CN106091461A - 高增益节能式深冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高增益节能式深冷机，它包括氦压缩机（1）和膨胀机，所述膨胀机包括通过进气管（2）与氦压缩机连通的高压腔（3），所述高压腔末端固接有带有冷头换热器（4）的气缸（5），所述高压腔内置有由电机（6）和传动轴（7）驱动的开口正对进气管的填充腔体（8），所述填充腔体末端通过波纹管（9）固接有可在气缸内上下移动的活塞（10），所述活塞内开设有高压进气通道（11）和低压排气通道（12）。本发明的有益效果是膨胀机膨胀力的来源由电机和高压氦气共同提供，可实现工业生产对大抽速的追求，对高压氦气的利用度高，当高压氦气充满高压腔后既可以实现对氦气的循环利用，提高单位时间内的制冷效率，降低氦气的损失量。

Description

高增益节能式深冷机
技术领域
本发明涉及制冷机，尤其涉及高增益节能式深冷机。
背景技术
自然界的绝对零度为0 K（-273℃），低于153K（-120℃）为超低温。超低温深冷机能产生10 K（-263℃）的超低温，是航天、核工业、超导、材料分析及集成电器、光电、汽车配件、家用电器等行业生产和研发所必须的冷源，目前世界上只有美国、日本、德国、俄罗斯等少数几个国家的企业掌握了其核心技术并产业化，国内所使用的超低温深冷机基本上被上述公司所垄断，采购及维修成本极其昂贵。10K超低温深冷机是一种利用氦气作为工质，由氦气压缩机产生高压氦气，通过绝热膨胀获得10K（-263℃）甚至更低的温度的设备。主要由氦压缩机单元和膨胀机单元组成，其工作原理如图所示。高纯的氦气由压缩机泵压缩后，经过冷却器、油气分离器、吸附器后重新纯化和冷却，输出给膨胀机单元，膨胀机单元在电机的驱动下配气组件与回热器组件配合运动，使压缩氦气在气缸底部绝热放气，产生冷量，最后经冷头换热器输出。回热器组件中填充有蓄冷材料，可确保产生的冷量与氦进行充分换热。一般单级深冷机可达35K（-238℃）的深低温，而二级深冷机即可获得低于10K的温度。由于10K的温度可冷凝空气中的大部分气体，因此其具有非常广泛的现实意义，而更低温度的深冷机虽然应用范围会更大些，但成本显著提高，且工业应用领域里10K温区已基本满足。
中国发明专利申请号CN201410228337.8公开了一种气动GM制冷机及其控制过程，包括驱动气缸、制冷气缸、驱动活塞、推移活塞及冷量换热器，驱动气缸与制冷气缸上下连接，驱动活塞与推移活塞上下连接，且驱动活塞可在驱动气缸内滑动，驱动气缸与驱动活塞之间形成驱动腔，推移活塞可在制冷气缸配内滑动，制冷气缸内部被推移活塞分成室温腔与低温腔，冷量换热器与低温腔连接，室温腔与低压气体管路及高压气体管路连接，驱动腔至少连接有低压气库与高压气库。在驱动腔上设置低压气库与高压气库，利用气库里的气体驱动推移活塞运动，从而提高制冷机的制冷效率，但该发明是利用高压氦气作为动力源，其气体损失仍然较大，膨胀制冷速率较慢，且采用两级活塞驱动，膨胀机的振动较大，不利于膨胀机的稳定安全运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的GM制冷机制冷速度慢，制冷时产生较大的振动，不利于膨胀机的安全稳定进行，为此提供一种无振动节能式深冷机。
