CN105823255B - 一种脉管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制冷技术领域，提供了一种脉管制冷机。该脉管制冷机包括压缩机和热声转换部件，热声转换部件包括依次连接的主散热器、回热器和低温换热器，低温换热器远离回热器的一端通过隔热散热管道连接气缸；气缸和声功吸收器连通，且气缸内设置有活塞和弹簧；活塞通过弹簧与气缸连接，且在受力时，活塞以及弹簧沿着所述气缸缸筒的轴向运动。本方案中活塞和弹簧组成振子，通过调整活塞的质量和弹簧的刚度，可以使隔热散热管道靠近气缸的端部处压力和速度之间的相位差满足特定关系，进而在回热器内获得行波，从而在避免出现直流或者无法适应于较小的制冷机等情况的前提下，进一步提高制冷性能的脉管制冷机。

Description

一种脉管制冷机
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机是一种重要的制冷机结构，在航空、航天、军事、弱电超导等领域有着重要的应用。
脉管制冷机要想获得良好的制冷性能，其中的一个关键因素是在回热器内获得理想的相位关系，而调相部件就是为了调节回热器内的相位关系。不同种类的调相部件所能够实现的相位关系的理想程度是不一样的，因此采用不同的调相部件时制冷机所能够达到的性能是不同的。
最早的脉管制冷机没有专门的调相部件，回热器内的声场为驻波，即压力和速度的相位差接近90度，在相同的制冷量情况下，流动损失最大，因此性能最差。
此后人们发明了小孔型脉管制冷机，小孔和气库的联合作用，可以使回热器内的压力和体积流相位角减小，因此流动损失减小，制冷性能获得大幅提升。
图1给出了一种小孔型脉管制冷机的结构，该小孔型脉管制冷机主要由直线压缩机(图中只画出了直线压缩机的活塞1)和热声转换部件组成。热声转换部件主要包括主散热器2、回热器3、低温换热器4、热缓冲管5、次散热器6和调相部件。其中，调相部件为小孔阀9和气库10的组合。
图1中的脉管制冷机，其直线压缩机利用交流电在线圈内感应出交变磁场，推动活塞1做往复直线运动，产生压力波，将电能转化为声波形式的机械能。声波进入热声转换部件后在低温换热器4内吸收热量，之后经过回热器3并在主散热器2内将热量散入环境当中，从而产生制冷效果。
其中，与传统曲轴结构的旋转压缩机相比，直线压缩机因为采用板簧或者气体轴承支撑技术，活塞和气缸之间没有任何摩擦，所以不但电声转换效率非常高，而且使用寿命也大为延长。此外，图1中的脉管制冷机热声转换部件完全由换热器和管件组成，没有任何机械运动部件，并且制冷效率较高，因此二者的组合构成了一种高效、结构紧凑、长寿命的低温制冷机。
但是小孔型脉管制冷机存在的问题是其压力和速度依然存在一定的相位差，从而其制冷性能还有待提高。
在此基础上，后来又有人发明了双向进气型脉管制冷机和惯性管型脉管制冷机，这两种调相方式都可以在回热器内获得行波相位，即压力和速度的相位差为零度。在相同的制冷量情况下，这两种脉管制冷机流动损失最小，因此制冷机性能再次获得提升。但这两种脉管制冷机的调相方式也有自己不足的地方：双向进气型脉管制冷机容易导致直流流动，反而恶化制冷机性能；惯性管型脉管制冷机的惯性管调相能力在其直径比较小时是有限的，在比较小的制冷机中仍然不能实现所需要的相位关系。
综上所述，现有脉管制冷机的调相方式均存在不足，有的难以使回热器获得理想的行波相位，有的虽然可以获得理想的相位关系，但同时会带来其他类似直流、无法适应于较小的制冷机等问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题就是提供一种可以相对现有技术进一步提高制冷性能的脉管制冷机，在获得理想的行波相位的同时，避免出现直流或者无法适应于较小的制冷机等问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种脉管制冷机，包括压缩机和热声转换部件，所述热声转换部件包括依次连接的主散热器、回热器和低温换热器，所述低温换热器远离所述回热器的一端通过隔热散热管道连接气缸；所述气缸和声功吸收器连通，且所述气缸内设置有活塞和弹簧；所述活塞通过所述弹簧与所述气缸连接，且在受力时，所述活塞以及所述弹簧沿着所述气缸缸筒的轴向运动。
