一种低温制冷机用压缩机的主动式配气系统及其方法 【技术领域】
本发明涉及低温制冷机， 尤其涉及一种低温制冷机用压缩机的主动式配气系统及其方法。 背景技术 低温制冷机的传统配气方法是通过压缩机及进排气控制阀门实现的。 一次循环包 括压缩机进气过程和压缩机排气过程。
压缩机主要作用是为制冷机提供高压气体， 并回收制冷机排出的低压气体。其工 作原理是 ： 低压氦气在压缩机泵组件中被压缩、 进行初步油气分离后， 变成含油的高压氦 气， 经由换热器、 油气分离器和吸附器， 最后得到高纯高压的氦气。对于目前低温制冷机中 所采用的配气系统， 在每一次循环过程中压缩机将所有从制冷机中排出的低压气体压缩至 高压气体， 压缩该部分配气量耗功较大。
目前采用的配气装置主要有旋转阀和电磁阀两种。以旋转阀为例， 其原理是通过 阀芯旋转进行高压进气和低压排气。 工作时其阀芯存在较大压差， 造成较大的节流损失。 同 时， 阀芯旋转需要克服较大的摩擦阻力， 产生噪声并造成严重的机械磨损。 磨损产生的粉末 状碎屑会造成阀门堵塞或者污染回热器填料。最终导致制冷机性能的恶化。同时为克服旋 转阀切换时的摩擦力， 要求电机提供较大的扭矩， 造成电机负荷过大。对于电磁阀， 其原理 是由高低电压控制阀门的开关， 从而对进排气过程进行调节。阀门前后承受的压差亦导致 较大的节流损失。同时， 较高压差使得电磁阀运行工况恶化， 降低了电磁阀寿命。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足， 提供一种低温制冷机用压缩机的主动式配 气系统及其方法。
低温制冷机用压缩机的主动式配气系统包括压缩机、 压缩机排气阀门、 压缩机进 气阀门、 制冷机部件回热器和制冷机部件脉管， 压缩机出口与压缩机进气阀门、 制冷机部件 回热器和制冷机部件脉管依次相连接， 压缩机进口与压缩机排气阀门和制冷机部件回热器 依次相连接， 所述的制冷机部件回热器入口处并联设有 1 个以上的主动式配气装置， 主动 式配气装置包括相连接的中间气库阀门和中间气库。
所述的压缩机排气阀门、 压缩机进气阀门和中间气库阀门为电磁阀或包含高压通 道、 中间压力通道和低压通道的旋转阀。
低温制冷机用压缩机的主动式配气方法是 ：
在制冷机部件回热器入口处设有 1 个主动式配气装置时， 制冷循环包括中间气库 进气过程、 压缩机进气过程、 中间气库排气过程和压缩机排气过程。在中间气库进气过程 中， 中间气库阀门打开， 中间气库向制冷机提供中间压力气体， 在压缩机进气过程中， 压缩 机进气阀门打开， 压缩机向制冷机提供高压气体， 在中间气库排气过程中， 中间气库阀门打 开， 中间气库回收制冷机排出的中间压力气体， 在压缩机排气过程中， 压缩机排气阀门打开， 压缩机回收制冷机排出的低压气体。
在制冷机部件回热器入口处设有 N 个主动式配气装置时， N ＞ 1， 制冷循环包括一 级中间气库进气过程、 二级中间气库进气过程至 N-1 级中间气库进气过程、 N 级中间气库进 气过程、 压缩机进气过程、 N 级中间气库排气过程， N-1 级中间气库排气过程至二级中间气 库排气过程、 一级中间气库排气过程和压缩机排气过程。 在一级中间气库进气过程中， 一级 中间气库阀门打开， 一级中间气库向制冷机提供中间压力气体， 一级中间气库进气过程结 束后， 依次进行二级中间气库进气过程至 N 级中间气库排气过程， 在 N 级中间气库进气过程 中， N 级中间气库阀门打开， N 级中间气库向制冷机提供中间压力气体， 在压缩机进气过程 中， 压缩机进气阀门打开， 压缩机向制冷机提供高压气体， 在 N 级中间气库排气过程中， N级 中间气库阀门打开， N 级中间气库回收制冷机排出的中间压力气体， N 级中间气库排气过程 结束后， 依次进行 N-1 级中间气库排气过程至一级中间气库排气过程， 在一级中间气库排 气过程中， 一级中间气库阀门打开， 一级中间气库回收制冷机排出的中间压力气体， 在压缩 机排气过程中， 压缩机排气阀门打开， 压缩机回收制冷机排出的低压气体。
