CN107421153A - 一种采用柱簧调相的斯特林‑脉管混合冷指 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用柱簧调相的斯特林‑脉管混合冷指，包括膨胀气缸和脉管壳体。膨胀气缸包括膨胀气缸体、热端配气座、冷帽以及安装在膨胀气缸体上与热端空腔相联通的连接管及过渡管。热端配气座中嵌入安装有与脉管壳体同轴设置的机械调相装置。机械调相装置包括设置在热端配气座外端部的弹簧固定座、设置在热端配气座内端部且与热端配气座间隙配合的热端弹簧座以及连接在弹簧固定座与热端弹簧座之间的圆柱弹簧。本发明以机械调相装置替代脉管制冷机中传统的小孔‑气库、惯性管‑气库等气体调相方式，可通过调节弹簧参数实现制冷机相位调节，实现有效功回收，从理论以及实际应用上可有效提升制冷机效率。

Description

一种采用柱簧调相的斯特林-脉管混合冷指

技术领域

本发明涉及制冷机技术领域，具体涉及一种采用柱簧调相的斯特林-脉管混合冷指。

背景技术

脉管制冷机、斯特林制冷机是当前应用最为广泛的小型机械低温制冷机。其工作基本原理基本一致，即通过工质气体在回热单元内的交变流动换热实现制冷效果。脉管制冷机、斯特林制冷机中工质气体压力波和质量流之间的相位差对制冷机性能有较大影响，合适的调相机构对于制冷机的性能提高及实际应用具有重要意义。针对调相机构的改进是近几年的低温制冷机重点研究工作之一。

斯特林制冷机调相机构主要有两种，一种是采用直线电机直接驱动，该调相方式通过控制膨胀机电机与压缩机直线电机的电相位控制气体相位，可实现精确的相位控制，但会增加整机的体积、质量、能耗，如上海技物所研制的双驱动斯特林制冷机。一种是采用机械弹性元件调相，常用的机械弹性元件主要有圆柱弹簧、膜片弹簧等，依靠机械弹性元件的弹性力调相，如法国THALES公司的UP系列、LSF系列制冷机，采用机械弹性元件可回收热端膨胀功，有助于提升制冷机效率。但由于斯特林制冷机冷端存在运动活塞，因此无论采用何种调相装置，皆存在机械噪声及冷端振动输出大的缺点。

脉管制冷机可看作斯特林制冷机的变种，其采用脉管空腔中的气体活塞替代运动活塞，具有寿命长、可靠性高、冷端振动输出小的优点，自发明至今主要经历了以下几种型式：基本型、小孔型，双向进气型、惯性管型和各种调相型脉管制冷机。Mikulin等人对基本型脉管制冷机进行了一定结构改进，即在脉管热端之前安装一个节流小孔，并在热端换热器之后连接一个大体积的气库用以调节气体压力波与质量流相位，但相位调节有限且小孔阀的存在消耗了有效功。

西安交通大学的朱绍伟等人在小孔型调相机构的基础上进行改进后提出双向进气调相机构的新方案，提升了相位调节能力，但双向进气调相方式容易产生直流，严重影响制冷机性能。

日本的Kanao等人提出惯性管脉管制冷机的概念，即采用一根尺寸合适的毛细管代替小孔阀提高了制冷机性能，且不易产生直流，但惯性管长度一般较长，气库的存在增加了制冷机体积、重量。日本的Matsubara等人还提出了双活塞型脉管制冷机，即在脉管热端之后连接另外一台压缩机，使得制冷机可回收膨胀功，减小小孔引起的损失，进而提高制冷机性能，但因此降低了制冷机的可靠性，增加了体积、重量和功耗。

此外，在脉管制冷机的发展过程中，还出现过其它多种改进型的脉管制冷机，如日本学者提出的内调相型脉管制冷机，美国学者提出的变截面型脉管制冷机，Yuan等人提出的五阀型脉管制冷机。