优选地，所述隔热散热管道包括热缓冲管和次散热器；且所述低温换热器、热缓冲管、次散热器和气缸依次连接。
优选地，所述隔热散热管道包括连接管和隔热散热块；所述连接管的一端和所述低温换热器连接，另一端和所述气缸连接；所述隔热散热块固定在所述活塞靠近所述低温换热器的一侧。
优选地，沿着远离所述低温换热器的方向上，所述气缸被所述活塞的运动行程分为第一区段、第二区段和第三区段；所述活塞运动行程与所述第二区段相对应；所述声功吸收器和所述第一区段连通。
优选地，沿着远离所述低温换热器的方向上，所述气缸被所述活塞的运动行程分为第一区段、第二区段和第三区段；所述活塞运动行程与所述第二区段相对应；所述声功吸收器和所述第三区段连通。
优选地，所述弹簧的数量为一根，且位于所述活塞远离所述低温换热器的一侧。
优选地，所述弹簧的数量为两根，且分别位于所述活塞的两侧。
优选地，所述压缩机为直线压缩机。
优选地，所述声功吸收器为惯性管。
优选地，所述声功吸收器为小孔阀和气库的组合，且所述气缸通过所述小孔阀与所述气库连接。
(三)有益效果
本发明的技术方案具有以下优点：本发明的脉管制冷机，包括压缩机和热声转换部件，所述热声转换部件包括依次连接的主散热器、回热器和低温换热器，所述低温换热器远离所述回热器的一端通过隔热散热管道连接气缸；所述气缸和声功吸收器连通，且所述气缸内设置有活塞和弹簧；所述活塞通过所述弹簧与所述气缸连接，且在受力时，所述活塞以及所述弹簧沿着所述气缸缸筒的轴向运动。通常为了使脉管制冷机获得好的制冷性能，就要在回热器内获得行波相位，对应地，在次散热器处要获得的压力与速度之间的相位差要满足特定的角度关系。一般而言，当隔热散热管道靠近气缸的端部处，压力与速度之间的相位差为60度左右时，在回热器内可以获得行波相位。本方案中活塞和弹簧组成振子，通过调整活塞的质量和弹簧的刚度，可以使隔热散热管道靠近气缸的端部处压力和速度之间的相位差满足特定关系，进而在回热器内获得行波，从而在避免出现直流或者无法适应于较小的制冷机等情况的前提下，进一步提高制冷性能的脉管制冷机。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术的脉管制冷机的结构示意图；
图2是实施例一的脉管制冷机的结构示意图；
图3是实施例二的脉管制冷机的结构示意图；
图4是实施例三的脉管制冷机的结构示意图；
图中：1、电机执行部件；2、主散热器；3、回热器；4、低温换热器；5、热缓冲管；6、次散热器；7、活塞；8、弹簧；9、小孔阀；10、气库；11、隔热散热块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
脉管制冷机一般包括压缩机和热声转换部件。其中，压缩机的作用在于通过压缩机内部的活塞产生声波，并将声波传递到热声转换部件中。热声转换部件一般包括依次连接的主散热器、回热器和低温换热器。受到声波的推动和挤压，工作介质在低温换热器内膨胀吸收热量，随后运动到主散热器内被挤压收缩，放出热量；热量被主散热器释放到环境中，然后工作介质回到低温换热器内重新膨胀吸热，如此周而复始，不断地将热量从低温换热器搬运到主散热器，实现制冷过程。
在此基础上，为了保证脉管制冷机的制冷效果，低温换热器远离所述回热器的一端通过隔热散热管道连接调相部。而调相部最好的工作状态就是使得回热器内可以获得行波相位。为了在回热器内获得行波相位，需要在隔热散热管道远离回热器的端部处，压力与速度之间的相位差为60度左右。
为了满足上述要求，本申请将隔热散热管道和气缸连接，并且气缸中设置有活塞和弹簧；所述活塞通过所述弹簧与所述气缸连接，且在受力时，所述活塞以及所述弹簧沿着所述气缸缸筒的轴向运动。本申请中的气缸及其内部的活塞和弹簧组成调相部。通过调整活塞的质量和弹簧的刚度，可以使活塞表面的压力领先于体积流60度左右的相位角，进而使得隔热散热管道远离回热器的端部处，压力与速度之间的相位差为60度左右。
