第一分流道103、第二分流道104顶部的端口分别用 于与一级气库、二级气库相连；第一分流道103、第二分流道104底部端 口位于阀门体101内部；第三分流道105和第四分流道106设于阀门体101 底端，实际使用时，第三分流道105、第四分流道106底部的端口分别用 于与一级脉管、二级脉管；第三分流道105、第四分流道106顶部的端口 位于阀门体101内。主流道102的两端分别设有用于与外接管路连接的接 头102a，第一分流道103的顶端设有用于与外接管路连接的接头103a； 第二分流道104的顶端设有用于与外接管路连接的接头104a；第三分流道 105和第四分流道106的底端直接与一级回热器热端对接。

阀门体101的周侧同时设有一级小孔阀18、一级双向进气阀I19、一 级双向进气阀II20、二级小孔阀21、二级双向进气阀I22、二级双向进气 阀II23；实际使用时，一级小孔阀18一端出口与第一分流道103底部端 口连通；一级小孔阀18另一端出口与第三分流道105顶部的端口连通； 二级小孔阀21一端出口与第二分流道104底部端口连通；二级小孔阀21 另一端出口与第四分流道106顶部的端口连通；一级双向进气阀I19、一 级双向进气阀II20、二级双向进气阀I22、二级双向进气阀II23一端出口 与主流道102连通，一级双向进气阀I19、一级双向进气阀II20另一端出 口与第三分流道105顶部的端口连通；二级双向进气阀I22、二级双向进 气阀II23另一端出口与第四分流道106顶部的端口连通。

主流道102靠近旋转阀出口侧壁设有旋转阀出口压力传感器24，用于 检测旋转阀出口的压力，旋转阀出口压力传感器24通过设置在阀门体101 一侧的螺纹孔与阀门体101螺纹固定。第三分流道105、第四分流道106 顶部的端口侧壁分别设有一级脉管热端压力传感器25、二级脉管热端压力 传感器26，分别用于检测一级脉管热端、二级脉管热端的压力。

本实施例中，用到的“顶端”、“底端”、“第一”、“第二”、“第三”、 “第四”等，均是为了更清楚的说明本发明，对本发明的结构没有任何限 定作用。

一级小孔阀18、一级双向进气阀I19、一级双向进气阀II20、二级小 孔阀21、二级双向进气阀I22、二级双向进气阀II23、旋转阀出口压力传 感器24、一级脉管热端压力传感器25、二级脉管热端压力传感器26均可 通过螺纹固定方式(NPT螺纹)与阀门体101固定，不需要任何焊接，拆 装和维修方便。

如图3、图4、图5所示，是本发明的实际应用到GM型脉管制冷机 的结构图(虚线部分为本发明的制冷机阀组)，本发明将一级小孔阀18、 一级双向进气阀I19、一级双向进气阀II20、二级小孔阀21、二级双向进 气阀I22、二级双向进气阀II23、热端换热器3、一级脉管冷端换热器9、 二级脉管热端换热器16集成在阀门体101上，阀门体101外壁设有散热 肋片107，阀门体101在充当安装总支座的同时，同时起到了热端换热器 3、一级脉管冷端换热器9、二级脉管热端换热器16的作用。实际使用时， 主流道102的两端通过管路分别与旋转阀2出口和一级回热器4的热端连 通，第一分流道103、第二分流道104顶部的端口分别通过管路与一级气 库10、二级气库17连通；第三分流道105、第四分流道106底部端口分 别通过管路与一级脉管8和二级脉管15的热端连通。如图6所示，本发 明中，通过主流道102，从压缩机1出来的流体直接流到一级回热器4的 入口。

如图7所示，通过第一分流道103、一级小孔阀18、第三分流道105 形成的流体通道，流体直接流到一级脉管8的热端；通过第二分流道104、 二级小孔阀21和第四分流道106形成的流体通道，流体直接流到二级脉 管15的热端。

本发明实际安装时，首先把铜丝网充填在阀门体101，阀门体101上 设有主流道102、第一分流道103、第二分流道104、第三分流道105和第 四分流道106的出口，后把接口部件设置在上面，用螺栓固定。阀门体101 底部设有法兰，用于与制冷机其余部分的基本法兰连接。

如图8、图9所示，把旋转阀出口压力传感器24设置在主流道102 的延长部分。将一级脉管热端压力传感器25、二级脉管热端压力传感器 26设置在第三分流道105和第四分流道106的延长部分。压力传感器外周 设置螺纹结构，通过阀门体101上的螺纹孔实现螺纹固定。

本发明的低温制冷机阀组通过阀门体101的主流道和分流道，实现了 由所有的阀门共同调节流体的流量和流量与压力的相位差，并且在热端换 热过程中测量在热端流体的压力波动。

本发明的制冷机阀组包含多种功能，使得整个制冷机的设计更紧凑， 阀门总体的优化调节、阻力损失的减少、和压力密封的问题得到改善。

以上所述的内容仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利 保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效设计变换，可以 运用在其他4K低温制冷机有关的技术领域，均同理包括在本发明的保护 范围内。