CN100376852C - 用于回热式制冷机的油润滑无阀型往复式压力波发生装置 - Google Patents

Abstract

一种用于回热式制冷机的油润滑无阀型往复式压力波发生装置，包括：油润滑无阀型压力波发生器、位于压力波发生器出口端与制冷机入口端的第一弹性膜片和位于压力波发生器背压腔与制冷机出口端的第二弹性膜片：第一和第二膜片分装于盒壁上有小通孔的第一和第二压力保护膜盒中；第一膜片将第一压力保护膜盒内腔等分成两部分；一部分与压力波发生器气缸出口连通，另一部分与制冷机入口连通；第二膜片将第二压力保护膜盒内腔分成两部分；一部分与制冷机出口相连通，另一部分与压力波发生器背压腔连通。膜片将压缩腔与制冷机隔开，使压力波发生器内各运动部件采用润滑油以保证长寿命和高可靠性，可防止润滑油进入制冷机造成热力性能下降或不能正常工作。

Description

用于回热式制冷机的油润滑无阀型往复式压力波发生装置

技术领域

本发明涉及制冷与低温技术领域，特别涉及一种用于回热式制冷机的油润滑无阀型往复式压力波发生装置。

背景技术

低温制冷机在现代科学中有着重要的应用。因为许多科学仪器在低温条件下有更好的性能和效率、更高的运行速度和灵敏度。有些测量元件的工作机制就是利用物质在低温下存在或发生的特有现象(如超导电性)，它们必须被冷却到某一特定的低温区才能正常工作。例如，在信息科学方面，需要低于100K直至液氦温度(4K)的低温恒温器，以便能够探测微弱的远红外辐射或电磁信号；为了快速传递和处理大量的微弱信号，需采用低温电子学技术，以极大地降低噪声水平，提高仪器的信噪比。这些应用要求提供结构紧凑、性能可靠的低温制冷机。

基于这些特殊要求，低温制冷机技术，特别是回热式制冷机技术在近几十年获得了飞速的发展，诸如脉管制冷机、斯特林制冷机等早已经进入了实际应用的阶段。虽然回热式制冷机研究已经取得了很大的进展，但是有一个问题一直难以得到彻底的解决，那就是制冷机的驱动源---压力波发生器。

目前油润滑压力波发生器是一种非常成熟的产品，它寿命长，工艺较为简单，价格便宜。但是如果要把它作为目前回热式制冷机的压缩系统，关键要解决的问题就是润滑油的分离问题，因为润滑油一旦进入制冷机内，那制冷机的性能就会急剧恶化，甚至在低温凝固堵塞流道而使制冷机不能工作，因此阻止压力波发生器的润滑油进入制冷机成为本发明的主要解决问题。本发明人曾在专利公开号200510011630.X的专利申请中提出了采用弹性膜来阻挡润滑油进入制冷系统的方法，可以在传递声功的同时隔离润滑油；但是专利公开号200510011630.X的专利申请存在这样的两个问题：(1)在制冷系统启动阶段，由于制冷系统侧不断降温，而压缩机侧不断升温，从而使弹性膜两侧的压力不平衡；通常是压缩机侧的平均压力升高，制冷机侧的平均压力降低，这样弹性膜的平衡位置将会偏离其初始的位置；而平衡位置的偏离会导致其单侧的伸长量超过其允许值而可能发生破裂失效；(2)由于某些突发性的原因(例如弹性膜一侧的压力波发生器或制冷机泄露)而使弹性膜两侧的平均压力不平衡也会导致弹性破裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油润滑的改进型无阀型往复式压力波发生器，可以解决现有采用弹性膜的油润滑压力波发生器存在的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的用于回热式制冷机的油润滑无阀型往复式压力波发生装置，包括一油润滑无阀型压力波发生器9；和位于油润滑无阀型压力波发生器9出口端与回热式制冷机1入口端之间的第一弹性膜片3；特点是：所述第一弹性膜片3装于一盒壁上设有小通孔的第一压力保护膜盒2中，所述第一压力保护膜盒2内腔呈椭球型，所述第一弹性膜片3将所述第一压力保护膜盒2的呈椭球型内腔等分成两部分；其中一部分与所述油润滑无阀型压力波发生器9的气缸出口相连通，另一部分与回热式制冷机1的入口相连通；还包括：