综合而言，当前脉管制冷机调相方式的改进主要还是以气体调相方式为主，调相能力有限且不能回收热端膨胀功，造成制冷机理论效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用柱簧调相的斯特林-脉管混合冷指，该冷指能够解决现有技术中存在的不足，可通过调节弹簧参数实现制冷机相位调节，实现有效功回收，从理论以及实际应用上可有效提升制冷机效率。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种采用柱簧调相的斯特林-脉管混合冷指，包括膨胀气缸和嵌入安装在膨胀气缸中且与膨胀气缸同轴设置的脉管壳体；所述膨胀气缸包括膨胀气缸体、安装在膨胀气缸体热端空腔开口处的热端配气座、安装在膨胀气缸体冷端空腔开口处的冷帽以及安装在膨胀气缸体上与热端空腔相联通的连接管及过渡管；所述热端配气座中嵌入安装有与脉管壳体同轴设置的机械调相装置；所述机械调相装置包括设置在热端配气座外端部的弹簧固定座、设置在热端配气座内端部且与热端配气座间隙配合的热端弹簧座以及连接在弹簧固定座与热端弹簧座之间的圆柱弹簧。

进一步的，所述脉管壳体外壁与膨胀气缸体内壁之间填充有环形丝网。

进一步的，所述热端配气座的中间开设有通孔，且通孔的内端部内壁与脉管壳体的外壁紧密配合；弹簧固定座嵌入安装在通孔的外端部中，热端弹簧座嵌入安装在通孔的内端部中。

进一步的，所述膨胀气缸体冷端空腔中填充有紫铜丝网。

进一步的，所述热端弹簧座外表面喷涂有耐磨涂层。

由以上技术方案可知，本发明以机械调相装置替代脉管制冷机中传统的小孔-气库、惯性管-气库等气体调相方式，具有以下有益效果：

（1）可通过调节弹簧参数实现制冷机相位调节，实现有效功回收，从理论以及实际应用上可有效提升制冷机效率。

（2）减小了气库、惯性管等增加的体积、重量，易实现脉管制冷机小型化、轻量化，尤其是在大冷量制冷机冷指结构中优势更为突出。

（3）由于机械调相装置与制冷机冷腔被脉管空腔内的气体隔开，相比斯特林制冷机，可大幅度降低机械噪声和冷端振动输出。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

其中：

1、弹簧固定座，2、圆柱弹簧，3、热端配气座，4、热端弹簧座，5、膨胀气缸体，6、脉管壳体，7、环形丝网，8、冷帽，9、过渡管，10、连接管。

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所示的一种采用柱簧调相的斯特林-脉管混合冷指，包括膨胀气缸和嵌入安装在膨胀气缸中且与膨胀气缸同轴设置的脉管壳体6。所述膨胀气缸包括膨胀气缸体5、安装在膨胀气缸体5热端空腔开口处的热端配气座3、安装在膨胀气缸体5冷端空腔开口处的冷帽8以及安装在膨胀气缸体5上与热端空腔相联通的连接管10及过渡管9。所述热端配气座3中嵌入安装有与脉管壳体6同轴设置的机械调相装置。所述机械调相装置包括设置在热端配气座3外端部的弹簧固定座1、设置在热端配气座3内端部且与热端配气座3间隙配合的热端弹簧座4以及连接在弹簧固定座1与热端弹簧座4之间的圆柱弹簧2。在冷端空腔填充弹簧固定座1、圆柱弹簧2与热端弹簧座4组成机械调相装置，是整个结构中的唯一运动部件，并与脉管同轴直线布置。所述机械调相装置便于调节圆柱弹簧有效长度，从而易于通过调节圆柱弹簧刚度来调节制冷机相位。

具体地说，以膨胀气缸体5为冷指装配的基准，将冷帽8焊接于膨胀气缸体的冷端腔体的开口处。连接管10与过渡管9焊接于一起后在与膨胀气缸体焊接，形成膨胀气缸，来自压缩机的工质气体通过连接管进出膨胀气缸。脉管壳体左侧的膨胀气缸腔体为热端腔体，右侧的膨胀气缸腔体为冷端腔体，脉管壳体外壁与膨胀气缸体内壁之间的区域为回热单元。弹簧固定座、圆柱弹簧、热端弹簧座共同组成机械调相装置，与脉管壳体内部空腔内的气体协同调相。机械调相装置采用机械弹性元件，在实现相位调节的同时可有效回收膨胀功。

