自由调节输入功和制冷量的单压缩机三冷头脉冲管制冷机

技术领域

本发明涉及制冷与低温工程领域，涉及脉冲管制冷机，特别涉及一种自由调节输入功和制冷量的单压缩机三冷头脉冲管制冷机。

背景技术

近年来，工作在77K的高温超导技术在智能电网、先进电力、轨道交通、高效储能、高端通讯等民生领域发挥着越来越重要的作用，因而，对相关配套应用的超大制冷量低温制冷系统也提出了迫切的需求，脉冲管制冷机由于冷端无运动部件、低振动、低磨损、低电磁干扰、结构简单且工作寿命长，成为了该领域中较为理想的选择。

高温超导电力领域的应用需要长时间持续提供数百瓦、数千瓦乃至数万瓦的超大制冷量，超大制冷量脉冲管制冷机的研究和应用也正在蓬勃发展。但是，现阶段国内外的常规制冷技术一般仅能提供具有固定制冷量的制冷机，而在实际应用中，常常需要一套可以适用于多种场合的高效大制冷量低温系统，这便对可自由调节输入功和制冷量的超大制冷量脉冲管制冷机的研究和应用提出了迫切的需求，但相关技术在国内外才刚刚起步。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提出一种自由调节输入功和制冷量的单压缩机三冷头脉冲管制冷机。

本发明的目的在于，提供了一种利用单台线性压缩机驱动三台脉冲管冷头的大制冷量低温系统以实现变功耗运行与制冷量可调节的设计应用方案，说明了压缩机到冷头部分带有电控阀门管路的能流分配和相关参数间的关系，力图解决现阶段低温系统同温度条件下制冷量难以跟随用户端设备需求进行相应调整的问题，同一套系统可以满足不同用户端设备的制冷量需求，使得大制冷量的低温系统具有更便捷的操控、更强的应用场景适应性和更高的能效比。

所发明的自由调节输入功和制冷量的单压缩机三冷头脉冲管制冷机，包括数控交流电源1、线性压缩机2、压力波传输管路组3、电控阀门组4、脉冲管制冷机冷头组5、冷却水系统6、用户端低温循环系统7和数据采集与控制系统8，其特征如下：

所述的数控交流电源1用于为线性压缩机2提供电力，可以根据具体应用需求，输出不同电压与电流；所述的线性压缩机2用于为后端脉冲管制冷机冷头组5提供交变正弦压力波，并且可以通过数控交流电源1的参数调整改变压缩机的输出PV功与压力波形；所述带有电控阀门组4的压力波传输管路组3从压缩机出口处引出总传输管路3-0，并分成设有电控阀门一4-1的分管路一3-1、设有电控阀门二4-2的分管路二3-2和设有电控阀门三4-3的分管分管路三3-3，用于将线性压缩机2的压力波传输到脉冲管制冷机冷头部件中，电控阀门组4可以配合线性压缩机2的功率变化进行阀门开度或开闭状态的调整；所述脉冲管制冷机冷头组5由三组直线型冷头一5-1、冷头二5-2和冷头三5-3组成，冷头一5-1由后冷器一9-1、蓄冷器一10-1、冷端换热器一11-1、脉冲管一12-1、热端换热器一13-1、惯性管一14-1、气库一15-1组成，冷头二5-2由后冷器二9-2、蓄冷器二10-2、冷端换热器二11-2、脉冲管二12-2、热端换热器二13-2、惯性管二14-2、气库二15-2组成，冷头三5-3由后冷器三9-3、蓄冷器三10-3、冷端换热器三11-3、脉冲管三12-3、热端换热器三13-3、惯性管三14-3、气库三15-3组成；所述脉冲管制冷机冷头组5中三组部件均可以独立工作、任意搭配工作或同时工作，在液氮至液化天然气温区内可提供千瓦级制冷量；所述冷却水系统6为后冷器一9-1、后冷器二9-2、后冷器三9-3、热端换热器一13-1、热端换热器二13-2、热端换热器三13-3提供恒定温度的水循环以进行换热，并根据需求预留备用的冷却水管路6-0接口；所述用户端低温循环系统7利用低温循环管路7-0，以低温液体为媒介，间接的实现用户端设备与制冷机冷端换热器一11-1、冷端换热器二11-2、冷端换热器三11-3之间的换热，为设备提供低温环境；所述数据采集与控制系统8具有采集冷端换热器一11-1、冷端换热器二11-2、冷端换热器三11-3的温度及制冷量等参数和控制电控阀门一4-1、电控阀门二4-2和电控阀门三4-3开度的功能，用于在变功率运行过程中实施监控、调整交流电源输出电参数与制冷机的冷头温度及输出冷量，从而共同形成一种自由调节输入功和制冷量的单压缩机三冷头脉冲管制冷机。