位于油润滑无阀型压力波发生器9的背压腔8与回热式制冷机1出口端之间的第二弹性膜片13；所述第二弹性膜片13装于一盒壁上设有小通孔的第二压力保护膜盒12中，所述第二压力保护膜盒12的内腔呈椭球型或圆柱型，所述第二弹性膜片13将所述第二压力保护膜盒12内腔分成两部分；其中，一部分通过管道与回热式制冷机1出口端相连通，另一部分通过管道与所述油润滑压力波发生器9的背压腔8相连通；所述第二压力保护膜盒12与回热式制冷机1之间的连通管道上装有第一阀门10；所述第二压力保护膜盒12和油润滑压力波发生器9的背压腔8之间的连通管道上装有第二阀门11。

所述的油润滑无阀型压力波发生器9为油润滑电磁驱动往复直线压力波发生器或油润滑曲轴连杆往复压力波发生器。

所述的回热式制冷机1为脉管制冷机、热声制冷机或斯特林制冷机。

所述的第一弹性膜片3为有机弹性膜片或金属弹性膜片；所述的第二弹性膜片13为有机弹性膜片或金属弹性膜片，其张力比第一弹性膜片3小一个量级左右。

所述的第一压力保护膜盒2内部的椭球形空腔的横截面积比所述油润滑无阀型压力波发生器9的活塞面积大1-100倍，椭球形空腔的高度为比所述油润滑无阀型压力波发生器9的活塞工作位移量0.01-1倍之间；所述第一压力保护膜盒2的小孔直径为0.5～5mm，孔间距与孔径相等。

所述的第二压力保护膜盒12内部腔体的横截面积比所述第一压力保护膜盒2的内部空腔的横截面积大1-100倍，所述第二弹性膜片13将所述第二压力保护膜盒12的腔体分成不相等的两部分，其中与回热式制冷机1出口端相连通的部分为与油润滑压力波发生器9相连通的部分容积0.01-1倍之间。

如图1所示，在油润滑压力波发生器9的气缸的出口和回热式制冷机1之间安装一块第一弹性膜片3，该第一弹性膜片3的作用是为了阻止润滑油从压力波发生器9进入到制冷机1内，同时能够让发动机活塞产生的压力波能通过它进入到回热式制冷机1内。当制冷机1或者压力波发生器9内由于某些意外因素导致压力降低或升高时，此第一弹性膜片可能会被从高压侧推向低压侧，变形过大时可能被破坏而会让润滑油进入到制冷机内。本发明对第一弹性膜片3采取保护措施，即将所述第一弹性膜片3置入一第一压力保护膜盒2中而不被破坏；该第一压力保护膜盒2的内腔为接近于一个椭球的盒壁上带有小孔的盒子，其内壁面与弹性膜片变形时的形状接近；该第一压力保护膜盒2与压力波发生器9的气缸及回热式制冷机1并不是直接相通，而是通过膜盒盒壁上密布的小孔相连通(压力保护膜盒的结构如图3所示)。这样当第一弹性膜片3被高压气体挤压产生变形时会贴在压力膜盒内壁面上，则很难会被破坏。盒壁上小孔的孔径越小，弹性膜片所能承受的压力差就越大。

图1所示的结构主要适用于脉管制冷机和热声制冷机，但是斯特林制冷机因为有两个压力入口，因此压力波发生器需要再增加一个活塞，压力波由此活塞通过压力膜盒进入斯特林制冷机的另一个压力入口，如图2所示。

