CN106568222B - 一种脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉管制冷机，包括可动部和冷头；可动部包括压缩机或压缩机和推移活塞系统，所述可动部内的活塞和气缸间采用间隙密封，间隙密封和冷头构成回路；所述冷头包括散热器、回热器、冷量换热器、脉管；所述间隙密封处设有调节槽，通过控制调节槽在活塞运动轴向的长度控制间隙密封长度，进而控制直流分量。与现有技术相比，本发明具有制冷机性能提高，直流分量可控等优点。

Description

一种脉管制冷机

技术领域

本发明涉及一种脉管装置，尤其是涉及一种脉管制冷机。

背景技术

脉管制冷机是一种气体制冷机，其原理是气体在脉管里膨胀做功制冷，脉管里的气体可分为三部分，一部分是要膨胀的气体，是低温的，一部分是充当气体活塞的气体，一部分是从调相装置流来又流回调相装置的气体，是室温的。在一种阶梯活塞压缩机的脉管制冷机中，阶梯活塞形成两个工作腔，分别与冷头相连。一般为了提高寿命，活塞与气缸间采用间隙密封。这样间隙密封与冷头之间会形成环路，有环路就会和双向进气脉管制冷机一样产生直流分量，从而使制冷性能下降或温度不稳定，甚至不能制冷。为了获得更低的制冷温度，可采用多级脉管制冷机，也同样可采用阶梯活塞压缩机，或阶梯推移活塞，这样压缩机与冷头，或推移活塞与冷头形成环路，从而产生直流分量。凡是有通过间隙密封与冷头形成环路的脉管制冷机都会有同样的现象。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种直流分量可控，制冷机性能提升的脉管制冷机，本发明对任何有回路的制冷机都有效。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种脉管制冷机，包括冷头和可动部；所述冷头包括散热器、回热器、冷量换热器、脉管，所述的可动部包括气缸活塞系统，气缸活塞系统内气缸和活塞间设有间隙密封；所述间隙密封与冷头构成回路；所述间隙密封处设有调节槽，通过控制调节槽在活塞运动轴向的长度控制间隙密封长度，进而控制直流分量。

所述的调节槽为设在活塞外壁和/或气缸内壁的凹槽。

所述的可动部的气缸活塞系统包括阶梯活塞型压缩机，阶梯活塞形成至少两个工作腔，工作腔间的间隙密封与冷头构成回路。

所述的可动部的气缸活塞系统包括压缩机和推移活塞装置，推移活塞装置形成至少两个工作腔，工作腔间的间隙密封与冷头构成回路。

所述的冷头为多级冷头。

所述的活塞为二级阶梯活塞，所述的气缸为二级气缸，所述的调节槽设在二级阶梯活塞的外壁。

所述的活塞为二级阶梯活塞，所述的气缸为二级气缸，所述的调节槽设在二级气缸的内壁。

所述的活塞为二级阶梯活塞，所述的气缸为二级气缸，所述的调节槽设在二级阶梯活塞的外壁和二级气缸的内壁。

所述的活塞为三级阶梯活塞，所述的气缸为三级气缸，所述的调节槽设在三级阶梯活塞的活塞外壁和三级气缸内壁。

所述的推移活塞装置内活塞为阶梯推移活塞，气缸为阶梯推移活塞气缸，所述的调节槽设在阶梯推移活塞外壁或阶梯推移活塞气缸内壁，或同时设在阶梯推移活塞外壁和阶梯推移活塞气缸内壁。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、通过设置调节槽控制制冷回路中由于间隙密封产生的直流分量，使制冷机性能提高；