本发明中的单压缩机三冷头脉冲管制冷机调节冷头的输入功和制冷量包括以下几种具体实现方式：

1)保持电控阀门组4开度不变，调整数控交流电源1的电压与电流，从而改变线性压缩机2的输出PV功，即三个冷头管路中的质量流的大小和压力波的振幅及频率发生变化，实现脉冲管制冷机冷头组5的冷量调节；所述方式既改变压缩机功率，也改变制冷机的制冷量；

2)保持数控交流电源1的电压与电流不变，调整电控阀门组(4)的开度，即改变了分管路一3-1、分管路二3-2、分管路三3-3的流动阻力，从而实现各冷头的冷量分配；所述方式在线性压缩机2的电功率不变的情况下，改变了冷头一5-1、冷头二5-2和冷头三5-3的制冷量大小与分布；

3)在线性压缩机2的额定工作参数范围内，调节数控交流电源1的电压及电流，并相应的改变电控阀门组4的开度，这样可以根据用户设备的需求选择冷头工作的数量或者调整冷头一5-1、冷头二5-2和冷头三5-3的制冷量，实现线性压缩机2与脉冲管制冷机冷头组5在实际应用中的最佳耦合特性；所述方式可以同时改变输入功率和制冷机制冷量，并实现较好的耦合匹配特性。

带有电控阀门的压力波传输管路组中的能流分配和相关参数的确定方法如下：所述带有电控阀门组4的压力波传输管路组3中，总传输管路3-0的参数有动压力P

圆形传输管中压降可以表示为：

表达式(1)中f为摩擦因数，L为所测压降管路的轴向长度，d

圆形管道中的质量流量可以表示为：

表达式(2)中

在电控阀门组4处，压降和质量流量都会随着阀门的开度的大小而发生改变，分别可以表示为：

表达式(3，4)中，C

压力波传输管路组3中总传输管路3-0与分管路一3-1、分管路二3-2、分管路三3-3中质量流和推动功的关系，可以表示为：

[PV]

自由调节输入功和制冷量的单压缩机三冷头脉冲管制冷机低温系统的具体工作过程如下：

数控交流电源1为线性压缩机2提供可变的电压及电流，线性压缩机2中活塞往复运动产生正弦式压力波；活塞正向运动，正压力波依次通过总传输管路3-0、分管路一3-1、分管路二3-2及分管路三3-3，分管路一3-1、分管路二3-2和分管路三3-3上分别设置有电控阀门一4-1、电控阀门二4-2和电控阀门三4-3，通过调节各阀门开闭，控制分管路一3-1、分管路二3-2和分管路三3-3通往相应脉冲管制冷机冷头一5-1、冷头二5-2和冷头三5-3中的质量流量和PV功的大小；脉冲管制冷机冷头组5中的后冷器一9-1、后冷器二9-2、后冷器三9-3将分管路一3-1、分管路二3-2和分管路三3-3中输入的高压高温气体与冷却水系统6充分换热后，变为高压低温气体进入蓄冷器中进行换热进一步冷却至接近冷端换热器温度，气体在冷端换热器一11-1、冷端换热器二11-2、冷端换热器三11-3中以层流形式进入脉冲管一12-1、脉冲管二12-2、脉冲管三12-3中，实现绝热压缩并将热量随着压力波传输方向传至脉冲管热端换热器一13-1、热端换热器二13-2、热端换热器三13-3与冷却水系统6进行热交换；线性压缩机2内活塞反向运动时，压缩机腔体内工作气体膨胀，压力变小，脉冲管一12-1、脉冲管二12-2、脉冲管三12-3中实现气体膨胀与振荡制冷，低温气体经过冷端换热器一11-1、冷端换热器二11-2、冷端换热器三11-3为用户端系统提供所需制冷量，随后低温气体会进入蓄冷器一10-1、蓄冷器二10-2、蓄冷器三10-3中实现蓄冷过程，变为高温低压的低温气体经过后冷器一9-1、后冷器二9-2、后冷器三9-3再次冷却后进入线性压缩机2压缩腔体，系统又进入下一个循环。

本发明的优点在于：

1)本发明为单台压缩机驱动三台冷头的大制冷量低温系统提供了变功率运行与实现制冷量可调节应用的设计方案，说明了压缩机到冷头部分带有电控阀门管路的能流分配和相关参数间的关系；

2)本发明通过交流电源提供可调节的电压与电流来实现线性压缩机的变功率运行，并通过电控阀门的开闭或者开度大小状态的改变实现各冷头的制冷量大小的的调节，为三个冷端换热器上的冷量分配提供了新途径，在系统设计与实际运用的过程中意义重大；

