耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统

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1.本实用新型涉及制冷技术领域，尤其是涉及一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统。

背景技术：

2.回热式制冷机是一种交变流动形式的制冷技术，利用回热器实现气体工质与回热填料之间的周期性的热量存储与释放，利用气体的膨胀产生制冷效应。回热器一般具有大的单位体积比表面积，结构形式包括丝网、丸状填料、间隙式等等。
3.直流是在一个周期内某截面正向流动与反向流动的气流质量不相等，出现沿一个方向流动的净质量流量，直流又称直流循环质量流。回热式低温制冷机具有可靠性高、结构简单、效率高等优点，在气体液化、超导冷却等低温技术中得到广泛应用。
4.膨胀机构包括节流膨胀和对外做功膨胀两种功能，均实现气体的降压；理想的回热式低温制冷机在运行中并不存在直流。随着双向进气结构在脉管制冷机的引入形成了一个由双向进气阀，回热器和脉管构成的闭合回路，这种回路引发了直流流动。一系列的理论和实验表明，一定流量的直流都具有提高脉管制冷机制冷性能的潜力。
5.焦耳-汤姆逊（joule-tomson，简称jt或j-t）节流制冷机是气体在等焓降压的过程产生制冷效应的，结构简单，且可带液运行，故而在林德-汉普森循环、克劳特循环中得到广泛应用，对于最低温区的制冷有显著效应。对于小型的低温制冷系统，采用回热式制冷机预冷的节流制冷机可在深低温获得较好的性能。回热式制冷机包括gm制冷机、脉管制冷机、斯特林制冷机或是两者结构形式的复合。节流制冷机由压缩机、高压管路与低压管路形成的逆流式换热器、节流元件、冷端换热器组成。逆流式换热器在一些温度点被回热式制冷机预冷。
6.膨胀制冷机是利用压缩气体膨胀降压时向外做功而使气体温度降低，从而获得制冷效应的。膨胀制冷机由压缩机、高压管路与低压管路形成的逆流式换热器、膨胀机构、冷端换热器组成。通过回热式制冷机预冷逆流式换热器的一些温度点，则可提高换热效率，使得膨胀制冷效率提高。
7.然而，常规的回热式制冷机预冷的节流制冷机、回热式制冷机预冷的膨胀制冷机虽然都可通过膨胀降压产生制冷效应，但都只能在冷端提供制冷量，而不能在冷端至热端的中间温度提供分布式制冷量。
8.低温气体液化是低温工程一项重要工业应用，工业上对于空气、天然气、氢气、氦气等工质存在大量的需求。液化效率的提升将显著地降低设备成本，降低能耗。低温气态储存在产业中也是一项重要应用，尤其对于液化温度很低的氢气而言。目前在氢能汽车中已有加注压力达到30 mpa，运行温度范围达到33 k至室温的方案。相应气态的预冷也存在大量的冷量需求。低温液体的预冷包括获得低温的乙醇等低温液体，实现恒温器或冷却功能。低温固体的预冷包括用于储冷的蓄冷器等。
9.公开号cn202010864762.1的专利公开了“一种采用直流的回热式制冷机高效液化
系统”，其虽然具有回热式制冷机引出直流用于预冷及液化的优点，制冷机引出的直流的压力一般远高于待预冷气体的压力。由于气体工质的比热容随压力而变化，两股流体的比热容不相匹配，导致需要更多的直流才能冷却待预冷气体，降低了预冷效率。

技术实现要素：

10.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，采用直流流经回热器，引出后通过一系列管路以及间壁式换热器回到回热器热端，形成稳定的直流循环，使得直流循环在回热器内部吸收冷量，通过间壁式换热器与预冷及液化模块换热，预冷待预冷物料。直流经膨胀机构降压后一方面使得直流中气体的比热容与被预冷物料的比热容相近，另一方面产生膨胀制冷效应，提高冷端制冷量。
11.申请人认为，上述方面均可使得一定量的直流相比无膨胀情况下实现预冷待预冷物料量更多，从而提高预冷效率。