本发明与现有技术相比具有的有益效果 ：
1) 采用低温制冷机用压缩机的主动式配气方法， 在进气过程中中间气库可以为制 冷机提供定压气体， 在排气过程中回收制冷机排出的部分气体。和传统压缩机配气方式相 比， 可以降低压缩机配气量， 从而达到降低压缩该部分配气量耗功的效果 ； 2) 采用低温制冷机用压缩机的主动式配气系统， 在进、 放气过程中压缩机进气阀 门、 压缩机排气阀门和中间气库阀门工作压差较小， 可以有效降低阀门机械磨损和节流产 生的不可逆损失， 并且可降低工作噪声 ；
3) 本发明可以使得配气系统的工况得到改善， 使得包括压缩机和配气阀门在内的 整体配气系统的使用寿命延长， 为制冷机的商业化和实用化提供了技术支持。
附图说明
图 1 为含 1 个主动式配气装置的低温制冷机用压缩机的主动式配气系统结构示意图； 图 2 为含 2 个以上主动式配气装置的低温制冷机用压缩机的主动式配气系统结构 示意图 ；
图 3 为含 1 个主动式配气装置的低温制冷机用压缩机的主动式配气系统控制时序 图；
图 4 为含 2 个以上主动式配气装置的低温制冷机用压缩机的主动式配气系统的控 制时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明 ：
如图 1、 2 所示， 低温制冷机用压缩机的主动式配气系统包括压缩机 1、 压缩机排气 阀门 2、 压缩机进气阀门 3、 制冷机部件回热器 4 和制冷机部件脉管 5， 压缩机 1 出口与压缩 机进气阀门 3、 制冷机部件回热器 4 和制冷机部件脉管 5 依次相连接， 压缩机 1 进口与压缩 机排气阀门 2 和制冷机部件回热器 4 依次相连接， 所述的制冷机部件回热器 4 入口处并联设有 1 个以上的主动式配气装置， 主动式配气装置包括相连接的中间气库阀门 6 和中间气 库 7。
所述的压缩机排气阀门 2、 压缩机进气阀门 3 和中间气库阀门 6 为电磁阀或包含高 压通道、 中间压力通道和低压通道的旋转阀。
低温制冷机用压缩机的主动式配气方法是 ：
如图 1、 3 所示， 在制冷机部件回热器 4 入口处设有 1 个主动式配气装置时， 制冷循 环包括中间气库进气过程、 压缩机进气过程、 中间气库排气过程和压缩机排气过程。 在中间 进气过程中， 中间气库阀门 6 打开， 中间气库 7 对制冷机进行进气。制冷机内部压力到达设 定值后， 中间气库阀门 6 关闭， 中间气库进气过程结束。在压缩机进气过程中， 压缩机进气 阀门 2 打开， 压缩机 1 对制冷机进行高压进气。制冷机内部压力达到高压后， 压缩机进气阀 门 3 关闭， 压缩机进气过程结束。高压气体在制冷机做功过程结束后， 开始中间气库排气过 程。中间气库阀门 6 打开， 中间气库 7 回收制冷机排出气体。制冷机内部压力降低到某一 设定值后， 中间气库阀门 6 关闭， 中间气库排气过程结束， 压缩机排气过程开始。在压缩机 排气过程中， 压缩机排气阀门 3 打开， 压缩机 1 回收制冷机排出气体， 以便减小压缩机配气 量和压缩配气量耗功， 降低配气系统的不可逆损失， 提高制冷机性能， 改善配气系统运行工 况以及延长配气系统寿命。