3)本发明解决了现阶段低温系统同温度条件下制冷量难以跟随用户端设备需求进行相应调整的问题，同一套系统可以满足用户端设备不同的制冷量需求，使得大制冷量的低温系统具有更便捷的操控、更强的应用场景适应性和更高的能效比。

本发明的实现为单台压缩机驱动三台脉冲管冷头的大制冷量低温系统提供了变功率运行与可调节制冷量的设计应用方案，可有效解决常规低温系统制冷量难以跟随用户端设备需求进行相应调整的难题，使得同一系统可以满足用户不同制冷量的需求，使得大制冷量低温系统具有更便捷的操控、更强的应用场景适应性和更高的能效比，对于低温制冷机在智能电网、先进电力、轨道交通、高效储能、高端通讯等超导领域的应用具有非常积极的意义。

附图说明

图1为自由调节输入功和制冷量的单压缩机三冷头脉冲管制冷机示意图；

图2为压缩机与脉冲管制冷机之间的压力波传输管路示意图；

图3为脉冲管制冷机冷头、冷却水系统与用户设备系统结构的示意图；

图4为数据采集与控制系统示意图。

其中：1为数控交流电源，2为线性压缩机，3压力波传输管路组，3-0为总传输管路，3-1为分管路一，3-2为分管路二，3-3为分管路三，4为电控阀门组，4-1为电控阀门一，4-2为电控阀门二，4-3为电控阀门三，5为脉冲管制冷机冷头组，5-0为制冷机冷头真空杜瓦，5-1为冷头一，5-2为冷头二，5-3为冷头二，6为冷却水系统，6-0为冷却水管路，7为用户端低温循环系统，7-0为用户端低温循环管路，8为数据采集与控制系统，9-1为后冷器一，9-2为后冷器二，9-3为后冷器三，10-1为蓄冷器一，10-2为蓄冷器二，10-3为蓄冷器三，11-1为冷端换热器一，11-2为冷端换热器二，11-3为冷端换热器三，12-1为脉冲管一，12-2为脉冲管二，12-3为脉冲管三，13-1为热端换热器一，13-2为热端换热器二，13-3为热端换热器三，14-1为惯性管一，14-2为惯性管二，14-3为惯性管三，15-1为气库一，15-2为气库二，15-3为气库三。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图1所示为自由调节输入功和制冷量的单压缩机三冷头脉冲管制冷机。本发明中的自由调节输入功和制冷量的单压缩机三冷头脉冲管制冷机，包括数控交流电源1、线性压缩机2、压力波传输管路组3、电控阀门组4、脉冲管制冷机冷头组5、冷却水系统6、用户端低温循环系统7和数据采集与控制系统8，其特征在于如下：

所述的数控交流电源1用于为线性压缩机2提供电力，可以根据具体应用需求，输出不同电压与电流；所述的线性压缩机2用于为后端脉冲管制冷机冷头组5提供交变正弦压力波，并且可以通过数控交流电源1的参数调整改变压缩机的输出PV功与压力波形；所述带有电控阀门组4的压力波传输管路组3从压缩机出口处引出总传输管路3-0，并分成设有电控阀门一4-1的分管路一3-1、设有电控阀门二4-2的分管路二3-2和设有电控阀门三4-3的分管分管路三3-3，用于将线性压缩机2的压力波传输到脉冲管制冷机冷头部件中，电控阀门组4可以配合线性压缩机2的功率变化进行阀门开度或开闭状态的调整；所述脉冲管制冷机冷头组5由三组直线型冷头一5-1、冷头二5-2和冷头三5-3组成，冷头一5-1由后冷器一9-1、蓄冷器一10-1、冷端换热器一11-1、脉冲管一12-1、热端换热器一13-1、惯性管一14-1、气库一15-1组成，冷头二5-2由后冷器二9-2、蓄冷器二10-2、冷端换热器二11-2、脉冲管二12-2、热端换热器二13-2、惯性管二14-2、气库二15-2组成，冷头三5-3由后冷器三9-3、蓄冷器三10-3、冷端换热器三11-3、脉冲管三12-3、热端换热器三13-3、惯性管三14-3、气库三15-3组成；所述脉冲管制冷机冷头组5中三组部件均可以独立工作、任意搭配工作或同时工作，在液氮至液化天然气温区内可提供千瓦级制冷量；所述冷却水系统6为后冷器一9-1、后冷器二9-2、后冷器三9-3、热端换热器一13-1、热端换热器二13-2、热端换热器三13-3提供恒定温度的水循环以进行换热，并根据需求预留备用的冷却水管路6-0接口；所述用户端低温循环系统7利用低温循环管路7-0，以低温液体为媒介，间接的实现用户端设备与制冷机冷端换热器一11-1、冷端换热器二11-2、冷端换热器三11-3之间的换热，为设备提供低温环境；所述数据采集与控制系统8具有采集冷端换热器一11-1、冷端换热器二11-2、冷端换热器三11-3的温度及制冷量等参数和控制电控阀门一4-1、电控阀门二4-2和电控阀门三4-3开度的功能，用于在变功率运行过程中实施监控、调整交流电源输出电参数与制冷机的冷头温度及输出冷量，从而共同形成一种自由调节输入功和制冷量的单压缩机三冷头脉冲管制冷机。