12.降压后直流中的气体再经压缩机构压缩后提高压力。既可提高到不低于低压组件的压力，通过低压腔回到压缩机，也可提高到不低于高压组件的压力，通过高压腔回到压缩机。当然，也可以是不低于低压至高压之间的某个压力，可回到压缩机或回热器热端。
13.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
14.本技术方案的目的是保护一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，包括回热式制冷模块、膨胀及压缩模块和预冷及液化模块；
15.所述回热式制冷模块包括回热式制冷机单元和直流外部循环单元；
16.所述回热式制冷机单元包括依次连接的压缩机装置、回热器、冷端换热器；
17.所述直流外部循环单元中，直流自任意位置引出制冷机单元，经过多个通道（包括膨胀机构、间壁式换热器、压缩机构、阀门等），之后再回到回热器，完成直流循环；
18.所述直流外部循环单元中设有直流控制阀，以此控制直流流量大小；
19.所述膨胀及压缩模块包括设于直流外部循环单元上第一温度区域的膨胀机构、设于直流外部循环单元上第二温度区域上的压缩机构、缓冲气库、压缩机构冷却器和过滤装置，所述第二温度区域的温度高于第一温度区域，其中直流经过膨胀机构降至预设的低压值，经过压缩机构压缩至回热式制冷机压力，从而在膨胀机构与压缩机构之间形成一段预设压力值的低压段，并且产生膨胀制冷效应；
20.具体地，膨胀及压缩模块包括在直流外部循环单元的较低温区增加的膨胀机构，在较高温区增加的压缩机构，以及视需要可增加的缓冲气库、压缩机构冷却器和过滤装置。直流经过膨胀机构降至一定的低压，经过压缩机构压缩至回热式制冷机压力，从而在膨胀机构与压缩机构之间形成一段低压，并且产生膨胀制冷效应，增加制冷量。附属的缓冲气库可起到缓冲气体压力的作用，压缩机构冷却器则可将压缩热排放出去，过滤装置则过滤固体颗粒、吸附压缩油。当不设置压缩机构冷却器和过滤装置时，可集中于回热式制冷机的压缩机构中完成。
21.所述预冷及液化模块包括依次连通的待预冷物料的料源、进料控制机构、间壁式换热器、冷端换热管路以及冷料收集组件，所述料源内待预冷物料通过间壁式换热器进行预冷，进入至冷料收集组件中，液化模块还包括物料在冷端换热管路中液化的装置，主要包
括换热器、液体收集组件、液体进出装置、液位测量仪器等。
22.进一步地，所述直流引出回热器结构的位置为回热器的冷端，或为回热器的冷端到回热器的热端之间区段的任意位置；
23.所述直流自间壁式换热器引入回热式制冷机系统的位置为回热器热端至压缩机区段、回热器热端到回热器冷端之间区段的任意位置；
24.所述直流的引出位置为一个或多个位置同时引出，以此形成一股直流或多股直流，所述直流上对应设置有一个或多个间壁式换热器。
25.进一步地，所述膨胀机构设于一股直流上或分别设于多股直流上；
26.所述膨胀机构为单个膨胀机构、串联的多个膨胀机构、并联的多个膨胀机构、串并联组合的多个膨胀机构中的一种；
27.所述膨胀机构在直流上的位置为冷端或冷端至热端之间的任一位置；
28.所述膨胀机构包括小孔阀、小孔、毛细管道、狭缝、多孔介质中的一种，以此通过摩擦阻力和局部阻力实现节流降压；
29.所述膨胀机构还包括透平膨胀机、活塞膨胀机等通过对外做功实现降压的机构；
30.所述缓冲气库设于膨胀机构之后，所述缓冲气库设于膨胀机构与压缩机构之间的任意位置。
31.进一步地，所述压缩机构设于一股直流上或分别设于多股直流上；
32.所述压缩机构为单个压缩机构、串联的多个压缩机构、并联的多个压缩机构、串并联组合的多个压缩机构中的一种；
33.所述压缩机构在直流上的位置为热端或热端至冷端之间的任一位置；
34.所述压缩机构为容积型增压机构或透平式速度型增压机构，所述容积型增压机构为活塞式、螺杆式、涡旋式增压机构中的一种。