本发明的技术方案是：无振动节能式深冷机，它包括氦压缩机和膨胀机，所述膨胀机包括通过进气管与氦压缩机连通的高压腔，所述高压腔末端固接有带有冷头换热器的气缸，所述高压腔内置有由电机和传动轴驱动的开口正对进气管的填充腔体，所述填充腔体末端通过波纹管固接有可在气缸内上下移动的活塞，所述活塞内开设有高压进气通道和低压排气通道，所述高压进气通道一端与波纹管连通，另一端与气缸侧壁连通，所述低压排气通道一端向上延伸依次穿过填充腔体和高压腔与氦压缩机连通形成柔性排气管，另一端向下延伸并在活塞底部形成弧形夹持部，所述气缸底部安置有弹性中空球体，所述弹性中空球体内预装有三通管，所述弹性中空球体内和三通管之间充填有制冷剂，所述弹性中空球体的表面与弧形夹持部表面相适配，当活塞下移时弧形夹持部将与弹性中空球体表面接触使得三通管的其中一路管路与低压排气通道连通。
上述方案的改进是所述活塞与气缸之间适配有活塞密封圈，所述活塞密封圈下方的活塞与气缸之间充填有回热材料。
上述方案的进一步改进是所述气缸底部开设有用于安置弹性中空球体的限位槽。
上述方案的更进一步改进是所述冷头换热器外侧固接有温度传感器，所述温度传感器通过温控仪与氦压缩机信号连接，所述氦压缩机通过变频器与电机信号连接。
本发明的有益效果是膨胀机膨胀力的来源由电机和高压氦气共同提供，可实现工业生产对大抽速的追求，对高压氦气的利用度高，当高压氦气充满高压腔后既可以实现对氦气的循环利用，提高单位时间内的制冷效率，降低氦气的损失量；活塞运动时与弹性中空球体弹性接触，不损伤气缸与活塞，消除膨胀机的振动。
附图说明
图1是本发明示意图；
图中，1、氦压缩机，2、进气管，3、高压腔，4、冷头换热器，5、气缸，6、电机，7、传动轴，8、填充腔体，9、波纹管，10、活塞，11、高压进气通道，12、低压排气通道，13、柔性排气管，14、弧形夹持部，15、弹性中空球体，16、三通管，17、温度传感器，18、温控仪，19、变频器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明包括氦压缩机1和膨胀机，所述膨胀机包括通过进气管2与氦压缩机连通的高压腔3，所述高压腔末端固接有带有冷头换热器4的气缸5，所述高压腔内置有由电机6和传动轴7驱动的开口正对进气管的填充腔体8，所述填充腔体末端通过波纹管9固接有可在气缸内上下移动的活塞10，所述活塞内开设有高压进气通道11和低压排气通道12，所述高压进气通道一端与波纹管连通，另一端与气缸侧壁连通，所述低压排气通道一端向上延伸依次穿过填充腔体和高压腔与氦压缩机连通形成柔性排气管13，另一端向下延伸并在活塞底部形成弧形夹持部14，所述气缸底部安置有弹性中空球体15，所述弹性中空球体内预装有三通管16，所述弹性中空球体内和三通管之间充填有制冷剂，所述弹性中空球体的表面与弧形夹持部表面相适配，当活塞下移时弧形夹持部将与弹性中空球体表面接触使得三通管的其中一路管路与低压排气通道连通。
本发明的控制方法如下：高压氦气由进气管通入高压腔内并逐渐充满腔体，同时部分高压氦气由填充腔体的开口进入并充满填充腔体和波纹管，电机驱动活塞向下运动，活塞受到电机和高压氦气的合力，一方面减轻电机的负荷，另一方面提高对活塞的驱动力，波纹管一方面在活塞上下运动的时候提供缓冲力，另一方面可以将进入填充腔和波纹管内的高压氦气在活塞上移的时候推至高压腔内，维持高压腔的气压稳定；高压氦气由高压进气通道进入气缸与活塞之间的空间即低压腔内，经过膨胀做功后得高压氦气变为低压氦气，通过冷头换热器作为冷源输出；当活塞向下至弧形夹持部与弹性中空球体接触时，弹性中空球体受压变形，三通管吸入低压腔内的低压氦气，并由正对弧形夹持部的一路管路向低压排气通道排入低压氦气，低压氦气最终由柔性排气管返回氦压缩机内，形成一个氦气回流的工作循环，当弹性中空球体发生形变至一定程度后活塞运行到下止点不再下移，弹性中空球体回复到初始状态。作为三通管的一个变形，也可以在弹性中空球体内开设有若干个通道，并使得其中一个通道正对弧形夹持部。