本发明中的单压缩机三冷头脉冲管制冷机调节冷头的输入功和制冷量包括以下几种具体实现方式：

1)保持电控阀门组4开度不变，调整数控交流电源1的电压与电流，从而改变线性压缩机2的输出PV功，即三个冷头管路中的质量流的大小和压力波的振幅及频率发生变化，实现脉冲管制冷机冷头组5的冷量调节；所述方式既改变压缩机功率，也改变制冷机的制冷量；

2)保持数控交流电源1的电压与电流不变，调整电控阀门组(4)的开度，即改变了分管路一3-1、分管路二3-2、分管路三3-3的流动阻力，从而实现各冷头的冷量分配；所述方式在线性压缩机2的电功率不变的情况下，改变了冷头一5-1、冷头二5-2和冷头三5-3的制冷量大小与分布；

3)在线性压缩机2的额定工作参数范围内，调节数控交流电源1的电压及电流，并相应的改变电控阀门组4的开度，这样可以根据用户设备的需求选择冷头工作的数量或者调整冷头一5-1、冷头二5-2和冷头三5-3的制冷量，实现线性压缩机2与脉冲管制冷机冷头组5在实际应用中的最佳耦合特性；所述方式可以同时改变输入功率和制冷机制冷量，并实现较好的耦合匹配特性。

如图2所示为压缩机与脉冲管制冷机之间的压力波传输管路。图中带有电控阀门的压力波传输管路组中的能流分配和相关参数的确定方法如下：

所述带有电控阀门组4的压力波传输管路组3中，总传输管路3-0的参数有动压力P

圆形传输管中压降可以表示为：

表达式(1)中f为摩擦因数，L为所测压降管路的轴向长度，d

圆形管道中的质量流量可以表示为：

表达式(2)中

在电控阀门组4处，压降和质量流量都会随着阀门的开度的大小而发生改变，分别可以表示为：

表达式(3，4)中，C

压力波传输管路组3中总传输管路3-0与分管路一3-1、分管路二3-2、分管路三3-3中质量流和推动功的关系，可以表示为：

[PV]

图3为脉冲管型制冷机冷头、冷却水系统与用户设备系统结构的示意图，图4为数据采集与控制系统示意图。自由调节输入功和制冷量的单压缩机三冷头脉冲管制冷机低温系统的具体工作过程如下：

数控交流电源1为线性压缩机2提供可变的电压及电流，线性压缩机2中活塞往复运动产生正弦式压力波；活塞正向运动，正压力波依次通过总传输管路3-0、分管路一3-1、分管路二3-2及分管路三3-3，分管路一3-1、分管路二3-2和分管路三3-3上分别设置有电控阀门一4-1、电控阀门二4-2和电控阀门三4-3，通过调节各阀门开度，控制分管路一3-1、分管路二3-2和分管路三3-3通往相应脉冲管制冷机冷头一5-1、冷头二5-2和冷头三5-3中的质量流量和PV功的大小；脉冲管制冷机冷头组5中的后冷器一9-1、后冷器二9-2、后冷器三9-3将分管路一3-1、分管路二3-2和分管路三3-3中输入的高压高温气体与冷却水系统6充分换热后，变为高压低温气体进入蓄冷器中进行换热进一步冷却至接近冷端换热器温度，气体在冷端换热器一11-1、冷端换热器二11-2、冷端换热器三11-3中以层流形式进入脉冲管一12-1、脉冲管二12-2、脉冲管三12-3中，实现绝热压缩并将热量随着压力波传输方向传至脉冲管热端换热器一13-1、热端换热器二13-2、热端换热器三13-3与冷却水系统6进行热交换；线性压缩机2内活塞反向运动时，压缩机腔体内工作气体膨胀，压力变小，脉冲管一12-1、脉冲管二12-2、脉冲管三12-3中实现气体膨胀与振荡制冷，低温气体经过冷端换热器一11-1、冷端换热器二11-2、冷端换热器三11-3为用户端系统提供所需制冷量，随后低温气体会进入蓄冷器一10-1、蓄冷器二10-2、蓄冷器三10-3中实现蓄冷过程，变为高温低压的低温气体经过后冷器一9-1、后冷器二9-2、后冷器三9-3再次冷却后进入线性压缩机2压缩腔体，系统又进入下一个循环。

最后应说明的是：本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。