如图 2， 4 所示， 当制冷机部件回热器 4 入口处设有 N 个主动式配气装置时， N＞ 1， 制冷循环包括一级中间气库进气过程、 二级中间气库进气过程至 N-1 级中间气库进气过 程、 N 级中间气库进气过程、 压缩机进气过程、 N 级中间气库排气过程， N-1 级中间气库排气 过程至二级中间气库排气过程、 一级中间气库排气过程和压缩机排气过程。在一级中间气 库进气过程中， 一级中间气库阀门 8 打开， 一级中间气库 9 对制冷机进行进气。制冷机内部 压力到达设定值后， 一级中间气库进气过程结束， 依次进行二级中间气库进气过程至 N 级 中间气库进气过程。在 N 级中间气库进气过程中， N 级中间气库阀门 10 打开， N 级中间气库 11 对制冷机进行进气。 制冷机内部压力到达设定值后， 中间气库进气过程结束， 压缩机进气 过程开始。在压缩机进气过程中， 压缩机进气阀门 2 打开， 压缩机 1 对制冷机进行进气。制 冷机内部压力到达高压后， 压缩机进气阀门 2 关闭， 压缩机进气过程结束。高压气体在制冷 机做功过程结束后， N 级中间气库排气过程开始。在 N 级中间气库排气过程中， N 级中间气 库阀门 10 打开， N 级中间气库 11 回收制冷机排出气体。制冷机内部压力降低到某一设定 值后， N 级中间气库阀门 10 关闭， N 级中间气库排气过程结束， 依次进行 N-1 级中间气库排 气过程至一级中间气库排气过程。在一级中间气库排气过程中， 一级中间气库阀门 8 打开， 一级中间气库 9 回收制冷机排出的中间压力气体。制冷机内部压力降低到设定值后， 一级 中间气库阀门 8 关闭， 一级中间气库 9 排气过程结束， 压缩机排气过程开始。在压缩机排气 过程中， 压缩机排气阀门 2 打开， 压缩机 1 回收制冷机排出的低压气体。
对传统配气系统和主动式配气系统进行理论计算， 给定参数 ：
制冷机进气高压 ( 压缩机高压 )pH， 制冷机排气低压 ( 制冷机低压 )pL， 中间气库压 力为 pM， 脉管体积 VP， 回热器空体积为 VR， 脉管和回热器热端温度 TH， 冷端温度 TL， 室温 T0， 压 缩机入口温度 T1， 压缩机绝热效率为 η， 绝热指数 γ， 比定压热容 Cp， 常量 Rg。
在传统配气方式下， 压缩机配气量为 ：假定压缩机为不可逆绝热压缩， 配气量对应耗功为 ：配气系统的熵产包括压缩机不可逆压缩熵产， 压缩机进气过程的阀门熵产和压缩 机排气过程的阀门熵产。 其中， 进气过程可以看作是节流前压力恒定 ( 为压缩机高压 pH) 而 节流后压力逐渐增大 ( 从低压 pL 到高压 pH) 的过程。进气过程看作是节流前压力逐渐降低 ( 从高压 pH 到低压 pL) 而节流后压力恒定 ( 为压缩机低压 pH) 的过程。
则配气系统熵产为 ：
上述结果表明若能在不影响制冷机总体制冷性能的前提下 ( 即保证制冷机内部 压比不降低 )， 降低压缩机配气过程中的压力差， 则可以达到降低压缩配气量耗及其所需耗 功的效果， 同时可以显著降低阀门不可逆损失。
以含 1 个主动式配气装置为例， 则：
主动式配气系统中压缩机配气量为 ：
主动式配气系统中配气量耗功为 ：
主动式配气系统熵产为 ：
和传统配气系统相比， 压缩机配气量减少 ：压缩机配气量耗功减少 ：
配气系统熵产减少 ：
计算结果表明， 主动式配气系统可减小压缩机配气量和压缩配气量耗功， 降低配 气系统的不可逆损失。
至此， 描述了本发明的优选实施例。然而， 本发明不限于上述的优选实施例， 本技 术领域的技术人员在不偏离本发明的权利要求所述的情况下可以对本发明做出修改。