CN107543328B - 多级脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级脉管制冷机，包括多级冷头、惯性管系统及压缩机，每一级冷头由冷却器、回热器、冷量换热器及脉管顺次连接而成，所述的压缩机具有由阶梯活塞形成的多个压缩腔，每一级冷头连接不同的压缩腔，所述的惯性管系统由惯性管和气库顺次连接组成，每一级冷头的脉管与惯性管相连。与现有技术相比，本发明的多级脉管制冷机克服了多级脉管制冷机第二级及第二级以上调相不足的困难和压比过低的困难。

Description

多级脉管制冷机

技术领域

本发明涉及一种制冷机，尤其是涉及一种多级脉管制冷机。

背景技术

双级脉管制冷机中预冷式脉管制冷机是最先成功进入实际应用的。第一级脉管由于膨胀功比较大，惯性管的调相能力足够，但第二级脉管由于膨胀功很小，调相能力不足，而且，第二级脉管的回热器有两个，采用一个压缩腔时，第二级脉管的压比小于第一级脉管。而制冷温度较低时，压比高了对回热器效率提高有利。如果提高第二级脉管的压比，第一级脉管的压比将会高于理想范围。因此到目前为止，双级脉管制冷机在制冷温度35K范围适合，20K或低于20K仍然在研究当中。

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多级脉管制冷机。

本发明采用的压缩机具有同相的压缩腔，每一级冷头与不同的压缩腔相连，每一级冷头的脉管共用一个惯性管，这样，每一级冷头的脉管的压比可一样，因此第二级脉管的第二级回热器可处在较高压比下，效率较高。同时，每一级冷头的脉管共用一个惯性管，使得第一级冷头的调相能力自动补充第二级冷头，使第二级冷头也达到好的调相水平。这样，第二级冷头的制冷能力从理论上得以提高。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多级脉管制冷机，包括多级冷头、惯性管系统及压缩机，每一级冷头由冷却器、回热器、冷量换热器及脉管顺次连接而成，所述的压缩机具有由阶梯活塞形成的多个压缩腔，每一级冷头连接不同的压缩腔，所述的惯性管系统由惯性管和气库顺次连接组成，每一级冷头的脉管与惯性管相连。

进一步地，压缩腔与冷头之间设有调相气库。

进一步地，所述的调相气库可以是冷头与压缩腔之间的死容积，也可以是其间的连接管。

进一步地，所述的阶梯活塞下部设置活塞环槽，从而使阶梯活塞与阶梯气缸间的间隙密封长度可控。或，所述的阶梯气缸上设置气缸环槽，从而使阶梯活塞与阶梯气缸间的间隙密封长度可控。再或者，所述的阶梯活塞下部设置活塞环槽的同时所述的阶梯气缸上也设置气缸环槽，从而使阶梯活塞与阶梯气缸间的间隙密封长度可控。

本发明中，压缩机由阶梯活塞与阶梯气缸形成的多个压缩腔可由多个串联在一根轴上的压缩腔替代。

进一步地，所述的压缩机设有两个，对置式设置，每个压缩机的每个压缩腔分别与每一级冷头的冷却器相连接，采用对置式压缩机，以减小制冷机的振动。

进一步地，所述的多级脉管制冷机采用被动式或主动式平衡块的方式减小振动。

进一步地，当多级脉管制冷机具体为二级脉管制冷机时，二级脉管制冷机包括第一级冷头、第二级冷头、惯性管系统及压缩机；第一级冷头由第一级冷却器、第一级回热器、第一级冷量换热器、第一级脉管顺次连接而成；第二级冷头由第二级冷却器、第二级第一回热器、第二级预冷换热器、第二级第二回热器、第二级冷量换热器、第二级脉管顺次连接而成；第一级预冷热桥与第一级冷量换热器和第二级预冷换热器热连结；惯性管系统由惯性管和气库顺次连接组成，第一级脉管和第二级脉管同时与惯性管相连；压缩机由阶梯活塞、阶梯气缸及驱动机构构成，形成第一压缩腔与第二压缩腔；第一压缩腔与第一级冷头的第一级冷却器相连接，第二压缩腔与第二级冷头的第二级冷却器相连接。