35.进一步地，所述直流自压缩机构引出后引入回热器，或引入低压组件、高压组件后再引入回热器，以此构成循环；
36.也即直流可压缩至不低于回热式制冷机的某个压力的压力，包括不低于最低压、不低于最高压或不低于最高压最低压之间的某个压力；
37.所述低压组件为有阀压缩机（gm型）的低压管路或在无阀压缩机（斯特林型）及有阀压缩机中设置单向阀形成的低压腔；所述低压管路为压缩之前的包括低压配气管、低压储气罐等结构；设置单向阀形成的低压腔包括沿直流移动方向设置的低压气库和低压单向阀，所述低压气库设于直流控制阀的下游。
38.所述高压组件为有阀压缩机（gm型）的高压管路或在无阀压缩机（斯特林型）及有阀压缩机中设置单向阀形成的高压腔。所述高压管路为压缩之后的高压配气管、高压储气罐等结构；
39.进一步地，所述回热式制冷机单元为采用回热器部件实现热量的交变式储存与释放的制冷机，具体包括：带有膨胀活塞机构的吉福德-麦克马洪（gifford-mcmahon, gm）制冷机、索尔维（solvey）制冷机、斯特林制冷机、维勒米尔（vurlleumier, vm）制冷机，以及不带膨胀活塞机构的脉管制冷机，或多种制冷机进行多级耦合的混合结构形式。所述脉管制冷机包括gm型脉管制冷机和斯特林型脉管制冷机。
40.进一步地，所述脉管制冷模块还包括依次连接的冷端连管、脉管冷端换热器、脉
管、脉管热端换热器和调相机构，所述冷端连管由冷端换热器引出。
41.进一步地，所述回热式制冷模块为回热器内置式结构或回热器外置式结构；
42.所述回热器内置式结构中，回热器内置于膨胀活塞中，回热器随膨胀活塞一起运动；
43.所述回热器外置式结构中，膨胀活塞和回热器分体式设置，一般回热器不动，膨胀活塞运动；
44.所述回热式制冷模块包括单级结构和多级耦合结构，所述多级耦合结构包括多级热耦合结构、多级气耦合结构、热耦合与气耦合混合结构。多级结构可实现更低的制冷温度，并提供多个温区的冷量。多级包括两级和两级以上级数。
45.进一步地，所述的料源包括处于较高温度的料源和冷料收集组件中蒸发的气体，以及处于较高温度的料源与蒸发的气体两者的组合。进一步地，进料控制机构为压力控制阀门、毛细管、喷嘴或多孔介质形成的阻力元件。
46.进一步地，所述回热式制冷模块中的平均工作压力一般大于1倍的大气压（绝对压力），在特殊情况下可拓展至大气压以下，取为0.1-2000倍的大气压（即0.01-200 mpa压力范围），预冷及液化模块工作压力一般与回热式制冷模块中的压力不同，常为接近于大气压（绝对压力），但在高压低温气体储存系统中可实现高的压力，故可包括0.01至2000倍的大气压（即0.001-200 mpa压力范围）。
47.进一步地，所述预冷及液化模块包括预冷功能、液化功能，以及预冷功能和液化功能两种的组合，待预冷物料的液化量占待预冷物料总量的比例在0%-100%的范围内。
48.所述待预冷物料包括气体、液体或固体，以及气态、液态、固态三种物质相态中任意两种或三种的混合。
49.所述待预冷物料包括纯净物和多种物质组成的混合物。
50.进一步地，所述预冷及液化模块的进料数量以满足该物料的热容与直流的热容在各温区相匹配为最大值，进料数量的范围在该最大值与零之间。
51.所述进料数量为零的工况下，该耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统包括保留回热式制冷模块、膨胀及压缩模块而无预冷及液化模块，或同时保留回热式制冷模块、膨胀及压缩模块和预冷及液化模块两种情况。
52.进一步地，若去除液化用间壁式换热器，可作为制冷循环提供分布式冷量。
53.进一步地，所述的回热式制冷模块的直流外部循环单元包括在制冷机中引出单路直流和多路直流。例如，在回热器与膨胀活塞并行放置的结构中可分别在回热器与膨胀活塞处形成两路直流，在脉管制冷机中可通过回热器、脉管分别形成两路直流，也可按照温度段形成多路直流。
