CN100491867C - 具有回热器的制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制冷机，其包括一壳体(2、14、19)、一圆柱形工作空间(15、21)、一圆柱形排出器(9、17)、一位于壳体与排出器之间的缝隙(36、38)、一位于排出器内的回热器和一用于以高压和低压工作气体交替供给工作空间的装置，为了消除与缝隙(36、38)中的气体流动相关的缺点，建议通过将一种具有高的热容量的材料嵌入至少一个围绕缝隙(36、38)的表面内，构造另一回热器即缝隙气体回热器(43)。

Description

具有回热器的制冷机
技术领域
本发明涉及一种制冷机，其包括一壳体、一圆柱形工作空间、一圆柱形排出器(
Figure C03814621D0004145853QIETU
)、一位于壳体与排出器之间的缝隙、一位于排出器内的回热器(Regenerator)和一用于以高压和低压工作气体交替供给工作空间的装置。
背景技术
制冷机是低温致冷机械，其中进行热动力循环过程(参阅例如US-PS 29 06 101)。一单级的制冷机基本上包括一具有一排出器的工作空间。工作空间交替地连接于一高压气源和一低压气源，从而在排出器的强制的往复运动中进行热动力循环过程(Stirling过程，Gifford-McMahon过程等)。其中将工作气体导入一闭合环路。结果是，从工作空间和排出器的一确定的区域夺走热。利用这种形式的双级制冷机和氦作为工作气体可以产生例如远低于10°K的温度。
制冷机的重要部件是回热器，工作气体在减压以前和以后流过回热器。回热器通常位于基本上圆柱形构成的排出器的内部。回热器材料首先必须具有良好的储热特性，以便在工作气体与回热器之间进行足够高的热交换。其次排出器，特别是排出器壳体和圆柱壳体均必须是不良导热的，因为否则在工作空间和排出器的冷却侧夺走的热通过热传导被迅速重新补偿。
已知，作为圆柱壳体的材料采用优质钢。优质钢在这里所谈到的很低的温度下具有很小的导热性。不过当将制冷机用于磁场的区域内时(例如在核自旋层析X射线摄影仪(Kernspintomographen)中)，作为材料则排除优质钢。在这种情况下圆柱壳体由Novetex(塑料浸渍的棉纤维)或具有类似特性的材料构成。Novetex特别用作排出器壳体的材料已证明是适用的。作为回热器材料已知青铜制的网、球或纤毛(优选用于第一级)和铅球(优选用于第二级)。
在这里所谈到的型式的制冷机中不可能避免也在壳体与排出器之间的缝隙内发生气体流。这同样具有不利的影响，其有助于排出器的冷端与热端之间的热交换。膨胀室(工作空间的冷端)中的热输入降低整个制冷机的效能。
为了保持通过缝隙的气体流小于通过回热器的气体流，在这里所谈到的型式的制冷机的设计师们至今沿循这样的方式，即，尽可能窄地构成这样的缝隙和/或采用密封件。这种方式的措施的耗费是很大的并从而是昂贵的。这时密封件尤其如此，其必须在极低的温度下实现其密封目的。它们通常由塑料构成，其随着渐增的操作时间而收缩。保持窄的公差带是不可能的。
由US-A-54 81 879已知一种开头所述型式的制冷机。为了减小与缝隙流相关的缺点，建议，或者在排出器的外表面或者在壳体的内表面配置一个或多个螺旋形凹槽。通过这样的措施可以使气体较长久地滞留在缝隙内，从而在流动的气体与邻接的构件之间发生更好的温度平衡。这种方案不利的是，缝隙也必须是较窄的，以便使气体可以螺旋形流动。此外，在气体与邻接的构件之间不能进行较快的热交换，因为如上所述，其不仅具有微小的导热性而且具有微小的储热容量。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种开头所述型式的制冷机，其中消除与缝隙流动相关的缺点。
为此，本发明提供一种制冷机，包括一壳体、一圆柱形工作空间、一圆柱形排出器、一位于壳体与排出器之间的缝隙、一位于排出器内的回热器和一用于以高压和低压工作气体交替供给工作空间的装置，其特征在于，通过将一种具有高的热容量的材料嵌入至少一个围绕缝隙的表面内，构造另一回热器即缝隙气体回热器。
