CN103047789B - 一种带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，特点是调相装置为带动质量模块调相装置，该带动质量模块调相装置可包括依次连接于脉管热端换热器的动质量模块、阀门和气库；也可包括依次连接于脉管热端换热器的动质量模块、阀门和气库；换可以包括依次连接于脉管热端换热器的阀门、惯性管、动质量模块和气库；动质量模块均由装于气缸内的动质量活塞；和通过中心连接杆连接动质量活塞的支撑弹簧组成；本发明依靠动质量模块惯性、惯性管或阀门阻力等形成压力波动相位领先体积流率的阻抗边界调节；相对于传统调相装置，动质量块能够利用自身惯性形成较高相角，进而在脉冲管制冷机核心部件回热器中产生较好声学阻抗关系，从而提高制冷机性能。

Description

一种带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机
技术领域
本发明涉及低温制冷机技术领域中的斯特林型脉冲管制冷机，特别是一种工作于40K以下温区的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机。
背景技术
随着现代信息技术、空间技术、超导电子学、红外探测、低温生物医学等行业飞速发展，尤其是低温电子学器件及低温超导磁体在各领域的推广应用，促进了用于直接冷却器件或者装置的小型低温制冷机的发展。
相比于G-M制冷机或斯特林制冷机，脉冲管制冷机在冷端采用脉冲管结构，去除了排出器，具有结构简单、振动小、可靠性高和寿命长等优点。而斯特林型脉冲管制冷机采用无阀压缩机产生的压力波驱动，制冷侧气体经过压缩与膨胀热力过程，从而产生制冷效应,具有体积小、效率高等优点。
研究表明，脉冲管制冷机中压力波动与制冷工质的体积流率的阻抗匹配关系对于提升制冷机的制冷性能非常重要，尤其在回热器中部附近的压力波动与制冷工质的体积流率处于同相时，回热器内流动损失最小，因此需在脉冲管热端压力相位大约需要领先制冷工质的体积流率60°，并且对于一定的压力波动值，制冷工质的体积流率的大小也需要处于一定范围。传统调相机构包括小孔气库、双向进气、惯性管等。选择合适的调相机构已经成为提升脉冲管制冷机制冷性能的一个关键途径。然而对于工作于40K以下温区小冷量脉冲管制冷机，在脉冲管热端耗散声功较小，即使采用小孔阀门、双向进气与惯性管结合的方式仍不能提供所需的最佳相角。影响相角改善的主要原因在于调相机构所提供惯性过小，而粘性阻力损失较大。
而在调相机构中引入动质量结构，将有效利用动质量运动所产生的惯性，提供更大范围的阻抗调节。
根据力学平衡方程，采用动质量块调相机构所获得阻抗为：
ΔP U 1 = ( R m + iωm - iK / ω ) A 2
式中Rm、m、K、ω、A分别为机械阻尼、动质量块质量、支撑弹簧弹性系数、角频率以及活塞面积。ΔP为压力波动值，U1为制冷工质的体积流率。
从式中可以，通过改变动质量块质量m及活塞面积A值大小，可以获得大范围的阻抗虚部值。配合阀门或者惯性管提供的阻抗特性，完全可以满足低温区小冷量脉冲管制冷机的调相要求。这一结构不仅能够提高系统性能，同时避免采用双向进气等结构，进一步提高了制冷机适用性。
发明内容
本发明目的在于提供一种带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，通过在调相装置内引入动质量模块，动质量模块位于室温端换热器侧脉侧，充分利用动质量模块往复运动时产生的惯性力，组成高效的调相装置，为回热器提供合适的声场条件，使得系统制冷效率得以提升；还可消除双向进气，有效避免Gedeon直流的影响；其制冷机寿命得到大幅提高。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机有三种结构形式：
其结构之一是：本发明提供的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，其由依次相连的压力波发生器1、室温端换热器2、回热器3，冷端换热器4、冷头连接管5、脉冲管6、脉管热端换热器7及调相装置组成；所述调相装置通过连接管与脉管热端换热器7相连；所述压力波发生器1通过连接管与室温端换热器2相连；其特征在于，所述调相装置为带动质量模块调相装置，该带动质量模块调相装置包括依次连接于脉管热端换热器7的动质量模块8、阀门9和气库11；所述动质量模块8由一气缸13，装于气缸13内的动质量活塞12，和通过中心连接杆14连接动质量活塞12的支撑弹簧15组成，所述中心连接杆14两端分别连接于所述支撑弹簧15与动质量活塞12的轴向中心；所述动质量模块8的支撑弹簧15位于所述气缸13之内。所述的带动质量模块调相装置还包括安装于阀门9和气库11之间的惯性管10。所述的动质量活塞12与气缸13的气缸壁之间留有间隙，该间隙同时起到密封作用和隔绝动质量活塞12两侧气体作用。