54.由于气体工质的比热容随压力而变化，制冷机引出的直流的压力一般高于待预冷气体的压力，两股流体的比热容不相匹配，导致需要更多的直流才能冷却待预冷气体，降低了预冷效率。与现有技术相比，本实用新型具有以下技术优势：
55.1）本实用新型为采用直流并耦合膨胀机构的回热式制冷机高效预冷及液化系统，使得直流循环在回热器内部吸收冷量，通过间壁式换热器与预冷及液化模块换热，预冷待预冷物料。在本实用新型中，直流经膨胀机构降压后一方面使得直流中气体的比热容与被预冷物料的比热容相近，另一方面产生膨胀制冷效应，提高冷端制冷量。这两方面均可使得
一定量的直流相比无膨胀情况下实现预冷待预冷物料量更多，从而提高预冷效率。
56.2）本实用新型中的回热器可以吸收一定量直流的焓流，且合适大小的直流造成冷端焓流的增大远小于回热器吸收的总焓流，因此对引出直流的充分利用，可提高制冷机预冷及液化能力。特别是在工质接近临界温区，由于实际气体效应，存在一个最大允许直流量，在该直流范围内，实际回热器的cop 受直流影响而下降很小。
57.3）本实用新型的采用直流的回热式制冷机高效预冷及液化系统产生的低温液体可作为恒温冷源，满足稳定恒温的低温需求。
58.4）本实用新型结构形式的小型低温制冷机能明显提高液化效率，且设备较小、可移动，能用来液化氦气、氢气、氮气、甲烷等液化温度较低的气体，促进移动式小型制冷机预冷及液化装置的大规模应用。
附图说明
59.图1为本实用新型实施例 1 的二级gm制冷机高效液化系统的结构示意图。
60.图2是实施例 2中的二级gm制冷机高效冷却系统的结构示意图。
61.图3 是实施例 3 中采用单级斯特林制冷机高效预冷系统示意图。
62.图4是实施例4中采用二级gm型脉管制冷机高效预冷及液化系统示意图。
63.图中：1、压缩装置；2、压缩机低压储气罐；3、压缩机冷却器和过滤装置；4、压缩机高压储气罐； 5、gm型压缩机高低压配气阀； 6、制冷机进气通道；7、制冷机气缸； 8、第一级回热器；9、第一级膨胀活塞密封机构；10、第一级膨胀活塞与气缸的间隙；11、第一级膨胀活塞；12、第一级冷端换热器；13、第一级膨胀腔；14、第二级膨胀活塞密封机构；15、第二级膨胀活塞与气缸的间隙；16、第二级冷端换热器；17、第二级膨胀腔；28、直流； 20、直流控制阀；21、料源；22、进料控制机构；23、待预冷物料；24、冷端换热组件；25、待预冷物料收集组件；26、第二级回热器；27、第二级膨胀活塞；29、膨胀机构；30、间壁式换热器；31、低压缓冲气库；32、压缩机构；33、压缩机构冷却器和过滤装置。
具体实施方式
64.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
65.本实施例中的耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，包括回热式制冷模块、膨胀及压缩模块和预冷及液化模块；
66.所述回热式制冷模块包括回热式制冷机单元和直流外部循环单元；回热式制冷机单元包括依次连接的压缩机装置1、回热器、冷端换热器12；
67.直流外部循环单元为：直流从特定位置引出制冷机单元，直流经过一系列通道，之后再回到回热器，完成直流循环，通过直流控制阀20控制直流流量大小。
68.膨胀及压缩模块包括在直流外部循环单元的较低温区增加的膨胀机构，在较高温区增加的压缩机构，以及附属的缓冲气库、压缩机构冷却器和过滤装置。直流经过膨胀机构降至一定的低压，经过压缩机构压缩至回热式制冷机压力，从而在膨胀机构与压缩机构之间形成一段低压，并且产生膨胀制冷效应。
69.预冷及液化模块包括依次连通的待预冷物料的料源21、进料控制机构22、间壁式换热器30、冷端换热管路24以及冷料收集组件25，所述料源21内待预冷物料通过间壁式换热器30进行预冷，进入至冷料收集组件25中。液化模块还包括物料在冷端换热管路24中液化的装置。