需要说明的是，根据隔热散热管道自身及脉管制冷机其它结构的不同选择，隔热散热管道远离回热器的端部处，最优化的压力与速度之间的相位差值也可能有所不同。本申请中的活塞和弹簧的调整最终目的是为了使得回热器中获得行波从而提高脉管制冷机的制冷效率，只要满足该要求，那么对隔热散热管道远离回热器的端部处，压力与速度之间的相位差值并不作特定要求。
下面提供三个实施例对本申请的脉管制冷机进行说明。
实施例一
请参见图2，本实施例一的脉管制冷机，包括依次连接的压缩机、主散热器2、回热器3、低温换热器4、隔热散热管道和气缸。其中，隔热散热管道包括热缓冲管5和次散热器6；且所述低温换热器4、热缓冲管5、次散热器6和气缸依次连接。
在此基础上，声波在系统内由左向右传播，从而最后有一部分声功从次散热器6向右流出。而活塞7弹簧8组成的振子不能吸收此声功，因此必须有另一部件来吸收或者耗散此部分声功。因此，本实施例一中，需要将气缸和声功吸收器连接。
需要说明的是，由于气缸的设置，因此声功吸收器无法直接和次散热器6连接。本实施例通过将声功吸收器和气缸连接，从而起到对次散热器6中声功吸收、耗散的目的。
本实例中，沿着远离所述低温换热器4的方向上(图2中从左向右)，气缸被活塞7的运动行程分为第一区段、第二区段和第三区段。其中，活塞7的运动行程与第二区段相对应。也即，活塞7在左侧极限位置正好位于第一区段和第二区段的分界处，而活塞7在右侧的极限位置正好位于第二区段和第三区段的分界处。在此基础上，活塞7只在第二区段内运动。而声功吸收器可以和气缸的包括第一区段、第二区段和第三区段在内的任意区段连接。
请进一步参见图2，本实施例一将声功吸收器和气缸的第一区段连接，并且声功吸收器采用小孔阀9和气库10的组合。图2中，第一区段通过所述小孔阀9与所述气库10连接，并且小孔阀9和气库10的组合设置在第一区段的下方。显然，小孔阀9和气库10的组合还可以设置在第一区段的任何方位，只要满足其和第一区段之间的连接关系即可。
如果单从调相的角度来看，小孔阀9和气库10的组合起到了负面的作用，因此在选择活塞7和弹簧8的时候，可以综合考虑小孔阀9和气库10的组合的调相作用。具体地，小孔阀9和气库10的组合产生的声场相位压力是落后于体积流的，因此活塞7和弹簧8在次散热器6处构建的压力与速度的相位差，以及小孔阀9和气库10的组合在在次散热器6处构建的压力与速度的相位差综合在一起，使得次散热器6处压力领先于速度60度的相位关系。
具体地，次散热器6处的阻抗Zexp可以表示为：
其中Zori为小孔阀9和气库10组合的阻抗，Zmech为活塞7和弹簧8组合的机械阻抗，A为活塞7面积。通过调整Zori、Zmech和A的关系，使得Zexp的相位角为60度，就可以使得次散热器6压力领先速度60度。
本实施例一中活塞7和弹簧8组成振子，通过调整活塞7的质量和弹簧8的刚度，可以使次散热器6处压力和速度之间的相位差满足特定关系，进而在回热器3内获得行波，从而在避免出现直流或者无法适应于较小的制冷机等情况的前提下，进一步提高制冷性能的脉管制冷机。
进一步参见图2，气缸内弹簧8的数量为一根，且位于所述活塞7远离所述次散热器6的一侧，也即图2中的右侧。
需要说明的是，弹簧8的数量以及分布并不受图示的限制。很显然，弹簧8可以沿着活塞7的左右两侧分布，并且活塞7左侧和右侧弹簧8的数量均可以是任意根。
此外，本实施例一中，弹簧8除了是图2中的结构形式之外，也可以采用牛津板簧，从而对活塞7起到支撑作用，使活塞7可以在气缸内沿着缸筒轴向左右方向运动，而在径向方向活塞7不产生位移。经过精心的设计，活塞7和气缸之间可以始终保持微小(百分之一毫米的量级)的间隙而互不接触，从而消除了摩擦。
值得一提的是，本实施例一的压缩机优选采用直线压缩机(图2中未示出，仅仅给出了电机执行部件1，也即直线压缩机的活塞7)。
实施例二
请参见图3，和实施例一不同之处在于，本实施例二的声功吸收器和气缸的第三区段连接。图3中，声功吸收器位于气缸第三区段的右侧。当然，本实施例二中的声功吸收器也可以设置在第三区段任意位置，只要满足其和第三区段的连接关系即可。