其结构之二是：本发明提供的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，其由依次相连的压力波发生器1、室温端换热器2、回热器3，冷端换热器4、冷头连接管5、脉冲管6、脉管热端换热器7及调相装置组成；所述调相装置通过连接管与脉管热端换热器7相连；所述压力波发生器1通过连接管与室温端换热器2相连；其特征在于，所述调相装置为带动质量模块调相装置，该带动质量模块调相装置包括依次连接于脉管热端换热器7的动质量模块8、惯性管10和气库11；所述动质量模块8由一气缸13，装于气缸13内的动质量活塞12，和通过中心连接杆14连接所述动质量活塞12的支撑弹簧15组成，所述中心连接杆14两端连接于所述支撑弹簧15与动质量活塞12的轴向中心。所述的动质量活塞12与气缸13的气缸壁之间留有间隙，该间隙同时起到密封作用和隔绝动质量活塞12两侧气体作用。
其结构之三是：本发明提供的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，其由依次相连的压力波发生器1、室温端换热器2、回热器3，冷端换热器4、冷头连接管5、脉冲管6、脉管热端换热器7及调相装置组成；所述调相装置通过连接管与脉管热端换热器7相连；所述压力波发生器1通过连接管与室温端换热器2相连；其特征在于，所述调相装置为带动质量模块调相装置，所述调相装置为带动质量模块调相装置，该带动质量模块调相装置包括依次连接于脉管热端换热器7的阀门9、惯性管10、动质量模块8和气库11；所述动质量模块8由一气缸13，装于气缸13内的动质量活塞12，和通过中心连接杆14连接所述动质量活塞12的支撑弹簧15组成，所述中心连接杆14两端连接于所述支撑弹簧15与动质量活塞12的轴向中心；所述动质量模块8的支撑弹簧15位于所述气库11之内。所述动质量活塞12与气缸13的气缸壁之间留有间隙，该间隙同时起到密封作用和隔绝动质量活塞12两侧气体作用。
本发明的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，将可运动的动质量模块8作为调相装置的一部分，动质量模块8提供制冷机调相所需的惯性部分，阀门9或者惯性管10提供调相机构所需的粘性阻力，与气库11共同组成调相机构。
本发明的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，其优点如下：
1、采用阀门或者惯性管提供阻力，充分利用了动质量模块往复运动时产生的惯性力，组成高效的调相装置，为回热器提供合适的声场条件，使得系统制冷效率得以提升；
2、消除了双向进气等结构，有效避免了Gedeon直流的影响；
3、低温区域消除运动部件，采用脉管使得动质量模块运动在室温区域，可靠性及寿命得到大幅提高，传递到冷头负载的振动减小。
附图说明
图1是一种带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机（实施例1）的结构示意图；
图2是动质量模块8的具体结构示意图；
图3是另一种带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机机（实施例2）的结构示意图；
图4是再一种带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机（实施例3）的结构示意图；
图5是实施例4的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