本发明的创新点在于采用多动力源即电机＋高压氦气来驱动活塞运动，取消了使用气动GM制冷机需要高压气源和低压气源的弊端，简化了制冷机的整体结构；高压进气通道和低压排气通道独立，避免高压氦气和低压氦气的混流，进而提高对冷头换热器的热传递效率，提高冷头换热器作为冷源时的响应时间；弹性中空球体一方面可以避免活塞上下运动时对气缸产生不良振动，改变以往的活塞与气缸的刚性接触为活塞与弹性中空球体的弹性接触，提高膨胀机运行的可靠性，另一方面弹性中空球体内的制冷剂可以对低压氦气进行二次制冷，在弹性中空球体的反复形变做功中对低压腔释放冷却后的低压氦气，进一步降低低压腔的环境温度，加大对冷头换热器的冷量输出。
为了进一步提高膨胀机的膨胀压缩效率，本发明的一个优选例是活塞与气缸之间适配有活塞密封圈，所述活塞密封圈下方的活塞与气缸之间充填有回热材料，回热材料可以维持高压腔与低压腔的压力差在一个稳定的范围内。
高压进气通道可以是L型，起于活塞顶部，终于活塞侧壁，可以有一个位于活塞一侧，也可以有2个位于活塞两侧。
为了确保弹性中空球体与弧形夹持部的良好配合，气缸底部最好开设有用于安置弹性中空球体的限位槽，使得弹性中空球体相对于弧形夹持部的位置固定，确保每一处活塞向下运动时弧形夹持部都能将弹性中空球体夹持其中。
为了提高电机的利用效率，本发明的另一个优选实施例是冷头换热器外侧可以固接有温度传感器17，所述温度传感器通过温控仪18与氦压缩机信号连接，所述氦压缩机通过变频器19与电机信号连接。当制冷机从室温至15K时，温度传感器将实时温度通过温控仪传递给氦压缩机一个开关量，氦压缩机通过变频器给电机驱动信号使其采用120rpm的频率，当温度在15K以下并带载工作时，电机采用60rpm的频率；高温区高频率工作时有利于缩短降温时间，低温区低频率工作时有利于制冷机温度更低，同时可延长制冷机的工作寿命。使得电机在不同的温度条件下以不同的转速驱动活塞。

Claims (4)

1.高增益节能式深冷机，它包括氦压缩机（1）和膨胀机，其特征是所述膨胀机包括通过进气管（2）与氦压缩机连通的高压腔（3），所述高压腔末端固接有带有冷头换热器（4）的气缸（5），所述高压腔内置有由电机（6）和传动轴（7）驱动的开口正对进气管的填充腔体（8），所述填充腔体末端通过波纹管（9）固接有可在气缸内上下移动的活塞（10），所述活塞内开设有高压进气通道（11）和低压排气通道（12），所述高压进气通道一端与波纹管连通，另一端与气缸侧壁连通，所述低压排气通道一端向上延伸依次穿过填充腔体和高压腔与氦压缩机连通形成柔性排气管（13），另一端向下延伸并在活塞底部形成弧形夹持部（14），所述气缸底部安置有弹性中空球体（15），所述弹性中空球体内预装有三通管（16），所述弹性中空球体内和三通管之间充填有制冷剂，所述弹性中空球体的表面与弧形夹持部表面相适配，当活塞下移时弧形夹持部将与弹性中空球体表面接触使得三通管的其中一路管路与低压排气通道连通。
2.如权利要求1所述的高增益节能式深冷机，其特征是所述活塞与气缸之间适配有活塞密封圈，所述活塞密封圈下方的活塞与气缸之间充填有回热材料。
3.如权利要求1或2所述的高增益节能式深冷机，其特征是所述气缸底部开设有用于安置弹性中空球体的限位槽。
4.如权利要求1或2所述的高增益节能式深冷机，其特征是所述冷头换热器外侧固接有温度传感器（17），所述温度传感器通过温控仪（18）与氦压缩机信号连接，所述氦压缩机通过变频器（19）与电机信号连接。
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