本实施例二中，声功从次散热器6向右流出，经过活塞7向右传递，由小孔阀9和气库10的组合耗散。
在理论上，次散热器6处的阻抗Zexp可以表示为：
Zexp＝Zori+Zmech/A2
通过调整Zori，Zmech，A三者使Zexp的相位角为60度，就可以使得次散热器6处的压力领先速度60度。
此外，图3中与活塞7连接的弹簧8为牛筋板簧，并且应当理解，弹簧8不受附图的限制。
实施例三
请参见图4，和实施例一和实施例二均不同的是，本实施例三的隔热散热管道包括连接管和隔热散热块11。其中，连接管的一端和低温换热器4连接，另一端和气缸连接。所述隔热散热块11固定在活塞7靠近所述低温换热器4的一侧。
本实施例三中，采用连接管和隔热散热块11代替热缓冲管5和次散热器6，同样可以减少低温换热器4与处于室温的活塞7之间的导热损失。在此基础上，由于活塞7的左侧连接了隔热散热块11，因此本实施例三中的弹簧8只能设置在活塞7的右侧，也即活塞7远离低温换热器4的一侧。
本实施例三中活塞7和弹簧8组成振子，通过调整活塞7的质量和弹簧8的刚度，可以使得隔热散热块11处压力和速度之间的相位差满足特定关系，进而在回热器3内获得行波，从而在避免出现直流或者无法适应于较小的制冷机等情况的前提下，进一步提高制冷性能的脉管制冷机。
需要说明的是，隔热散热管道不受是上述实施例列举的限制。在满足低温换热器4到气缸之间隔热和散热要求的前提下，任何隔热散热管道的形式都应当包括在本申请当中。
此外，声功吸收器同样不局限为图示中的小孔阀9和气库10的组合，例如，还可以采用惯性管的形式。并且，在满足吸收或者耗散声功的前提下，任何形式的声功吸收器都应当包含在本申请当中。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种脉管制冷机，包括压缩机和热声转换部件，所述热声转换部件包括依次连接的主散热器、回热器和低温换热器，其特征在于，所述低温换热器远离所述回热器的一端通过隔热散热管道连接气缸；所述气缸和声功吸收器连通，且所述气缸内设置有活塞和弹簧；所述活塞通过所述弹簧与所述气缸连接，且在受力时，所述活塞以及所述弹簧沿着所述气缸缸筒的轴向运动；所述隔热散热管道包括连接管和隔热散热块；所述连接管的一端和所述低温换热器连接，另一端和所述气缸连接；所述隔热散热块固定在所述活塞靠近所述低温换热器的一侧。
2.根据权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于，沿着远离所述低温换热器的方向上，所述气缸被所述活塞的运动行程分为第一区段、第二区段和第三区段；所述活塞运动行程与所述第二区段相对应；所述声功吸收器和所述第一区段连通。
3.根据权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于，沿着远离所述低温换热器的方向上，所述气缸被所述活塞的运动行程分为第一区段、第二区段和第三区段；所述活塞运动行程与所述第二区段相对应；所述声功吸收器和所述第三区段连通。
4.根据权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于，所述弹簧的数量为一根，且位于所述活塞远离所述低温换热器的一侧。
5.根据权利要求2所述的脉管制冷机，其特征在于，所述弹簧的数量为两根，且分别位于所述活塞的两侧。
6.根据权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于，所述压缩机为直线压缩机。
7.根据权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于，所述声功吸收器为惯性管。
8.根据权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于，所述声功吸收器为小孔阀和气库的组合，且所述气缸通过所述小孔阀与所述气库连接。
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