2、调节槽结构简单，设置方便，且组合形式多样；

3、调节槽适用范围广，可适用于单级脉管制冷机、阶梯活塞二级脉管制冷机、阶梯推移活塞二级脉管制冷机和多级脉管制冷机等。

附图说明

图1为阶梯活塞脉管制冷机示意图；

图2为调节槽设置方式一示意图；

图3为调节槽设置方式二示意图；

图4为调节槽设置方式三示意图；

图5为调节槽设置方式四示意图；

图6为调节槽设置方式五示意图；

图7为阶梯活塞二级脉管制冷机示意图；

图8为阶梯推移活塞二级脉管制冷机示意图；

图9为阶梯推移活塞脉管制冷机示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、压缩机，11、阶梯活塞，12、阶梯气缸，13、第二工作腔，14、第一工作腔，11a、第一调节槽，11b、第二调节槽，12a、第三调节槽，1211、第一间隙密封；

2、冷头，20、第一级冷头，21、第一散热器，22、第一回热器，23、第一冷量换热器，24、第一脉管，241、第一冷端气体均匀器，242、第一热端气体均匀器，25、惯性管，26、气库；

30、第二级冷头，31、第二散热器，32a、第二左回热器，32b、第二回热器预冷换热器，32c、第二右回热器，33、第二冷端气体均匀器，341、第二冷量换热器，34、第二脉管，342、第二热端气体均匀器；

4、推移活塞装置，41、阶梯推移活塞，42、阶梯推移活塞气缸，4241、第二间隙密封，43、推移活塞第一工作腔，44、推移活塞第二工作腔，45、推移活塞背腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示的阶梯活塞脉管制冷机，包括可动部和冷头2，该装置中可动部为压缩机1。压缩机1和冷头2构成回路。所述的压缩机包括阶梯活塞11和阶梯活塞气缸12，阶梯活塞11与阶梯活塞气缸12形成第一工作腔14和第二工作腔13；所述冷头2为第一级冷头，第一级冷头包括依次连接的第一散热器21、第一回热器22、第一冷量换热器23、第一冷端气体均匀器241、第一脉管24、第一热端气体均匀器242，所述的第一冷头还包括调相装置，设在第一热端气体均匀器242后，调相装置包括惯性管25和气库26。所述气库26与第二工作腔13相连，所述第一散热器21与第一工作腔14相连。

工作时，阶梯活塞被驱动左右往复运动产生压力波动，和气体的往复流动，从而在散热器散热，在第一冷量换热器23处获得低温下的冷量。由于惯性管25的惯性，其两端的压力相位大约相反，从而使第一工作腔14的PV功的积分为负，第二工作腔13的PV功的积分为正，或第一工作腔14输入功，第二工作腔13获得膨胀功。这个膨胀功源于脉管冷端气体的膨胀功。

由于膨胀功的回收，该制冷机的理论效率和斯特林制冷机一样，但只有一个运动部件，从而简化了结构。

一般为了提高寿命，活塞与气缸间采用间隙密封。间隙密封的意思是气缸与活塞之间有一个微小的间隙，活塞与气缸不接触，从而保证寿命。保证活塞与气缸不接触可采用片弹簧支撑。是间隙就要有漏气，如果间隙足够小，漏气就足够小。这样第二工作腔13和第一工作腔14间由于间隙密封1211的漏气，使制冷机形成一个环路。气体可以从第二工作腔13流向第一工作腔14，并通过冷头2又流回第二工作腔13，或相反方向流。如果在一个周期里气体流量从第二工作腔13流向第一工作腔14或从第一工作腔14流向第二工作腔13的积分为零，则无直流分量存在，不为零，则有直流分量存在，为零的几率非常小，控制在一定量即可。大的直流分量严重影响回热器与脉管的效率，从而影响制冷效率，严重时，制冷机将无法工作。

第一级阶梯活塞和第一级阶梯气缸之间采用间隙密封1211，间隙密封处设有调节槽，通过控制调节槽在活塞运动轴向的长度控制间隙密封产生的直流分量。

所述调节槽设置方式如图2所示，第一调节槽11a为设在第一级阶梯活塞外壁的凹槽，控制调节槽的长度，从而控制第一级阶梯活塞与第一级阶梯气缸内壁的贴合长度，即间隙密封的长度。如果第一调节槽11a轴向足够长，阶梯活塞11在向下运动时，第一级阶梯活塞外壁下端线不会越过第一级阶梯气缸，活塞运动过程中间隙密封长度为定值。如果第一调节槽11a轴向不够长，阶梯活塞11在向下运动时，第一级阶梯活塞外壁下端线越过第一级阶梯气缸，则活塞运动过程中间隙密封长度在一个周期内一部分时间为定值，一部分时间内随时间而改变。