同时由于压力波发生器和制冷机工作后，压力波发生器内由于摩擦等原因气体温度会升高，压力会随之升高，而制冷机内由于冷头温度降低，压力会降低，这时如果没有一定的装置来调节压力，第一弹性膜片3就会向制冷机一侧偏移，甚至碰到压力保护膜盒的内壁面；本发明还包括一装在第二压力保护膜盒12内的第二弹性膜片13就是为了调节压力波发生器内和回热式制冷机内的压力平衡；该第二弹性膜片13的张力比第一弹性膜片3小得多，因此当压力波发生器与制冷机内压力不平衡时，第二弹性膜片13会先偏移；而第一弹性膜片3会基本仍处于平衡位置；当压力不需要调节时，第二压力保护膜盒12和回热式制冷机1及压力波发生器9之间的阀门10和11关闭；第二弹性膜片13的面积，及它在第二压力保护膜盒12内安装位置以及第二压力保护膜盒12的容积也需要仔细考虑，下面就这一问题作进一步的说明。

如图4所示，假设刚充完气时压力为P，压力平衡膜盒、压力波发生器和制冷机内的气体量分别为n₀，n₁，n₂摩尔，有如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}P{V}_0=R{n}_{0}T\\ P{V}_1=R{n}_{1}T\\ P{V}_2=R{n}_{2}T\end{array}\right.---\left(1\right)$

压力波发生器、制冷机温度平衡后压力变为P′，压力平衡膜盒、压力波发生器和制冷机内的气体量分别为n₀′，n₁′，n₂′摩尔，有如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}P\′V_0=R{n}_0\′T\\ P\′V_1=R{n}_1\′T_h\\ P\′V_2=R{n}_2\′T_c\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据质量守恒有

$\frac{P}{\mathrm{RT}}(V_0+V_1+V_2)=\frac{P\′V_0}{\mathrm{RT}}+\frac{P\′V_1}{R{T}_h}+\frac{P\′V_2}{R{T}_c}---\left(3\right)$

即： $\frac{P\′}{P}=\frac{V_0+V_1+V_2}{V_0+\frac{T}{T_h}{V}_1+\frac{T}{T_c}{V}_2}---\left(4\right)$

假设压力平衡膜盒容积为2000单位体积，温度从300K升到400K，制冷机容积为20单位体积，温度从300K降到80K，

假定压力波发生器和制冷机之间的膜是保持不动，只有压力平衡膜盒内的膜发生位移。

如果压力平衡膜盒内膜的右侧充气后有V₃，n₃，平衡后有V₃′，n₃′，则有：

$\left\{\begin{array}{c}P{V}_3=R{n}_{3}T\\ P\′V_3\′=R{n}_3\′T\end{array}\right.---\left(5\right)$

根据两块膜之间的质量守恒有

$\frac{P}{\mathrm{RT}}(V_3+V_1)=\frac{P\′{V_3}^{\′}}{\mathrm{RT}}+\frac{P\′V_1}{R{T}_h}---\left(6\right)$

即：

$V_3\′=\frac{P}{P\′}(V_3+V_1)-\frac{{\mathrm{TV}}_1}{T_h}---\left(7\right)$

图5给出了V₃′-V₃与V₀的关系。显然，V₀越小，且V₃所占比例越大则V₃变化越小。因此在进行压力平衡膜盒的设计时应减小其容积，膜片应该安装在膜盒的近制冷机侧一些。此外膜盒的横截面积可以设计的大一些，这样在同样V₃′-V₃情况下，膜的位移量可以更小。

附图说明

图1为本发明一种用于回热式制冷机的单缸油润滑压力波发生器装置的结构示意图；

图2为本发明一种用于回热式制冷机的双缸油润滑压力波发生器装置的结构示意图；

图3为压力保护膜盒下半部分的剖面示意图；

图4为对本发明一种用于回热式制冷机的油润滑压力波发生器装置进行参数分析的简化图；

图5为压力平衡膜盒内膜的近压力波发生器侧的容积变化与压力平衡膜盒容积的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

本发明提供的用于回热式制冷机的油润滑无阀型往复式压力波发生装置，本发明提供的用于回热式制冷机的油润滑无阀型往复式压力波发生装置，包括一油润滑无阀型压力波发生器9；和位于油润滑无阀型压力波发生器9出口端与回热式制冷机1入口端之间的第一弹性膜片3；特点是：所述第一弹性膜片3装于一盒壁上设有小通孔的第一压力保护膜盒2中，所述第一压力保护膜盒2内腔呈椭球型，所述第一弹性膜片3将所述第一压力保护膜盒2的呈椭球型内腔等分成两部分；其中一部分与所述油润滑无阀型压力波发生器9的气缸出口相连通，另一部分与回热式制冷机1的入口相连通；还包括：