70.直流28自压缩机构引出后可引入回热器，或引入低压组件、高压组件后再引入回热器，构成循环。也即直流可压缩至不低于回热式制冷机的某个压力的压力，包括不低于最低压、不低于最高压或不低于最高压最低压之间的某个压力。
71.作为实施例中可选实施方式，所述的料源包括处于较高温度的料源和冷料收集组件中蒸发的气体，以及处于较高温度的料源与蒸发的气体两者的组合，当所述的料源冷料收集组件中蒸发的气体时，将冷料收集组件与间壁式换热器相连，冷料收集组件中预装一定量的低温液体，当冷料收集组件中液体吸热气化，将被低温制冷机和膨胀机构提供的制冷量再次液化，只要取冷的功率低于液化功率，可将冷料收集组件改造为恒温冷源。该实施方式用于补偿外界漏热时，该液化系统实质上已改造为再液化系统。
72.预冷及液化模块的进料数量以满足各温区的热容与直流的热容相匹配为最大值，进料数量在该最大值与零之间。当进料数量小于最大值时，该直流可用于提供额外的制冷量。而所述进料数量为零的工况下，该耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统可保留回热式制冷模块和膨胀及压缩模块，而去除预冷及液化模块，专注于制冷效率的提高；当然也可以同时保留预冷及液化模块。
73.实施例1
74.如图 1 所示，本实施例的耦合膨胀机构和回热式制冷机高效预冷及液化系统包括二级gm制冷机模块、膨胀及压缩模块和液化模块。
75.二级gm制冷机模块包括回热式制冷机单元和直流外部循环单元。回热式制冷机单元包括压缩装置1、压缩机低压储气罐2、压缩机冷却器和过滤装置3、压缩机高压储气罐4、gm型压缩机高低压配气阀5、制冷机进气通道6、制冷机气缸7、第一级膨胀活塞11、第一级回热器8、第一级膨胀活塞密封机构9、第一级膨胀活塞与气缸的间隙10、第二级膨胀活塞27、第二级回热器26、第一级冷端换热器12、第一级膨胀腔13、第二级膨胀活塞密封机构14、第二级膨胀活塞与气缸的间隙15、第二级冷端换热器16、第二级膨胀腔17。直流外部循环单元包括直流28、直流控制阀20。
76.膨胀及压缩模块包括膨胀机构29和低压缓冲气库31、压缩机构32、压缩机构冷却器和过滤装置33。
77.液化模块包括依次连通的气源21、进气控制机构22、待预冷物料23、间壁式换热器30、冷端换热组件24、液体收集组件25。
78.本实施例的工作过程为：
79.按上述流程完成系统安装，充入工作压力的气体工质。在室温条件下首先将节流阀29设置一定开度，设置完毕后启动压缩机1，制冷机开始降温，当回热器冷端换热器 16的温度降低至工质液化温度以下，调节直流控制阀20和进料控制机构22 的阀门，控制直流流量和待液化气体流量，并启动压缩机构32，直流流过间壁式换热器后经压缩机构32压缩至原低压腔压力，形成稳定的循环。附属的缓冲气库31稳定为低压，压缩机构冷却器和过滤装置33则将压缩热排放出去，并过滤和吸附杂质。调节进料控制机构22 的阀门，调节待液化
气体的压力；进而调节直流控制阀20和压缩机构32，调节节流阀29至压缩机构32之间直流气体的压力至所需值，优化获得稳定液化率。
80.实施例2
81.采用新型回热式制冷机冷却的低温储存系统
82.如图 2所示，本实施例的耦合膨胀机构和回热式制冷机高效预冷系统包括二级gm制冷机模块和膨胀及压缩模块。
83.二级gm制冷机模块包括回热式制冷机单元和直流外部循环单元。回热式制冷机单元包括压缩装置1、压缩机低压储气罐2、压缩机冷却器和过滤装置3、压缩机高压储气罐4、gm型压缩机高低压配气阀5、制冷机进气通道6、制冷机气缸7、第一级膨胀活塞11、第一级回热器8、第一级膨胀活塞密封机构9、第一级膨胀活塞与气缸的间隙10、第二级膨胀活塞27、第二级回热器26、第一级冷端换热器12、第一级膨胀腔13、第二级膨胀活塞密封机构14、第二级膨胀活塞与气缸的间隙15、第二级冷端换热器16、第二级膨胀腔17。直流外部循环单元包括直流28、换热器24、分布式换热器30、直流控制阀20。