一般间隙密封的宽间隙宽度在几微米到几十微米，调节槽处的间隙宽度要大于间隙密封的宽度，其宽度要大于间隙密封的宽度，比如是间隙密封宽度的1.1-数倍，或更大。

实施例2

如图1所示的阶梯活塞脉管制冷机，所述调节槽设置方式如图3和图4所示，第三调节槽12a设在第一级阶梯气缸内壁，控制调节槽轴向的长度，从而控制第一级阶梯活塞与第一级阶梯气缸内壁的贴合长度，即间隙密封的长度。如图3所示，第三调节槽12a设在第一级气缸内壁一端处，如果第三调节槽12a轴向足够长，阶梯活塞11在向上运动时，第一级阶梯活塞的下端线驶入该级气缸壁范围，则间隙密封长度发生改变，反之则没变；阶梯活塞11向下运动时，若第一级阶梯活塞的上端面驶入该级气缸壁范围，则间隙密封长度发生改变，反之则没变。如图4所示，第三调节槽12a设在第一级气缸内壁两端处，当阶梯活塞向上运行时，若第一级阶梯活塞上端面进入阶梯活塞内壁调节槽区域，则在向上运动的半周内的一部分时间内，间隙密封长度发生改变，反之则没改变；亦或第一级阶梯活塞向下运行至下端点时，若第一级阶梯活塞下端线驶出第一级阶梯气缸壁范围，则在向下运动的半周内的一部分时间内，间隙密封长度发生改变，反之则没改变。该制冷机除调节槽部分之外，其他与实施例1中相同。

实施例3

如图1所示的阶梯活塞脉管制冷机，所述调节槽设置方式如图5所示，所述的调节槽为设在第一级阶梯活塞外壁的第一调节槽11a和第一级阶梯气缸内壁的第三调节槽12a。一般活塞在气缸里有一个中心位置，活塞上下往复运动，气缸里的压力波动，从而使气体通过间隙密封1211上下往复流动，通过控制第一调节槽11a与第三调节槽12a在轴向距中心线o-o的距离可控制密封的长度，从而控制气体向下流与向上流时的密封的长度，从而控制直流分量。当第一级阶梯活塞向上运行至上端点时，若第一级阶梯活塞上端面进入阶梯活塞内壁调节槽区域，则在向上运动的半周内的一部分时间内，间隙密封长度发生改变，反之则没改变；亦或第一级阶梯活塞向下运行至下端点时，若第一级阶梯活塞下端线驶出第一级阶梯气缸壁范围，则在向下运动的半周内的一部分时间内，间隙密封长度发生改变，反之，则没改变。这样在向上运动的半周与向下运动的半周内密封长度都可改变，从而实现更灵活的密封长度的调节能力。该制冷机除调节槽部分之外，其他与实施例1中相同。

实施例4

如图1所示的阶梯活塞脉管制冷机，压缩机内为三级活塞，则压缩机要更多个气缸，则所述调节槽设置方式如图6所示，所述的阶梯气缸为三级气缸，其中第一级阶梯活塞和第二级阶梯活塞外壁设有第一调节槽11a和第二调节槽11b，以及第一级气缸内壁均设有调节槽。该制冷机除调节槽和气缸部分之外，其他与实施例1中相同。

