一种低温涡轮制冷机
阅读说明：本技术 一种低温涡轮制冷机 (Low-temperature turbine refrigerator ) 是由 绳春晨 罗高乔 谢洪涛 高维浩 吴维薇 刘磊磊 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明的一种低温涡轮制冷机,包括设置在真空杜瓦内部的膨胀涡轮、环形回冷换热器及冷端换热器；高压气常温进气管经真空杜瓦的外部依次与环形回冷换热器、高压低温连接管、蜗壳喷嘴、膨胀涡轮、冷端换热器、低压低温连接管依次密封连接。本发明利用气体工质的等压回热、等熵膨胀和等压吸热过程为低温用冷设备提供低温冷源,制冷机采用高速涡轮作为动力输出装置产生低温冷量,采用环形回冷换热器环绕涡轮主机提升制冷机内部空间利用率,通过真空杜瓦将涡轮与换热器密封进行低温漏热防护,利用置于杜瓦外的制动电机消耗轴工平衡涡轮转速,冷端换热器与用冷设备耦合方式灵活,具备制冷温区宽、无振动、单位质量制冷量大、免维护、长寿命等优势。(The invention relates to a low-temperature turbine refrigerator, which comprises an expansion turbine, an annular recooling heat exchanger and a cold end heat exchanger, wherein the expansion turbine, the annular recooling heat exchanger and the cold end heat exchanger are arranged in a vacuum Dewar; the high-pressure gas normal-temperature gas inlet pipe is sequentially and hermetically connected with the annular back-cooling heat exchanger, the high-pressure low-temperature connecting pipe, the volute nozzle, the expansion turbine, the cold-end heat exchanger and the low-pressure low-temperature connecting pipe through the outside of the vacuum Dewar. The invention provides a low-temperature cold source for low-temperature cold using equipment by utilizing isobaric backheating, isentropic expansion and isobaric heat absorption processes of gas working media, a refrigerator adopts a high-speed turbine as a power output device to generate low-temperature cold, an annular recooling heat exchanger is adopted to surround a turbine host to improve the utilization rate of the internal space of the refrigerator, the turbine and the heat exchanger are sealed by a vacuum Dewar to perform low-temperature heat leakage protection, a brake motor arranged outside the Dewar is utilized to consume axial work to balance the rotating speed of the turbine, and the cold end heat exchanger and the cold using equipment are flexibly coupled.)
技术领域
本发明涉及制冷机技术领域，具体涉及一种低温涡轮制冷机。
背景技术
低温制冷机是获得和维持低温的机械，由于简单、方便灵活得到了重视和发展，省却了低温液体储运和充注等麻烦，在红外成像、红外探测、低温超导、低温液体零蒸发存储、低温真空泵等领域均有广泛应用。