本实施例1的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，如图1所示，其由依次相连的压力波发生器1、室温端换热器2、回热器3，冷端换热器4、冷头连接管5、脉冲管6、脉管热端换热器7及调相装置组成；调相装置通过连接管与脉管热端换热器7相连；压力波发生器1通过连接管与室温端换热器2相连；如图2所示，本实施例调相装置为带动质量模块调相装置，该带动质量模块调相装置包括依次连接于脉管热端换热器7的动质量模块8、阀门9和气库11；如图2所示，动质量模块8由一气缸13，装于气缸13内的动质量活塞12；和通过中心连接杆14连接动质量活塞12的支撑弹簧15组成，所述中心连接杆14两端分别连接于所述支撑弹簧15与动质量活塞12的轴向中心；所述动质量模块8的支撑弹簧15位于所述气缸13之内。所述的动质量活塞12与气缸13的气缸壁之间留有间隙，用以降低摩擦，以及隔绝两侧气体。
实施例2：
实施例2的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，如图3所示，所述的带动质量模块调相装置还包括安装于阀门9和气库11之间的惯性管10。其余与实施例相同。动质量活塞12依靠支撑板簧15以及中心连接杆14进行悬臂支撑，在压力波动的驱动下，可作往复运动；动质量活塞12与气缸13的气缸壁之间采用间隙密封，用以隔绝两侧气体，同时动质量活塞12表面涂有自润滑材料，用以降低摩擦。
实施例3：
实施例3的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，如图4所示，其由依次相连的压力波发生器1、室温端换热器2、回热器3，冷端换热器4、冷头连接管5、脉冲管6、脉管热端换热器7及调相装置组成；所述调相装置通过连接管与脉管热端换热器7相连；所述压力波发生器1通过连接管与室温端换热器2相连；所述调相装置为带动质量模块调相装置，所述调相装置为带动质量模块调相装置，该带动质量模块调相装置包括依次连接于脉管热端换热器7的动质量模块8、惯性管10和气库11；所述动质量模块8由一气缸13，装于气缸13内的动质量活塞12；和通过中心连接杆14连接所述动质量活塞12的支撑弹簧15组成，所述中心连接杆14两端连接于所述支撑弹簧15与动质量活塞12的轴向中心；动质量活塞12与气缸13的气缸壁之间采用间隙密封，用以隔绝两侧气体，同时动质量活塞12表面涂有自润滑材料，用以降低摩擦。
实施例4：
实施例4的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，如图5所示，其由依次相连的压力波发生器1、室温端换热器2、回热器3，冷端换热器4、冷头连接管5、脉冲管6、脉管热端换热器7及调相装置组成；所述调相装置通过连接管与脉管热端换热器7相连；所述压力波发生器1通过连接管与室温端换热器2相连；所述调相装置为带动质量模块调相装置，所述调相装置为带动质量模块调相装置，该带动质量模块调相装置包括依次连接于脉管热端换热器7的阀门9、惯性管10、动质量模块8和气库11；所述动质量模块8由一气缸13，装于气缸13内的动质量活塞12；和通过中心连接杆14连接所述动质量活塞12的支撑弹簧15组成，所述中心连接杆14两端连接于所述支撑弹簧15与动质量活塞12的轴向中心；所述动质量模块8的支撑弹簧15位于所述气库11之内。动质量活塞12与气缸13的气缸壁之间采用间隙密封，用以隔绝两侧气体，同时动质量活塞12表面涂有自润滑材料，用以降低摩擦。在压力波发生器1产生压力波动，推动氦气工质作往复运动，在回热器3内产生制冷效应，将冷端换热器4中热量搬运至室温端换热器2中，由此在冷端换热器4产生一定制冷量。
在压力波发生器1提供制冷机工作所需要的动力，产生正铉压力波动，推动氦气工质作往复运动，在回热器3内产生制冷效应，将冷端换热器4中热量搬运至室温端换热器2中，由此在冷端换热器4产生一定制冷量。为减小回热器3中阻力，改善回热器3中功热转换性能，需在脉冲管热端换热器7处产生压力波动领先于气体体积流率的相位关系，同时消耗部分声功，压力波动与体积流率之间的阻抗关系直接决定了制冷性能。因此，调相装置的选择是提高脉冲管制冷机的关键途径之一。
本发明中，在调相机构中引入了动质量模块8。动质量模块8核心部为动质量活塞12，其在压力波动的驱动下运动，依靠其本身质量产生一定的惯性；阀门9、惯性管10等具有一定的粘性阻力，气体流经后耗散部分声功；这三者的组合形成了压力波动相位领先于气体体积流率的关系，同时形成合适的阻抗幅值。