84.膨胀及压缩模块包括小孔阀29和低压缓冲气库31、压缩机构32、压缩机构冷却器和过滤装置33。
85.本实施例的工作过程为：
86.按上述流程完成系统安装，充入工作压力的气体工质。在室温条件下首先将小孔阀29设置一定开度，然后启动压缩机1，制冷机开始降温，当回热器冷端换热器 16的温度降低至设定温度时，调节直流控制阀20的阀门，控制直流流量，并启动压缩机构32，直流流过换热器24以及分布式换热器30后经压缩机构压缩至原低压腔压力，形成稳定的循环，在换热器24提供节流后温度下的制冷量，在分布式换热器30提供分布式冷量。附属的缓冲气库31稳定为低压，压缩机构冷却器和过滤装置33则将压缩热排放出去，并过滤和吸附杂质。调节直流控制阀20和压缩机构32，调节小孔阀29至压缩机构32之间直流气体的压力至所需值，优化达到稳定状态。
87.实施例3
88.如图 3所示，本实施例的耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷系统包括单级斯特林制冷机模块、膨胀及压缩模块和液体预冷模块。
89.单级斯特林制冷机模块包括回热式制冷机单元和直流外部循环单元。回热式制冷机单元包括活塞式压缩装置1、压缩机冷却器3、制冷机进气通道6、制冷机气缸7、第一级膨胀活塞11、第一级回热器8、第一级膨胀活塞密封机构9、第一级膨胀活塞与气缸的间隙10、第一级冷端换热器12、第一级膨胀腔13。直流外部循环单元包括直流28、直流控制阀20。
90.膨胀及压缩模块包括透平膨胀机29和低压缓冲气库31（置于间壁式换热之前）、压缩机构32、压缩机构冷却器和过滤装置33。
91.液体预冷模块包括依次连通的液体源21、进液控制机构22、待预冷液体23、间壁式换热器30、冷端换热组件24、液体收集组件25。
92.本实施例的工作过程为：
93.按上述流程完成系统安装，充入工作压力的气体工质。在室温条件下将透平膨胀机29预先设定好启动条件，随后运行活塞式压缩机1，制冷机开始降温，当回热器冷端换热器 12的温度降低至设定温度以下，打开直流控制阀20和进料控制机构22 的阀门，待预冷
液体经过间壁式换热器30和冷端换热组件24被持续冷却，直至流入液体收集组件25。调节直流控制阀20和进料控制机构22 的阀门，控制直流流量和待预冷液体流量，并启动压缩机构32，直流流过间壁式换热器后经压缩机构32压缩至原低压腔压力，形成稳定的循环。附属的缓冲气库31稳定为低压，压缩机构冷却器和过滤装置33则将压缩热排放出去，并过滤和吸附杂质。调节进料控制机构22 的阀门，调节待预冷液体的压力；进而调节直流控制阀20和压缩机构32，调节透平膨胀机29至压缩机构32之间直流气体的压力至所需值，优化获得稳定预冷流率。
94.实施例4
95.如图 4所示，本实施例的耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统包括二级脉管制冷机模块、膨胀及压缩模块和预冷及液化模块。
96.二级脉管制冷机模块包括回热式制冷机单元和直流外部循环单元。回热式制冷机单元包括压缩装置1、压缩机低压储气罐2、压缩机冷却器和过滤装置3、压缩机高压储气罐4、gm型压缩机高低压配气阀5、制冷机进气通道6、第一级回热器8、气体在第一级回热器8分为两路，第一路依次相连第一级冷端连管40、第一级脉管冷端换热器41、第一级脉管42、第一级脉管热端换热器43、第一级调相机构44；第二路依次相连第一级冷端换热器12、第二级回热器26、第二级冷端换热器16、第二级冷端连管46、第二级脉管冷端换热器47、第二级脉管48、第二级脉管热端换热器49、第二级调相机构50。