低温制冷机根据其循环原理主要可分为再生回热式低温制冷机和间壁回热式低温制冷机两大类。其中再生回热式低温制冷机依赖可压缩流体工质周期性振荡与回热器固体填料间的有限热相互作用从低温端泵热，主要特征是压力、温度、密度、流量和焓流等热力学参数具有波动特性，且各参数之间存在复杂的相位关系，系统循环效率由各参数的振幅和相位决定。应用较广的再生回热式低温制冷机主要包括斯特林制冷机、脉管制冷机和GM制冷机三大类，斯特林制冷机是热力学效率最高的机械制冷机，且综合质量和体积较小，但由于存在活塞往复运动，存在间隙密封、振动及运动可靠性等缺陷，长寿命运行存在困难。脉管制冷机冷端减少了运动部件，利用气体工质在脉冲管内交变振荡制冷，避免了密封及振动问题，但是冷量较小、效率低，存在制冷机结构及冷板位置的限制。GM制冷机冷量较大，但是运动结构较多，结构复杂，且内部设有阀门，需要定期维护，整机重量较大使用环境受限。上述三种制冷机均采用往复式机械运动方案，能量密度较小，增大容量和制冷量的同时会造成设备体积、重量和振动的大幅增加，不利于有大冷量需求的应用场合。
间壁回热式低温制冷机主要包括基于焦汤节流制冷的林德-汉普森循环、基于膨胀机制冷的逆布雷顿循环和基于膨胀机焦汤节流复合制冷的克劳特或柯林斯循环。其中节流制冷不可逆损失较大，且制冷过程对气体工质的转化温度有严格要求，克劳特循环或柯林斯系统复杂多应用于大型低温系统中，而传统逆布雷顿循环因集成度不高在液氮、液氢、液氦温区的低温制冷机领域应用局限性较大。
发明内容
本发明提出的一种低温涡轮制冷机，利用气体工质的等压回热、等熵膨胀和等压吸热过程为低温用冷设备提供低温冷源。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种低温涡轮制冷机，包括膨胀涡轮、环形回冷换热器及冷端换热器，所述膨胀涡轮、环形回冷换热器及冷端换热器分别设置在真空杜瓦内部，真空杜瓦上设置真空抽气接头；
高压气常温进气管经真空杜瓦的外部依次与环形回冷换热器、高压低温连接管、蜗壳喷嘴、膨胀涡轮、冷端换热器、低压低温连接管依次密封连接，将制冷工质密封在内部形成闭式循环系统，与真空杜瓦内或外部环境间密封隔绝。
进一步的，膨胀涡轮、主轴和制动电机动子磁钢形成的转子由位于轴承室中的上轴承和下轴承之间支承。
进一步的，所述膨胀涡轮所处的冷端与轴承室内的轴承通过轴承室冷端隔热层进行隔热减少传导损失，轴承室冷端隔热层与主轴形成的拉别令密封环用于降低冷端向轴承室漏气造成的冷量损失。
进一步的，所述制动电机动子磁钢位于主轴的另一端，由轴承室底部的外壳屏蔽密封，将制动电机定子线圈与内部气体工质隔绝。
进一步的，制动电机动子磁钢与制动电机定子线圈共同布置于真空杜瓦外部，降低电机热端向冷端漏热，并通过轴承室底部与真空杜瓦之间的真空密封垫进行密封维持真空环境。
进一步的，高压常温进气管、低压常温排气管和真空杜瓦下壁面采用焊接的方式进行密封。
进一步的，所述冷端换热器采用平板冷头方式。
进一步的，制动电机动子磁钢与制动电机定子线圈采用屏蔽罩隔离，将线圈与制冷机内循环工质隔离，避免线圈表漆和胶放气挥发污染工质影响制冷性能。
进一步的，所述制冷工质为氮气、氖气或氦气。
进一步的，真空杜瓦顶部设置真空杜瓦封盖，真空杜瓦封盖通过杜瓦法兰和真空杜瓦密封连接。
由上述技术方案可知，本发明的低温涡轮制冷机具有以下有益效果：
针对现有低温制冷机技术存在的不足，本发明提出一种基于高速涡轮膨胀制冷的低温制冷机，利用氮气、氖气或氦气作为制冷工质，通过工质的压缩、回热、膨胀、吸热过程完成不同温区要求下的低温制冷过程，同时相比于斯特林、GM、脉管等往复式机械制冷机，高速涡轮制冷采用的高速旋转机械作为换能设备具备能量密度高、振动小的天然优势。
所述制冷机由膨胀涡轮、冷端蜗壳喷嘴、冷端换热器、回冷换热器、真空杜瓦、制动电机等组要部分组成，采用闭式循环进行制冷，由经过杜瓦外的压缩机等熵压缩的高压工质经冷却后降至室温(或采用等温压缩的方式，所述温度为制冷循环热端温度)，通过高压进气管进入回冷换热器中，与经过冷端换热器的回流低压低温工质进行充分换热后进入膨胀涡轮中膨胀降温，降温后的工质处于整个循环的最低温度点，随后进入冷端换热器中冷却热载荷后升温至循环制冷温度点，最后进入回冷换热器冷却来流工质后通过低压出气管道排出回到外部压缩机中，完成低温制冷过程。
综上所述，本发明低温涡轮制冷机采用被回冷冷却后的高压低温的气体工质在涡轮机械中进行等熵膨胀降温的方式完成低温制冷，不可逆损失小；采用精确平衡的高速轻质主轴支承机械运动部件，振动输出小；采用连续流动工质进行热量输运，无需阀门运动部件少可靠性高，具备远距离冷量传输的优势；采用超高速旋转机械作为动力输入和输出装置，具备能量密度大的特点，在较大冷量需求下具备单位质量制冷量高的优势，制冷原理简单易于实现，故本发明制冷机对比传统节流制冷、斯特林制冷、脉管制冷、GM制冷机分别具有不可逆损失小、振动输出小、制冷效率高布置灵活、干净轻巧免维护等优势。同时本发明制冷机冷端、热端通过软管连接布置分离的方式，将冷端封装与真空杜瓦内，可大幅降低低温冷损，制动电机制动的方式进一步减少了复杂的气体回路缩小了系统体积，线圈和磁钢的屏蔽隔离减少了工质污染提升了运行可靠性。从整体上看，本发明制冷机是一种高效、高可靠、长寿命、免维护、无振动、冷量大的低温制冷机形式，具备良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