动质量模块8的具体结构如图2所示。具体结构依次包括动质量活塞12、气缸壁13、连接杆14、支撑板簧15等。其中动质量活塞12依靠支撑板簧以及连接杆14进行悬臂支撑，在压力波动的驱动下，可作往复运动。动质量活塞12与气缸壁13之间采用间隙密封，用以隔绝两侧气体，同时动质量活塞12表面涂有自润滑材料，用以降低摩擦。

Claims (7)

1.一种带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，其由依次相连的压力波发生器(1)、室温端换热器(2)、回热器(3)，冷端换热器(4)、冷头连接管(5)、脉冲管(6)、脉管热端换热器(7)及调相装置组成；所述调相装置通过连接管与脉管热端换热器(7)相连；所述压力波发生器(1)通过连接管与室温端换热器(2)相连；其特征在于，所述调相装置为带动质量模块调相装置，该带动质量模块调相装置包括依次连接于脉管热端换热器(7)的动质量模块(8)、阀门(9)和气库(11)；所述动质量模块(8)由一气缸(13)，装于气缸(13)内的动质量活塞(12)，和通过中心连接杆(14)连接动质量活塞(12)的支撑弹簧(15)组成，所述中心连接杆(14)两端分别连接于所述支撑弹簧(15)与动质量活塞(12)的轴向中心；所述动质量模块的支撑弹簧(15)位于所述气缸(13)之内。
2.按权利要求1所述的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，其特征在于，所述的带动质量模块调相装置还包括安装于阀门(9)和气库(11)之间的惯性管(10)。
3.按权利要求1所述的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，其特征在于，所述的动质量活塞(12)与气缸(13)的气缸壁之间留有间隙，该间隙同时起到密封作用和隔绝动质量活塞两侧气体作用。
4.一种带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，其由依次相连的压力波发生器(1)、室温端换热器(2)、回热器(3)，冷端换热器(4)、冷头连接管(5)、脉冲管(6)、脉管热端换热器(7)及调相装置组成；所述调相装置通过连接管与脉管热端换热器(7)相连；所述压力波发生器(1)通过连接管与室温端换热器(2)相连；其特征在于，所述调相装置为带动质量模块调相装置，该带动质量模块调相装置包括依次连接于脉管热端换热器(7)的动质量模块(8)、惯性管(10)和气库(11)；所述动质量模块(8)由一气缸(13)，装于气缸(13)内的动质量活塞(12)，和通过中心连接杆(14)连接所述动质量活塞(12)的支撑弹簧(15)组成，所述中心连接杆(14)两端连接于所述支撑弹簧(15)与动质量活塞(12)的轴向中心。
5.按权利要求4所述的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，其特征在于，所述的动质量活塞(12)与气缸(13)的气缸壁之间留有间隙，该间隙同时起到密封作用和隔绝动质量活塞两侧气体作用。
6.一种带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，其由依次相连的压力波发生器(1)、室温端换热器(2)、回热器(3)，冷端换热器(4)、冷头连接管(5)、脉冲管(6)、脉管热端换热器(7)及调相装置组成；所述调相装置通过连接管与脉管热端换热器(7)相连；所述压力波发生器(1)通过连接管与室温端换热器(2)相连；其特征在于，所述调相装置为带动质量模块调相装置，该带动质量模块调相装置包括依次连接于脉管热端换热器(7)的阀门(9)、惯性管(10)、动质量模块(8)和气库(11)；所述动质量模块(8)由一气缸(13)，装于气缸(13)内的动质量活塞(12)，和通过中心连接杆(14)连接所述动质量活塞(12)的支撑弹簧(15)组成，所述中心连接杆(14)两端连接于所述支撑弹簧(15)与动质量活塞(12)的轴向中心；所述动质量模块(8)的支撑弹簧(15)位于所述气库(11)之内。
7.按权利要求6所述的带动质量模块调相装置的斯特林型脉冲管制冷机，其特征在于，所述动质量活塞(12)与气缸(13)的气缸壁之间留有间隙，该间隙同时起到密封作用和隔绝动质量活塞两侧气体作用。
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