通过按照本发明的措施，缝隙流被完全回收。在按照本发明的一制冷机中，通过将一种具有高的热容量的材料嵌入围绕缝隙的表面内，例如在排出器的外面和/或在圆柱壳体的内面上，提供围绕缝隙的表面的在现有技术中基本上不存在的储热能力或回收能力。制冷机的效能这样来改进，即，不仅使在膨胀室内不再发生不符合要求的热输入，而且通过回收的缝隙气体流量提高在现有技术中基本上唯一有效的流过排出器回热器的气体流量。
合乎目的的是，将缝隙气体回热器(Spaltgas-Regenerator)的储热能力确定成使缝隙气体流量随着冷却头的渐增的运行时间可以变得更大，而不导致冷却头的效能损失。在排出器与圆柱壁之间要求的密封作用在采用一缝隙气体回热器的情况下处于完全新的工作条件下。原则上多大的缝隙气体流量并不是重要的。只是必须始终有那么多的热输给缝隙气体回热器，即，缝隙气体流量基本上以膨胀室的温度达到膨胀室。按照本发明的制冷机可以很简单地构成；特别可以明显地简化密封或甚至于将其取消。除以简单的待实现的预定尺寸制造以外，人们还可以采用“标准密封圈”。由此冷却器变成便宜的、简单的和长寿命的。
特别有利的是，将本发明的构想应用于双级制冷机的第二级中。
有利地，所述制冷机构成为双级的并且其第二级配置有所述缝隙气体回热器。
有利地，所述缝隙气体回热器为一沿轴向方向的单层的线圈式绕组，该线圈式绕组在缝隙侧设置于排出器的壳体壁中和/或在缝隙侧设置于制冷机壳体的壳体壁中。
优选地，所述缝隙气体回热器安装于一空腔内，该空腔位于排出器的壳体中。
进一步优选地，所述空腔经由轴向间隔开的径向孔与缝隙连通，在径向孔通入缝隙的孔口之间设有一第一密封件，并且经由所述第一密封件的压力降大于经由所述缝隙气体回热器的压力降。
对于在第二级配置有所述缝隙气体回热器的双级制冷机，在上述优选方式中，可以进一步规定：用于缝隙气体回热器的空腔位于第二级的排出器的热端的区域内。
还可设置一第二密封件，该第二密封件相对于第一密封件的位置处在排出器的热端。
附图说明
其他的优点和细节将要借助附图1至4中所示的实施例加以说明。其中：
图1一按照现有技术的双级制冷机；
图2具有一按照本发明的缝隙气体回热器的局部剖面图；
图3按照本发明构成的单级制冷机；以及
图4用于构造一缝隙气体回热器的另一方案。
具体实施方式
图1中示出一种按照现有技术的双级Gifford-McMahon制冷机1。在壳体2内以未更详细示出的本来已知的方式安装一阀系统，其以一确定的顺序将一高压气源和一低压气源与通道5、6和7相连通，其中各气源连接到连接管3和4上。通道6通入一气缸8，其中具有一与制冷机的第一级11的排出器9在一起的驱动活塞12。不用活塞驱动，也可以采用曲柄传动。一相对气缸8的内壁密封活塞12的环以13标记。借助于这样的驱动使排出器9在由圆柱形壳体14构成的工作空间15内往复运动。通过销16，制冷机的第二级18的排出器17与第一级的排出器9相连接，从而第二级的排出器17也在由圆柱形壳体19构成的工作空间21内进行往复运动。整个系统的轴线以10标记。
排出器9和17构成为基本上圆柱形的。其壳体22和23构成空腔20a或20b，它们用作为回热器的安置。回热器包括例如在第一级中的青铜网和在第二级中的铅球。
经由通道5和7输入或排出工作气体。工作气体经由各孔24、通过排出器9的回热器和各孔37流入膨胀室25，后者是工作空间15的下面的部分。工作气体在那里膨胀并从制冷机的第一级的区域夺走热。预冷的气体继续通过第二级18的排出器17中孔27、通过位于该排出器17的内腔20b中的回热器和排出器17的下端的孔28流入第二级18的膨胀室29。在那里发生另一次膨胀以及冷却第二级的该区域的作用，从而在下一循环中再次流入回热器中的气体已被预冷却。密封圈31和32用于使排出器9和17相对于其所属的腔壁14和19密封，这两密封圈嵌入排出器壁的外凹槽33和34中。以36或38标记排出器9、17与工作空间15、21的圆柱形壳体14、19之间的缝隙。
图2是包括发明的一种方案的大大简化的示意图，其不仅可以用于按图1的制冷机的第一级而且可用于第二级。由双箭头41在回热器中(排出器9或17的空腔20a、20b中)或42(在缝隙36、38中)表示主气体流量和缝隙气体流量。为缝隙气体流量42配置一附加的回热器。该附加的回热器可以是一沿轴向方向单层的线圈式绕组，其在缝隙侧嵌入排出器9、17的壳体壁22、23中。其对于另一回热器43用于第一级9的情况由例如青铜构成，对于用于第二级的情况由例如铅构成。虽然还示出密封件31、32，但其不再必须满足高的密封要求。如果确保基本上完全回收缝隙气体流量，则甚至可以将其取消。