结合图1所示，本发明环境试验设备用气浮涡轮制冷系统由高压常温进气管1，环形回冷换热器2，高压低温连接管3，蜗壳喷嘴4，膨胀涡轮5，冷端换热器6，真空杜瓦封盖7，低压低温连接管8，真空杜瓦9，轴承室冷端隔热层10，轴承室11，上轴承12，主轴13，下轴承14，轴承室热端隔热层15，低压常温排气管16，真空密封垫17，制动电机动子磁钢18，制动电机定子线圈19，真空抽气接头20组成。
制冷机采用低温真空隔热的方案，环形换热器2、膨胀涡轮5、轴承室11、冷端换热器6等主体均放置于结构形式可灵活改变的真空杜瓦9内部，在与真空抽气接头20相连的外部真空泵和制冷机工作时产生的低温共同作用下真空杜瓦9内部形成高真空环境，隔热冷端与外部环境的传导和对流冷损。膨胀涡轮5、主轴13和制动电机动子磁钢形成的转子由位于轴承室11中的上轴承12和下轴承14支承，膨胀涡轮5所处的冷端与轴承室11内的轴承通过轴承室冷端隔热层10进行隔热减少传导损失，轴承室冷端隔热层10与主轴13形成的拉别令密封环可降低冷端向轴承室漏气造成的冷量损失。制动电机动子磁钢18位于主轴的另一端，由轴承室11底部的外壳屏蔽密封，将制动电机定子线圈19与内部气体工质隔绝，制动电机动子磁钢18与定子线圈19共同布置于真空杜瓦9外部，降低电机热端向冷端漏热，并通过轴承室11底部与真空杜瓦9之间的真空密封垫17进行密封维持真空环境。高压常温进气管1、环形回冷换热器2、高压低温连接管3、蜗壳喷嘴、膨胀涡轮5、冷端换热器6、低压低温连接管8密封连接，将氮气、氖气或氦气等制冷工质密封在内部形成闭式循环系统，与真空杜瓦9内或外部环境间密封隔绝，高压常温进气管1、低压常温排气管16和真空杜瓦9下壁面可采用焊接的方式进行密封。
当制冷机需要进行低温制冷时，先通过真空抽气接头10对真空杜瓦9内抽空，在真空度达10-3Pa时启动制冷机，经杜瓦外部压缩机等熵压缩并将至室温后的高压工质(或在室温下进行等温压缩)由高压气常温进气管1进入位于杜瓦内的环形换热器2中，与冷端换热器6出口的低温乏气进行充分换热后形成高压低温工质经高压低温连接管3进入蜗壳喷嘴4中，在蜗壳喷嘴4内经膨胀加速后进入膨胀涡轮5中推动其高速旋转，进一步膨胀降温，同时主轴另一端的制动电机动子磁钢18在涡轮转子的带动下形成高速旋转的磁场，并在磁钢切割制动电机定子线圈19时中产生与转速相匹配的恒定感应电流，消耗膨胀涡轮输出的轴工维持转速恒定。经过膨胀涡轮5膨胀降温后的低压低温工质随后进入冷端换热器6中，吸收热载荷并维持特定的制冷度后经低压低温连接管8进入环形回冷换热器2中冷却来流工质，最后经低压常温排气管16排至杜瓦外的压缩机内部，完成制冷循环。
具体的说，本发明具备以下特点：
1)所述低温制冷机采用间壁换热回热结合高速涡轮等熵膨胀的方式制冷产生低温冷量，高压工质在回冷换热器中经过回流工质冷却至用冷温度后进入膨胀涡轮对外膨胀做工，进一步降低温度，为用冷端用冷提供换热温差。
2)所述低温制冷机冷端采用真空绝热的保温方案，膨胀机冷端和回冷换热器放置于真空杜瓦中，在制冷工作前对杜瓦内抽空形成高真空环境，隔绝冷端与外界环境的对流和传导热损。
3)所述低温制冷机的高温端压缩机置于杜瓦外，通过软管与杜瓦内的低温组件连接，布置方式灵活，同时可减少循环高温端向低温端漏热。
4)所述制冷机的回冷换热器采用环形结构方案，可将圆柱形涡轮主机包裹其内，可减少回冷换热器在真空杜瓦内的占用空间，降低整机的体积重量。
5)所述低温制冷机冷端换热器采用平板冷头方式，易于和用冷设备耦合，可兼容市面上大部分采用斯特林制冷机、脉管制冷机、GM制冷机作为冷源的用冷设备。
6)所述低温制冷机，膨胀涡轮采用电机制动的方式维持转子转速，转子输出的轴工通过制动电机发电热耗的方式或电控回收的方式消耗，相比较风机制动结构紧凑简单，无须配置复杂的制动风机气路。
7)所述低温制冷机制动电机定子线圈与磁钢采用屏蔽罩隔离，可将线圈与制冷机内循环工质隔离，避免线圈表漆和胶在长期使用过程中放气挥发污染工质影响制冷性能，提升可靠性。
8)所述低温制冷机制动电机位于杜瓦外，与杜瓦内真空环境通过密封垫圈隔绝，便于向外界环境散热，降低杜瓦内冷端冷损。
9)所述低温制冷机采用隔热材料和转轴形成的拉别令密封方式减少冷端向轴承室漏热，结构简单。
10)所述低温制冷机杜瓦盖和对应的杜瓦法兰可根据用冷设备需求更换形式。
11)、所述低温涡轮制冷机，涡轮转子可采用各型气浮轴承(静压、动压、刚性表面、柔性表面等)、油轴承或滚动轴承支承。
综上所述，本发明的一种低温涡轮制冷机利用气体工质的等压回热、等熵膨胀和等压吸热过程为低温用冷设备提供低温冷源。制冷机采用高速涡轮作为动力输出装置产生低温冷量，采用环形回冷换热器环绕涡轮主机提升制冷机内部空间利用率，通过真空杜瓦将涡轮与换热器密封进行低温漏热防护，利用置于杜瓦外的制动电机消耗轴工平衡涡轮转速，冷端换热器与用冷设备耦合方式灵活，具备制冷温区宽、无振动、单位质量制冷量大、免维护、高可靠、长寿命等优势。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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