97.直流外部循环单元分为两路，包括直流28、回热器侧直流控制阀20以及一系列通道；另一路直流包括流向脉管侧的直流51、脉管侧直流控制阀35和一系列通道。
98.膨胀及压缩模块分为两路，其中一路包括活塞膨胀机29和压缩机构32；另一路包括毛细管52、压缩机构37。
99.预冷及液化模块包括两路，两路待预冷、待液化的工质不同。其中一路为回热器侧预冷模块，包括依次连通的气源21、进料控制机构22、待预冷物料23、间壁式换热器30、气体收集组件25；另一路为脉管侧液化模块，包括依次连通的气源56、进气压力控制机构57、待预冷物料58、间壁式换热器53、冷端换热组件59、液体收集组件60。
100.本实施例的工作过程为：
101.在室温条件下预先将活塞膨胀机29设定好工作条件，将毛细管52按设定的几何尺寸制造，按上述流程完成系统安装，充入工作压力的气体工质。然后启动压缩机1，制冷机开始降温，待回热器冷端换热器 16的温度降低至脉管侧工质液化温度以下。
102.对于预冷模块，打开直流控制阀20和进料控制机构22 的阀门，待预冷气体经过间壁式换热器30待预冷后，流入气体收集组件25。调节直流控制阀20和进料控制机构22 的阀门，控制直流流量和待预冷气体流量，并启动压缩机构32，直流流过间壁式换热器后经压缩机构32压缩至原低压腔压力，形成稳定的循环，并调节待预冷气体的压力，直至获得稳定预冷流率。调节进料控制机构22 的阀门，调节待预冷气体的压力；进而调节直流控制阀20和压缩机构32，调节活塞膨胀机29至压缩机构32之间直流气体的压力至所需值，优化获得稳定预冷流率。
103.对于液化模块，打开直流控制阀35和进料控制机构57 的阀门，使直流通过间壁式换热器53。待液化气体流出气源56，经过间壁式换热器53和冷端换热组件59被持续冷却，直至流入液体收集组件60。调节直流控制阀35和进料控制机构57的阀门，控制直流流量和待
液化气体流量，并启动压缩机构37，直流流过间壁式换热器后经压缩机构37压缩至原低压腔压力，形成稳定的循环，并调节待预冷气体的压力，直至获得稳定液化率。调节进料控制机构57 的阀门，调节待液化气体的压力；进而调节直流控制阀35和压缩机构37，调节毛细管52至压缩机构37之间直流气体的压力至所需值，直至获得稳定液化流率。
104.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，包括回热式制冷模块、膨胀及压缩模块和预冷及液化模块；所述回热式制冷模块包括回热式制冷机单元和直流外部循环单元；所述回热式制冷机单元包括依次连接的压缩机装置(1)、回热器、冷端换热器(12)；所述直流外部循环单元中，直流(28)自任意位置引出制冷机单元，经过多个通道，之后再回到回热器，完成直流循环；所述直流外部循环单元中设有直流控制阀(20)，以此控制直流流量大小；所述膨胀及压缩模块包括设于直流外部循环单元上第一温度区域的膨胀机构、设于直流外部循环单元上第二温度区域上的压缩机构、缓冲气库、压缩机构冷却器和过滤装置，所述第二温度区域的温度高于第一温度区域；所述预冷及液化模块包括依次连通的待预冷物料的料源(21)、进料控制机构(22)、间壁式换热器(30)、冷端换热管路(24)以及冷料收集组件(25)，所述料源(21)内待预冷物料通过间壁式换热器(30)进行预冷，进入至冷料收集组件(25)中，液化模块还包括物料在冷端换热管路(24)中液化的装置。2.根据权利要求1所述的一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，所述直流(28)引出回热器结构的位置为回热器的冷端，或为回热器的冷端到回热器的热端之间区段的任意位置；所述直流(28)自间壁式换热器引入回热式制冷机系统的位置为回热器热端至压缩机区段、回热器热端到回热器冷端之间区段的任意位置；所述直流(28)的引出位置为一个或多个位置同时引出，以此形成一股直流或多股直流，所述直流(28)上对应设有一个或多个间壁式换热器。