进一步地，当多级脉管制冷机具体为三级脉管制冷机时，三级脉管制冷机包括第一级冷头、第二级冷头、第三级冷头、惯性管系统及压缩机；第一级冷头由第一级冷却器、第一级回热器、第一级冷量换热器、第一级脉管顺次连接而成；第二级冷头由第二级冷却器、第二级第一回热器、第二级预冷换热器、第二级第二回热器、第二级冷量换热器、第二级脉管顺次连接而成；第三级冷头由第三级冷却器、第三级第一回热器、第三级第一预冷换热器、第三级第二回热器、第三级第二预冷换热器、第三级第三回热器、第三级冷量换热器、第三级脉管顺次连接而成；第三级第一预冷热桥与第二级预冷换热器和第三级第一预冷换热器热连结，第一级预冷热桥与第一级冷量换热器和第二级预冷换热器热连结，第三级第二预冷热桥与第二级冷量换热器和第三级第二预冷换热器热连结；惯性管系统由惯性管和气库顺次连接组成，第一级脉管、第二级脉管、第三级脉管同时与惯性管相连；压缩机由阶梯活塞、阶梯气缸及驱动机构构成，形成第一压缩腔、第二压缩腔及第三压缩腔；第一压缩腔与第一级冷头的第一级冷却器相连接，第二压缩腔与第二级冷头的第二级冷却器相连接，第三压缩腔与第三级冷头的第三级冷却器相连接。

与现有技术相比，本发明采用阶梯活塞与阶梯气缸，形成与冷头级数相同的压缩腔，使得每个压缩腔与每一级冷头的冷却器相连，向每一级冷头供气，每一级冷头的脉管热端共用一个惯性管，克服了多级脉管制冷机第二级及第二级以上调相不足的困难和压比过低的困难。

此外，本发明还在压缩腔与冷头的冷却器之间设有独立的调相气库，从而进一步对回热器调相。

此外，本发明还在阶梯活塞或阶梯气缸上设置活塞环槽或汽缸环槽，从而使阶梯活塞与阶梯气缸间的间隙密封长度可控。

附图说明

图1为实施例1中二级脉管制冷机结构示意图；

图2为实施例2中三级脉管制冷机结构示意图；

图3为实施例3中擦用对置式压缩机的二级脉管制冷机结构示意图；

图4为实施例4中使用的活塞结构示意图；

图5为实施例5中使用的活塞结构示意图；

图6为实施例6中使用的活塞结构示意图；

图7为实施例7中使用的活塞结构示意图；

图8为实施例8中压缩机结构示意图。

图中标号：10、第一级冷头，11、第一级冷却器，12、第一级回热器，13、第一级冷量换热器，14、第一级脉管，20、第二级冷头，21、第二级冷却器，22a、第二级第一回热器，22b、第二级预冷换热器，22b’、第一级预冷热桥，22c、第二级第二回热器，23、第二级冷量换热器，24、第二级脉管，30、第三级冷头，31、第三级冷却器，32a、第三级第一回热器，32b、第三级第一预冷换热器，32c、第三级第二回热器，32b’、第三级第一预冷热桥，32d、第三级第二预冷换热器，32d’、第三级第二预冷热桥，32e、第三级第三回热器，33、第三级冷量换热器，34、第三级脉管，40、惯性管系统，41、惯性管，42、气库，50、压缩机，51、第一压缩腔，52、第二压缩腔，53、第三压缩腔，54、阶梯活塞，541、活塞环槽，5455、间隙密封，55、阶梯气缸，551、气缸短环槽，552、气缸长环槽，56、驱动机构，57、背腔，61、第一调相气库，62、第二调相气库，63、第三调相气库。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例为阶梯活塞式二级脉管制冷机。其中，第一级冷头10由第一级冷却器11、第一级回热器12、第一级冷量换热器13、第一级脉管14顺次连接而成；第二级冷头20由第二级冷却器21、第二级第一回热器22a、第二级预冷换热器22b、第二级第二回热器22c、第二级冷量换热器23、第二级脉管24顺次连接而成；第一级预冷热桥22b’与第一级冷量换热器13和第二级预冷换热器22b热连结；惯性管系统40由惯性管41和气库42顺次连接组成，第一级脉管14和第二级脉管24同时与惯性管41相连；压缩机50由阶梯活塞54、阶梯气缸55及驱动机构56构成，形成第一压缩腔51与第二压缩腔52；第一压缩腔51与第一级冷头10的第一级冷却器11相连接，第二压缩腔52与第二级冷头20的第二级冷却器21相连接；在第一压缩腔51与第一级冷却器11间有第一调相气库61；在第二压缩腔52与第二级冷却器21间有第二调相气库62。