所述热端配气座一方面用于固定机械调相装置，一方面隔绝脉管壳体内部热端气体与回热器热端气体，避免热端发生串气。

进一步的，所述脉管壳体6内部充满工质气体，与膨胀气缸同轴布置。所述脉管壳体外壁与膨胀气缸体内壁之间填充有环形丝网7。环形丝网7构成回热单元。

进一步的，所述热端配气座3的中间开设有通孔，且通孔的内端部内壁与脉管壳体6的外壁紧密配合；这样能够避免热端空腔气体与脉管壳体内部热端气体发生串气。弹簧固定座1嵌入安装在通孔的外端部中，热端弹簧座4嵌入安装在通孔的内端部中。

进一步的，所述膨胀气缸体5冷端空腔中填充有高导热率紫铜丝网作为层流化元件及冷端换热器。所述紫铜丝网为圆形。

进一步的，所述热端弹簧座4外表面喷涂有耐磨涂层，用于提高机械调相装置的可靠性。

本发明的工作过程为：

压缩过程，来自压缩机的交变流动气体通过连接管进入热端空腔，热端空腔的交变流动气体进入回热单元与环形丝网完成交变流动换热后通过冷端空腔进入脉管壳体内部，气体压缩过程中压缩圆柱弹簧从而储存一定的有效功。膨胀过程，交变流动气体沿相反路径返回压缩机，从而实现膨胀制冷。通过调节圆柱弹簧有效刚度可实现工质气体压力波与质量流的最佳相位调节，提升制冷机效率。

因此，针对目前脉管制冷机、斯特林制冷机调相机构存在的问题，综合两种制冷机结构优点，本发明设计出一款采用柱簧调相的斯特林-脉管混合冷指，在同轴型脉管制冷机热端增加机械弹性元件调相机构。该冷指结构采用机械弹性元件替代脉管制冷机中的小孔-气库、惯性管-气库等调相方式，同时保留脉管制冷机中的脉管结构，并与脉管直线布置，形成机械弹性元件-气体协同调相方式，相比于脉管制冷机冷指结构，该冷指结构在实现制冷机内部气体相位调节的同时，机械弹性元件可有效回收膨胀功，进一步提升制冷机效率，同时减小了气库、惯性管等增加的体积、重量；相比于斯特林制冷机冷指结构，脉管结构的加入，降低了机械噪声及冷指振动输出。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种采用柱簧调相的斯特林-脉管混合冷指，其特征在于：包括膨胀气缸和嵌入安装在膨胀气缸中且与膨胀气缸同轴设置的脉管壳体；所述膨胀气缸包括膨胀气缸体、安装在膨胀气缸体热端空腔开口处的热端配气座、安装在膨胀气缸体冷端空腔开口处的冷帽以及安装在膨胀气缸体上与热端空腔相联通的连接管及过渡管；所述热端配气座中嵌入安装有与脉管壳体同轴设置的机械调相装置；所述机械调相装置包括设置在热端配气座外端部的弹簧固定座、设置在热端配气座内端部且与热端配气座间隙配合的热端弹簧座以及连接在弹簧固定座与热端弹簧座之间的圆柱弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种采用柱簧调相的斯特林-脉管混合冷指，其特征在于：所述脉管壳体外壁与膨胀气缸体内壁之间填充有环形丝网。

3.根据权利要求1所述的一种采用柱簧调相的斯特林-脉管混合冷指，其特征在于：所述热端配气座的中间开设有通孔，且通孔的内端部内壁与脉管壳体的外壁紧密配合；弹簧固定座嵌入安装在通孔的外端部中，热端弹簧座嵌入安装在通孔的内端部中。

4.根据权利要求1所述的一种采用柱簧调相的斯特林-脉管混合冷指，其特征在于：所述膨胀气缸体冷端空腔中填充有紫铜丝网。

5.根据权利要求1所述的一种采用柱簧调相的斯特林-脉管混合冷指，其特征在于：所述热端弹簧座外表面喷涂有耐磨涂层。