3.根据权利要求2所述的一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，所述膨胀机构设于一股直流上或分别设于多股直流上；所述膨胀机构为单个膨胀机构、串联的多个膨胀机构、并联的多个膨胀机构、串并联组合的多个膨胀机构中的一种；所述膨胀机构在直流上的位置为冷端或冷端至热端之间的任一位置。4.根据权利要求3所述的一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，所述膨胀机构包括小孔阀、小孔、毛细管道、狭缝、多孔介质中的一种，以此通过摩擦阻力和局部阻力实现节流降压；所述膨胀机构还包括透平膨胀机、活塞膨胀机；所述缓冲气库设于膨胀机构之后，所述缓冲气库设于膨胀机构与压缩机构之间的任意位置。5.根据权利要求1所述的一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，所述压缩机构设于一股直流上或分别设于多股直流上；所述压缩机构为单个压缩机构、串联的多个压缩机构、并联的多个压缩机构、串并联组合的多个压缩机构中的一种。6.根据权利要求5所述的一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，所述压缩机构在直流上的位置为热端或热端至冷端之间的任一位置；所述压缩机构为容积型增压机构或透平式速度型增压机构，所述容积型增压机构为活
塞式、螺杆式、涡旋式增压机构中的一种。7.根据权利要求1所述的一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，所述直流(28)自压缩机构引出后引入回热器，或引入低压组件、高压组件后再引入回热器，以此构成循环；所述低压组件为有阀压缩机的低压管路或在无阀压缩机及有阀压缩机管路中设置单向阀形成的低压腔；所述高压组件为内部压力高于预设压力阈值的管路或管路上匹配设置单向阀形成的高压腔。8.根据权利要求1所述的一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，所述回热式制冷机单元为采用回热器部件实现热量的交变式储存与释放的制冷机；所述回热式制冷机包括gm制冷机、索尔维制冷机、斯特林制冷机、vm制冷机、脉管制冷机中的一种或多种制冷机进行多级耦合的混合结构；所述脉管制冷机为gm型脉管制冷机或斯特林型脉管制冷机。9.根据权利要求1所述的一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，所述回热式制冷模块为回热器内置式结构或回热器外置式结构；所述回热器内置式结构中，回热器内置于膨胀活塞中；所述回热器外置式结构中，膨胀活塞和回热器分体式设置。10.根据权利要求1所述的一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，所述回热式制冷模块包括单级结构和多级耦合结构，所述多级耦合结构包括多级热耦合结构、多级气耦合结构、热耦合与气耦合混合结构。

技术总结

本实用新型涉及一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，包括回热式制冷模块、膨胀及压缩模块和预冷及液化模块；回热式制冷模块包括回热式制冷机单元和直流外部循环单元；所述回热式制冷机单元包括依次连接的压缩机装置、回热器、冷端换热器；直流外部循环单元中，直流自任意位置引出制冷机单元，经过多个通道，之后再回到回热器，完成直流循环；直流外部循环单元中设有直流控制阀，以此控制直流流量大小。与现有技术相比，本实用新型过将被引出的直流进行膨胀降压，增加了膨胀制冷效果，并得到与待预冷物料相近的压力，使其比热容相近，使得等量的引出直流可预冷及液化更多的待预冷物料，从而提高预冷及液化效率。率。率。