实施例5

如图7所示的阶梯活塞二级脉管制冷机，包括可动部和冷头2。该装置中可动部为压缩机1，压缩机和冷头构成回路。所述的压缩机包括阶梯活塞11和阶梯活塞气缸12，阶梯活塞11与阶梯活塞气缸12形成第一工作腔14和第二工作腔13；冷头由第一级冷头20和第二级冷头30组成，所述的冷头还包括调相装置。这里，调相装置为第一级冷头20和第二级冷头30共用，包括惯性管25和气库26。第一级冷头20包括依次连接的第一散热器21、第一回热器22、第一冷量换热器23、第一冷端气体均匀器241、第一脉管24、第一热端气体均匀器242，第一脉管24通过第一热端气体均匀器242与惯性管25相接；第二级冷头30由第二散热器31，第二左回热器32a，第二回热器预冷换热器32b，第二右回热器32c，第二冷量换热器33，第二脉管34，顺次连接而成；第二脉管34冷端有第二冷端气体均匀器341；热端有第二热端气体均匀器342。第二脉管34通过第二热端气体均匀器342与惯性管25相接。惯性管25与气库26相连。第一工作腔14与第一散热器21相连，第二工作腔13与第二散热器31相连。工作时，第一工作腔14与第二工作腔13分别向第一级冷头20与第二级冷头30供气。第二级冷量换热器33处可获得更低温度冷量。

第一级阶梯活塞和第一级阶梯气缸之间采用间隙密封，压缩机内的气缸、活塞间的间隙密封与冷头的第一级与第二级间形成环路，间隙密封处设有调节槽，通过控制调节槽在活塞运动轴向的长度控制间隙密封产生的直流分量。

所述的调节槽设置方式与实施例1相同，如图2。

实施例6

如图7所示的阶梯活塞二级脉管制冷机，所述调节槽设置方式与实施例2相同，如图3或4。该制冷机除调节槽外，其他部分与实施例5中相同。

实施例7

如图7所示的阶梯活塞二级脉管制冷机，所述调节槽设置方式与实施例3相同，如图5。该制冷机除调节槽外，其他部分与实施例5中相同。

实施例8

如图7所示的阶梯活塞脉管制冷机如果改为三级脉管制冷机，压缩机要三级阶梯活塞，阶梯气缸为三级气缸，所述调节槽设置方式与实施例4相同，如图6。该制冷机除气缸及调节槽部分调节槽外，其他部分与实施例5中相同。

实施例9

如图8所示的阶梯推移活塞二级脉管制冷机，包括可动部和冷头2。该装置中可动部包括压缩机和推移活塞装置4。推移活塞装置内的气缸、活塞间的间隙密封与冷头的第一级与第二级间形成环路。所述的冷头2包括第一级冷头20和第二级冷头30。所述的第一级冷头20包括依次连接的第一散热器21、第一回热器22、第一冷量换热器23、第一冷端气体均匀器241、第一脉管24和第一热端气体均匀器242，所述的第二级冷头30包括依次连接的第二散热器31、第二左回热器32a、第二回热器预冷换热器32b、第二右回热器32c、第二冷量换热器33、第二冷端气体均匀器341、第二脉管34和第二热端气体均匀器342；所述的第一冷量换热器23与第二回热器预冷换热器32b热相连。所述的压缩机1包括单级活塞和单级气缸。推移活塞装置4包括阶梯推移活塞41和阶梯推移活塞气缸42，阶梯推移活塞41与阶梯推移活塞气缸42形成推移活塞第一工作腔43、推移活塞第二工作腔44和推移活塞背腔45；所述的第一热端气体均匀器242与推移活塞第一工作腔43相连，所述的第二热端气体均匀器342与推移活塞第二工作腔44相连，压缩机第一工作腔14和推移活塞背腔45分别与第一散热器21和第二散热器31相连。

阶梯推移活塞为二级活塞，阶梯推移活塞气缸42为二级气缸，推移活塞第一工作腔43和推移活塞第二工作腔44间有第二间隙密封4241，也即阶梯推移活塞和阶梯推移活塞气缸之间采用间隙密封，采用调节槽的方式控制直流分量，推移活塞背腔45与推移活塞第一工作腔43间的间隙密封也同样可采用调节槽的方式控制直流分量。两处调节槽设置方式与实施例1中第一级阶梯活塞和第一级阶梯气缸上调节槽的设置方式相同，如图2所示，通过控制调节槽在活塞运动轴向的长度控制间隙密封产生的直流分量。