位于油润滑无阀型压力波发生器9的背压腔8与回热式制冷机1出口端之间的第二弹性膜片13；所述第二弹性膜片13装于一盒壁上设有小通孔的第二压力保护膜盒12中，所述第二压力保护膜盒12的内腔呈椭球型或圆柱型，所述第二弹性膜片13将所述第二压力保护膜盒12内腔分成两部分；其中，一部分通过管道与回热式制冷机1出口端相连通，另一部分通过管道与所述油润滑压力波发生器9的背压腔8相连通；所述第二压力保护膜盒12与回热式制冷机1之间的连通管道上装有第一阀门10；所述第二压力保护膜盒12和油润滑压力波发生器9的背压腔8之间的连通管道上装有第二阀门11。

所述的油润滑无阀型压力波发生器9为油润滑电磁驱动往复直线压力波发生器或油润滑曲轴连杆往复压力波发生器。

所述的回热式制冷机1为脉管制冷机、热声制冷机或斯特林制冷机。

所述的第一弹性膜片3为有机弹性膜片或金属弹性膜片；所述的第二弹性膜片13为有机弹性膜片或金属弹性膜片，其张力比第一弹性膜片3小一个量级左右。

所述的第一压力保护膜盒2内部的椭球形空腔的横截面积为所述油润滑无阀型压力波发生器9的活塞面积的1-100倍，椭球形空腔的高度为所述油润滑无阀型压力波发生器9的活塞工作位移量的0.01-1倍；所述第一压力保护膜盒2的小孔直径为0.5～5mm，孔间距与孔径相等。

所述的第二压力保护膜盒12内部腔体的横截面积比所述第一压力保护膜盒2的内部空腔的横截面积大1-100倍，所述第二弹性膜片13将所述第二压力保护膜盒12的腔体分成不相等的两部分，其中与回热式制冷机1出口端相连通的部分比与油润滑压力波发生器9相连通的部分容积小。

第一压力保护膜盒3安装在回热式制冷机1入口和油润滑压力波发生器9气缸6的出口；第一压力保护膜盒3内部为一个椭球形的空腔，第一弹性膜片3将其均分成两半，其中一半通过小孔与油润滑压力波发生器的气缸相连通，另一半通过小孔与回热式制冷机相连通；第一压力保护膜盒3的横截面积一般为气缸6横截面积的1-100倍；这是因为弹性膜片的扫气量约等于活塞的扫气量，增加弹性膜片的面积就可以减少膜片每次扫气时的位移量从而提高膜片的使用寿命。压力保护膜盒的更详细的结构图可参考图3；压力保护膜盒内弹性膜片为有机弹性膜片或金属弹性膜片，它具有非常好的防油渗透能力，同时还有非常长的抗疲劳寿命，其张力一般在10²N/m²以上；压力波发生器产生的压力波经过由多个小孔进入压力保护膜盒的空腔，再经过弹性膜片向上传递，经由小孔进入到回热式制冷机内，驱动回热式制冷机制冷。同时由于弹性膜片具有非常好的抗油渗透的能力，因此压力波发生器气缸内的润滑油都将被阻挡而不能进入到制冷机内。