图3示出一制冷机1的单流道的实施形式。不同于按图2的方案，缝隙气体回热器43是制冷机壳体的壳体壁14的部件。如有必要，所述型式的缝隙气体回热器43也可设置在缝隙36、38的两侧。
最后，图4还示出一包括缝隙气体回热器43的实施形式，该缝隙气体回热器43在所示的实施形式中结合于第二级18的排出器17中，而且是在其端部的热区域内。为此在排出器17的壳体23内设置一空腔44，回热器材料位于其中。经由轴向间隔开的径向孔45、46，空腔44在入口侧和出口侧与缝隙38连通。在径向孔45、46通入缝隙38的孔口之间设有一第一密封件47。该第一密封件同样不必满足高的密封要求。其只须确保，由第一密封件47产生的压力差大于由回热器43产生的压力差。借此达到：由排出器17的热侧向其冷侧流过缝隙38的气体几乎完全流过回热器43，从而对于缝隙气体也发生符合要求的回收作用。
为了总体限制流过缝隙38的气体，在端面(热端)可以在缝隙38内设置一第二密封件48。不过在由第一密封件47和回热器43产生的流动阻力的优化设计中可以取消该密封(第二密封件)。
结合按图4的方案还有一变型是适宜的。腔44可以经由一大致轴向的孔直接与通道27连通。该方案的作用是，经由第一密封件47的压力差是小的，在取消孔45时尤其如此。

Claims (11)

1.制冷机(1)，包括一壳体(2、14、19)、一圆柱形工作空间(15、21)、一圆柱形排出器(9、17)、一位于壳体与排出器之间的缝隙(36、38)、一位于排出器内的回热器和一用于以高压和低压工作气体交替供给工作空间的装置，其特征在于，通过将一种具有高的热容量的材料嵌入至少一个围绕缝隙(36、38)的表面内，构造另一回热器即缝隙气体回热器(43)。
2.按照权利要求1所述的制冷机，其特征在于，所述制冷机构成为双级的并且其第二级配置有所述缝隙气体回热器(43)。
3.按照权利要求1或2所述的制冷机，其特征在于，所述缝隙气体回热器(43)为一沿轴向方向的单层的线圈式绕组，该线圈式绕组在缝隙侧设置于排出器的壳体壁(22、23)中和/或在缝隙侧设置于制冷机壳体的壳体壁(14、19)中。
4.按照权利要求2所述的制冷机，其特征在于，所述缝隙气体回热器(43)安装于一空腔(44)内，该空腔位于排出器(9、17)的壳体(22、23)中。
5.按照权利要求4所述的制冷机，其特征在于，所述空腔(44)经由轴向间隔开的径向孔(45、46)与缝隙(36、38)连通，在径向孔(45、46)通入缝隙(36、38)的孔口之间设有一第一密封件(47)，并且经由所述第一密封件(47)的压力降大于经由所述缝隙气体回热器(43)的压力降。
6.按照权利要求5所述的制冷机，其特征在于，用于缝隙气体回热器(43)的空腔(44)位于第二级的排出器(17)的热端的区域内。
7.按照权利要求6所述的制冷机，其特征在于，设有一第二密封件(48)，该第二密封件相对于第一密封件(47)的位置处在排出器(17)的热端。
8.按照权利要求4所述的制冷机，其特征在于，用于缝隙气体回热器(43)的空腔(44)位于第二级的排出器(17)的热端的区域内。
9.按照权利要求1所述的制冷机，其特征在于，所述缝隙气体回热器(43)安装于一空腔(44)内，该空腔位于排出器(9、17)的壳体(22、23)中。
10.按照权利要求9所述的制冷机，其特征在于，所述空腔(44)经由轴向间隔开的径向孔(45、46)与缝隙(36、38)连通，在径向孔(45、46)通入缝隙(36、38)的孔口之间设有一第一密封件(47)，并且经由所述第一密封件(47)的压力降大于经由所述缝隙气体回热器(43)的压力降。
11.按照权利要求10所述的制冷机，其特征在于，设有一第二密封件(48)，该第二密封件相对于第一密封件(47)的位置处在排出器(17)的热端。
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