压缩机50的作用是输入功从而产生压力波动而驱动冷头制冷，冷量从第一级冷量换热器13与第二级冷量换热器23输出，惯性管41的作用是调相，气库42起辅助调相功能，使惯性管缩短，从而减小气体摩擦损失，获得更强的调相效果。一般上第一级冷量换热器13制冷温度大约在77-60K，二级冷量换热器23制冷温度大约在35-20K。压缩机的驱动机构一般用片弹簧悬浮的直线电机，也可用干摩擦的直线电机或曲柄连杆机构。

第一级预冷热桥22b’使第一级冷头的冷量补偿第二级第一回热器22a的热损失，使其不通过第二级第二回热器22c流向第二级冷量换热器23从而使第二级冷头冷量增大。

本实施例中，阶梯活塞压缩机50的压缩腔有两个，分别为第一压缩腔51与第二压缩腔52，这两个压缩腔分别向第一级冷头与第二级冷头供气，惯性管41为第一级冷头与第二级冷头共用，这样，供惯性管内气体振动的膨胀功为第一级冷头与第二级冷头的膨胀功之和，使惯性管有足够的调相能力，比第二级冷头单独一个惯性管的调相能力大增，第二级冷头可以获得更好的调相效果。由于在室温端压缩机对第一级冷头与第二级冷头供气分离，回热器也不会串气，从而不会引起直流气体，产生由于直流而引起的回热器损失。由于第一级脉管14与第二级脉管24的热端相连接，其压比一样，这样就回避了第二级回热器压比低的问题，而第二级回热器由第二级第一回热器22a、第二级预冷换热器22b、第二级第二回热器22c组成，即第二级回热器较长，第二压缩腔的压比要高于第一压缩腔的压比。惯性管的特性是制冷功率越大，频率越高，压比越低，调相能力越大，回热器的特性是压比越高，频率越低，效率越高，这二者有一个平衡。

在理想状态下，压力波形在第一压缩腔和第二压缩腔是一样的，因此理论上输入到第一级冷头的功与到第二级冷头的功与扫气容积成正比，而第一级冷头和第二级冷头的制冷量是设计的目标参数，是给定的。因此扫气容积也基本给定了。而理想的回热器是大约在回热器的中间位置处气体的流量与压力同相，其他部分流量与压力不同相，因为回热器有空容积，在压力有波动时产生于压力成90度的气流分量。从脉管热端算起的分量由惯性管提供，从压缩腔算起的分量由压缩腔提供。但是第一级冷头的回热器与第二级冷头的回热器大小不一样，因此，两个回热器达到最佳状态所要求的压缩腔扫气容积不一样。这是一个功分配与调相的耦合问题。一般来讲，当一个回热器达到最佳状态时，另一个达不到，为了克服这个困难，设计时将扫气容积比保持设计值，同时使扫气容积最大的压缩腔容积做到让其对应的回热器达到最佳，另一个超过最佳的扫气容积，超过部分用调相气库平衡。这就是设置调相气库的主要原因，另一个原因是调相气库可调节压缩机的共振频率使其与冷头匹配，如果驱动机构是直线电机的话。因此调相气库的设置是很重要的。但调相气库可以只设一个。

为了减小第二级脉管24的导热损失，第二级脉管24的大约中间部位也可用热桥与第一级冷头13连结。

阶梯活塞主要是产生同相的压缩腔，也可由其他形式。

本发明采用阶梯活塞形成多个气缸，从而便于采用直线电机驱动，直线电机驱动是目前最简单的，而且可很容易获得长寿命。

实施例2

如图2所示，本实施例为阶梯活塞式三级脉管制冷机，与实施例1不同的是，压缩机50增加了第三压缩腔53，同时增加了第三级冷头30；第三级冷头30由第三级冷却器31，第三级第一回热器32a，第三级第一预冷换热器32b，第三级第二回热器32c，第三级第二预冷换热器32d，第三级第三回热器32e，第三级冷量换热器33，第三级脉管34顺次连接而成。第三级脉管34与惯性管41相连接，即惯性管41为第一级冷头、第二级冷头及第三级冷头共用。第三压缩腔53与第三级冷头30的第三级冷却器31相连接；在第三压缩腔53与第三级冷却器31间设有第三调相气库63。

第三级第一预冷热桥32b’与第二级预冷换热器22b和第三级第一预冷换热器32b热连结，由于第二级预冷换热器22b和第一级冷量换热器13之间通过第一级预冷热桥22b’热连结，因此，第三级第一预冷热桥32b’与第一级冷量换热器13和第三级第一预冷换热器32b热连结；第三级第二预冷热桥32d’与第二级冷量换热器23和第三级第二预冷换热器32d热连结。