实施例10

如图8所示的阶梯推移活塞二级脉管制冷机，推移活塞第一工作腔43和推移活塞第二工作腔44间有第二间隙密封4241，也即第一级阶梯推移活塞和第一级阶梯推移活塞气缸之间采用间隙密封，采用调节槽的方式控制直流分量，推移活塞背腔45与推移活塞第一工作腔43间的间隙密封也同样可采用调节槽的方式控制直流分量。两处调节槽设置方式与实施例2中第一级阶梯活塞和第一级阶梯气缸上调节槽的设置方式相同，如图3或4。该制冷机除调节槽外，其他部分与实施例9相同。

实施例11

如图8所示的阶梯推移活塞二级脉管制冷机，推移活塞第一工作腔43和推移活塞第二工作腔44间有第二间隙密封4241，也即第一级阶梯推移活塞和第一级阶梯推移活塞气缸之间采用间隙密封，采用调节槽的方式控制直流分量，推移活塞背腔45与推移活塞第一工作腔43间的间隙密封也同样可采用调节槽的方式控制直流分量。两处调节槽设置方式与实施例3中第一级阶梯活塞和第一级阶梯气缸上调节槽的设置方式相同，如图5。该制冷机除调节槽外，其他部分与实施例9相同。

实施例12

如图8所示的阶梯推移活塞脉管制冷机改造为三级脉管制冷机，推移活塞装置为三级活塞，则推移活塞要更多个气缸，所述的阶梯推移活塞气缸为三级气缸，其调节槽设置方式与实施例4相同，如图6，同时第三级阶梯推移活塞壁上也设有调节槽。该制冷机除气缸和调节槽外，其他部分与实施例9相同。

实施例13

如图9所示的阶梯推移活塞脉管制冷机，包括可动部和冷头2。该装置中可动部包括压缩机和推移活塞装置，推移活塞内气缸、活塞间的间隙密封与冷头间形成环路，所述的冷头包括第一级冷头，推移活塞装置4包括阶梯推移活塞41和阶梯推移活塞气缸42，如图9中所示阶梯推移活塞为单级阶梯推移活塞，所述的调节槽设置在单级阶梯推移活塞外壁或/和单级阶梯推移活塞气缸内壁上。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种脉管制冷机，包括冷头和可动部；所述冷头包括散热器、回热器、冷量换热器、脉管，所述的可动部包括气缸活塞系统，气缸活塞系统内气缸和活塞间设有间隙密封；所述间隙密封与冷头构成回路；其特征在于，所述间隙密封处设有调节槽，通过控制调节槽在活塞运动轴向的长度控制间隙密封长度，进而控制直流分量，所述的调节槽为设在气缸内壁的凹槽；所述的活塞为二级阶梯活塞，所述的气缸为二级气缸，所述的调节槽设在二级气缸的内壁，第一级气缸内壁两端处均设置有所述调节槽。

2.根据权利要求1所述的一种脉管制冷机，其特征在于，所述的可动部的气缸活塞系统包括阶梯活塞型压缩机，阶梯活塞形成两个工作腔，工作腔间的间隙密封与冷头构成回路。

3.根据权利要求1所述的一种脉管制冷机，其特征在于，所述的可动部的气缸活塞系统包括压缩机和推移活塞装置，推移活塞装置形成两个工作腔，工作腔间的间隙密封与冷头构成回路。

4.根据权利要求1所述的一种脉管制冷机，其特征在于，所述的冷头为多级冷头。

5.根据权利要求3所述的一种脉管制冷机，其特征在于，所述的推移活塞装置内活塞为阶梯推移活塞，气缸为阶梯推移活塞气缸，所述的调节槽设在阶梯推移活塞气缸内壁。

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