对于某些制冷机如斯特林制冷机，由于它有两个压力入口，所以压力波发生器有两个气缸，两个气缸分别通过压力保护膜盒和制冷机相连通(请参见图2)。

考虑到在系统开始工作以后，压力波发生器由于压力波发生器发热内部压力将升高，而制冷机内由于温度下降压力将会降低，因此压力保护膜盒内的弹性膜片将会向制冷机侧偏移，严重时甚至会碰到压力保护膜盒的内壁面，这对于系统工作是不利的，因此必须采取一定的措施来平衡压力。压力平衡膜盒就是为了调节压力波发生器内和制冷机内的压力平衡。压力平衡膜盒的一端通过阀门与回热式制冷机相连通，另一端通过阀门与压力波发生器背压腔相连通。压力平衡膜盒内部空腔为简单的圆柱形或者椭球形即可，其横截面积、容积的选取则可参考发明内容部分的说明进行设计。一般地，横截面积大，容积小。弹性膜片安装在近制冷机侧。压力平衡膜盒内的弹性膜片须选取张力比压力保护膜盒内弹性膜片小的类型，其目的是使在压力波发生器内压力升高制冷机内压力降低时，压力保护膜盒内的弹性膜片可以保持在其平衡位置不动，而压力平衡膜盒内的弹性膜片发生偏移，从而达到压力波发生器和制冷机内的压力平衡。

本发明还包括位于油润滑无阀型压力波发生器9的背压腔8与回热式制冷机1出口端之间的第二弹性膜片13；系统充气时，阀门10和11处于全开状态，对压力波发生器和制冷机的充气过程必须同时进行，以保证膜盒内的弹性膜两侧的压力相等。这样充气完毕后，膜片均处于平衡位置。充气完毕后关闭阀门10和11，启动压力波发生器，制冷机开始制冷，这时压力波发生器内温度开始逐渐升高，压力有所升高，制冷机内温度下降，压力有所下降，压力保护膜盒内的弹性膜片的平衡位置向制冷机侧偏移。这时需要打开阀门10和11，让压力平衡膜盒内的弹性膜片向制冷机侧偏移，而压力保护膜盒内的弹性膜片的平衡位置恢复到原来的平衡位置，然后再关上阀门。这样的操作从系统开始启动到系统达到平衡的过程中必须多次进行。当压力波发生器和制冷机温度都达到了平衡后，阀门10和11就不再开启。这时压力保护膜盒内的弹性膜片就在其平衡位置随活塞一起扫气将声功送入制冷机内，而将润滑油阻挡在压力波发生器内，实现用油润压力波发生器驱动回热式制冷机的设想。阀门10和11也可以为毛细管，让它们始终处于连通状态，从而两侧的压力始终平衡，保证压力波发生器出口的弹性膜的平衡位置处于充气时的状态。

实施例1

采用图1所示结构。回热式制冷机为脉管制冷机或者热声制冷机。第一压力保护膜盒3内部的椭球形空腔横截面积为活塞6面积的两倍，其高度等于活塞6行程，第一弹性膜片3为0.5mm厚的氟橡胶膜，椭球形空腔的上半部分通过300个直径为0.5mm的小孔与制冷机1相连通，下半部分通过500个0.5mm的小孔与气缸6相连通；压力波发生器9为线性压力波发生器或者曲轴式压力波发生器，活塞直径为5cm，行程为8cm；第一压力平衡膜盒为直径12cm，高20cm的圆柱形腔体，弹性膜片距离靠制冷机侧的端面1.5cm，弹性膜片为1mm厚的硅胶膜。

实施例2

采用图1所示结构。回热式制冷机为脉管制冷机或者热声制冷机。第一压力保护膜盒3内部的椭球形空腔横截面积为活塞6面积的1倍，其高度等于活塞6行程，第一弹性膜片3为0.5mm厚的氟橡胶膜，椭球形空腔的上半部分通过300个直径为0.5mm的小孔与制冷机1相连通，下半部分通过500个0.5mm的小孔与气缸6相连通；压力波发生器9为线性压力波发生器或者曲轴式压力波发生器，活塞直径为5cm，行程为8cm；第一压力平衡膜盒为直径12cm，高20cm的圆柱形腔体，弹性膜片距离靠制冷机侧的端面1.5cm，弹性膜片为1mm厚的硅胶膜。