第三级第一预冷热桥32b’使第一级冷头的冷量补偿第三级第一回热器32a的热损失，使其不通过第三级第二回热器32c流向第二级冷量换热器23从而使第二级冷量增大；第三级第二预冷热桥32d’使第二级冷头的冷量补偿第三级第二回热器32c的热损失，使其不通过第三级第三回热器32e流向第三级冷量换热器33从而使第三级冷量增大；第三调相气库63的作用和第一调相气库61及第二调相气库62一样。

为了减小第三级脉管34的导热损失，第三级脉管34大约靠近热端1/3的部位也可用热桥与第一级冷头13连结。第三级脉管34大约靠近冷端1/3的部位也可用热桥与第二级冷头23连结。

依照实施例1、实施例2记载的方案，采用同样的方法可以做出更多级的脉管制冷机，因此，本发明的脉管制冷机不局限于二级脉管制冷机与三级脉管制冷机。

实施例3

如图3所示，本实施例为采用对置式压缩机的双级脉管制冷机。与实施例1不同之处在于，本实施例中采用两个对置式设置的压缩机50，每个压缩机50同样具有第一压缩腔51与第二压缩腔52；每个压缩机的第一压缩腔51均与第一级冷头10的第一级冷却器11相连接，每个压缩机的第二压缩腔52均与第二级冷头20的第二级冷却器21相连接。

本实施例采用对置式压缩机的目的在于减小振动。

本实施例中，在第一压缩腔51与第一级冷却器11间可以不设置第一调相气库61，也可以设置第一调相气库61；在第二压缩腔52与第二级冷却器21间可以不设置第二调相气库62，也可以设置第二调相气库62。

对于如实施例2所述的三级脉管制冷机或多于三级的多级脉管制冷机都可采用对置式压缩机。

此外，对于多级脉管制冷机也可采用被动式或主动式平衡块的方式减小振动。

实施例4

一般为了提高寿命，阶梯活塞54与阶梯气缸55之间采用间隙密封。实施例1的结构中阶梯活塞54与阶梯气缸55的间隙密封5455的长度会随阶梯活塞54位置而改变，因而第一压缩腔51与第二压缩腔52间的泄流量不仅与回热器的流动阻力有关，也与阶梯活塞54位置有关，这就会造成第一压缩腔51与第二压缩腔52间有一个直流分量存在，从而在第一级冷头10与第二级冷头20间产生直流分量。直流分量是具有环路的脉管制冷机如双向进气脉管制冷机的一个基本现象，如果不加以抑制，制冷机效率减低或温度不稳定。

为了克服这个困难，如图4所示，本实施例在阶梯活塞54下部设置活塞环槽541，从而使间隙密封5455的长度可控。如果活塞环槽541的长度很长，在最大行程时密封长度也不变，则为定长度密封。

实施例5

基于实施例4的描述，为了进一步控制间隙密封的长度以控制直流分量，本实施例在实施例4已经在阶梯活塞54下部设置活塞环槽541的基础上，进一步在阶梯气缸55上设置气缸短环槽551，如图5所示。

实施例6

如图6所示，与实施例4不同之处在于，本实施例在阶梯气缸55上设置气缸长环槽552，在阶梯活塞54最大行程时，间隙密封5455的长度仍然不变。

实施例7

如图7所示，本实施例的阶梯活塞与阶梯气缸的结构是适配于实施例2所记载三级脉管制冷机的，本实施例在三级阶梯活塞54下部设置两个活塞环槽541，从而使间隙密封5455的长度可控。

当然，本实施例的阶梯活塞与阶梯气缸也可以采用图5所示的结构。

实施例8

实施例1-7中的阶梯活塞主要是产生多个压缩腔，自然地，这多个压缩腔同相。同相的多个压缩腔也可由其他形式，如由几个串联在一根轴上的几个气缸组成，。这里同相的隐含意义在于由一个直线电机驱动，从而使运动部件只有一个，从而使结构简化。如由传统对置式直线电机驱动，结构也同样简单，因为成对使用的对置式直线电机结构一样，这样用同一个驱动电源即可驱动，两个电机运行规律一样，可实现振动微小。