实施例3

采用图2所示结构。回热式制冷机为斯特林制冷机。因为斯特林制冷机有两个压力入口，压力波相位也有一定的要求，所以压力波发生器选用双缸的曲轴式压力波发生器，两个气缸可以同时提供不同的压力波，压力波的相位可以通过连接杆在曲轴上的位置来调节。压力波发生器活塞直径为50cm，行程为20cm。压力保护膜盒内部的椭球形空腔横截面积为活塞面积的100倍，其高度等于活塞行程的1/10，弹性膜片3为5mm厚的氟橡胶膜，椭球形空腔的上半部分通过300个直径为5mm的小孔与制冷机相连，下半部分通过500个5mm的小孔与制冷机气缸相连。压力平衡膜盒为直径100cm，高30cm的圆柱形腔体，弹性膜片距离靠制冷机侧的端面10cm，弹性膜片为2.5mm厚的铍青铜弹性波纹膜。

Claims (6)

1.一种用于回热式制冷机的油润滑无阀型往复式压力波发生装置，包括一油润滑无阀型压力波发生器(9)；和位于油润滑无阀型压力波发生器(9)出口端与回热式制冷机(1)入口端之间的第一弹性膜片(3)；其特征在于，所述第一弹性膜片(3)装于一盒壁上密布小孔的第一压力保护膜盒(2)中，所述第一压力保护膜盒(2)内腔呈椭球型，所述第一弹性膜片(3)将所述第一压力保护膜盒(2)的呈椭球型内腔等分成两部分；其中一部分与所述油润滑无阀型压力波发生器(9)的气缸出口相连通，另一部分与回热式制冷机(1)的入口相连通；

还包括：

位于油润滑无阀型压力波发生器(9)的背压腔(8)与回热式制冷机(1)出口端之间的第二弹性膜片(13)；所述弹性膜片(13)装于一盒壁上密布小孔的第二压力保护膜盒(12)中，所述第二压力保护膜盒(12)的内腔呈椭球型或圆柱型，所述第二弹性膜片(13)将所述第二压力保护膜盒(12)内腔分成两部分；其中，一部分通过管道与回热式制冷机(1)出口端相连通，另一部分通过管道与所述油润滑压力波发生器(9)的背压腔(8)相连通；所述第二压力平衡膜盒(12)与回热式制冷机(1)之间的连通管道上装有第一阀门(10)；所述第二压力平衡膜盒(12)和油润滑压力波发生器(9)的背压腔(8)之间的连通管道上装有第二阀门(11)。

2.按权利要求书1所述的用于回热式制冷机的油润滑无阀型往复式压力波发生器，其特征在于，所述的油润滑无阀型压力波发生器(9)为油润滑电磁驱动往复直线压力波发生器或油润滑曲轴连杆往复压力波发生器。

3.按权利要求书1所述的用于回热式制冷机的油润滑无阀型往复式压力波发生器，其特征在于，所述的回热式制冷机(1)为脉管制冷机、热声制冷机或斯特林制冷机。

4.按权利要求书1所述的用于回热式制冷机的油润滑无阀型往复式压力波发生器，其特征在于，所述的第一弹性膜片(3)为有机弹性膜片或金属弹性膜片；所述的第二弹性膜片(13)为有机弹性膜片或金属弹性膜片，其张力比第一弹性膜片(3)小一个量级。

5.按权利要求书1所述的用于回热式制冷机的油润滑无阀型往复式压力波发生器，其特征在于，所述的第一压力保护膜盒(2)内部的椭球形空腔的横截面积为所述油润滑无阀型压力波发生器(9)的活塞面积的1倍至100倍之间，椭球形空腔的高度为所述油润滑无阀型压力波发生器(9)的活塞工作位移量的0.1至1倍之间；所述第一压力保护膜盒(2)的小孔直径为0.5～5mm。

6.按权利要求书1所述的用于回热式制冷机的油润滑无阀型往复式压力波发生器，其特征在于，所述的第二压力平衡膜盒(12)内部腔体的横截面积为所述第一压力保护膜盒(2)的内部空腔的横截面积1-100倍之间，所述第二弹性膜片(13)将所述第二压力平衡膜盒(12)的腔体分成不相等的两部分，其中与回热式制冷机(1)出口端相连通的部分为与油润滑压力波发生器9相连通的部分容积0.1-1倍之间。

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