如图8所示，本实施例的压缩机50采用两个推移活塞串联起来可合成为一个阶梯推移活塞，具体而言，本实施例中压缩机50包括一气缸，在气缸内设有隔板将气缸分为两个腔，第一个腔内均设有一个活塞，将第一个腔分为第一压缩腔51和背腔57，在第二个腔内均设有另一个活塞，将第二个腔分为第二压缩腔52和背腔57，两个背腔57通过连接管连通，两个活塞通过一个穿过隔板的活塞杆连接。即，本实施例的压缩机50同样包括同相的第一压缩腔51与第二压缩腔52。但是本实施例活塞与气缸均不使用阶梯结构。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多级脉管制冷机，包括多级冷头、惯性管系统及压缩机，每一级冷头由冷却器、回热器、冷量换热器及脉管顺次连接而成，其特征在于，所述的压缩机具有由阶梯活塞形成的多个压缩腔，每一级冷头连接不同的压缩腔，所述的惯性管系统由惯性管和气库顺次连接组成，每一级冷头的脉管与惯性管相连。

2.根据权利要求1所述的一种多级脉管制冷机，其特征在于，压缩腔与冷头之间设有调相气库。

3.根据权利要求2所述的一种多级脉管制冷机，其特征在于，所述的调相气库可以是冷头与压缩腔之间的死容积，也可以是其间的连接管。

4.根据权利要求1所述的一种多级脉管制冷机，其特征在于，所述的阶梯活塞下部设置活塞环槽，从而使阶梯活塞与阶梯气缸间的间隙密封长度可控。

5.根据权利要求1所述的一种多级脉管制冷机，其特征在于，压缩机由阶梯活塞、阶梯气缸及驱动机构构成，所述的阶梯气缸上设置气缸环槽，从而使阶梯活塞与阶梯气缸间的间隙密封长度可控。

6.根据权利要求1所述的一种多级脉管制冷机，其特征在于，压缩机由阶梯活塞、阶梯气缸及驱动机构构成，所述的阶梯活塞下部设置活塞环槽，同时，所述的阶梯气缸上设置气缸环槽，从而使阶梯活塞与阶梯气缸间的间隙密封长度可控。

7.根据权利要求1所述的一种多级脉管制冷机，其特征在于，所述的压缩机设有两个，对置式设置，每个压缩机的每个压缩腔分别与每一级冷头的冷却器相连接。

8.根据权利要求1所述的一种多级脉管制冷机，其特征在于，压缩机由阶梯活塞与阶梯气缸形成的多个压缩腔可由多个串联在一根轴上的压缩腔替代。

9.根据权利要求1所述的一种多级脉管制冷机，其特征在于，为二级脉管制冷机，二级脉管制冷机包括第一级冷头、第二级冷头、惯性管系统及压缩机；

第一级冷头由第一级冷却器、第一级回热器、第一级冷量换热器、第一级脉管顺次连接而成；

第二级冷头由第二级冷却器、第二级第一回热器、第二级预冷换热器、第二级第二回热器、第二级冷量换热器、第二级脉管顺次连接而成；

第一级预冷热桥与第一级冷量换热器和第二级预冷换热器热连结；

惯性管系统由惯性管和气库顺次连接组成，第一级脉管和第二级脉管同时与惯性管相连；

压缩机由阶梯活塞、阶梯气缸及驱动机构构成，形成第一压缩腔与第二压缩腔；第一压缩腔与第一级冷头的第一级冷却器相连接，第二压缩腔与第二级冷头的第二级冷却器相连接。

10.根据权利要求1所述的一种多级脉管制冷机，其特征在于，为三级脉管制冷机，三级脉管制冷机包括第一级冷头、第二级冷头、第三级冷头、惯性管系统及压缩机；

第一级冷头由第一级冷却器、第一级回热器、第一级冷量换热器、第一级脉管顺次连接而成；

第二级冷头由第二级冷却器、第二级第一回热器、第二级预冷换热器、第二级第二回热器、第二级冷量换热器、第二级脉管顺次连接而成；

第三级冷头由第三级冷却器、第三级第一回热器、第三级第一预冷换热器、第三级第二回热器、第三级第二预冷换热器、第三级第三回热器、第三级冷量换热器、第三级脉管顺次连接而成；

第三级第一预冷热桥与第二级预冷换热器和第三级第一预冷换热器热连结，第一级预冷热桥与第一级冷量换热器和第二级预冷换热器热连结，第三级第二预冷热桥与第二级冷量换热器和第三级第二预冷换热器热连结；

惯性管系统由惯性管和气库顺次连接组成，第一级脉管、第二级脉管、第三级脉管同时与惯性管相连；

压缩机由阶梯活塞、阶梯气缸及驱动机构构成，形成第一压缩腔、第二压缩腔及第三压缩腔；第一压缩腔与第一级冷头的第一级冷却器相连接，第二压缩腔与第二级冷头的第二级冷却器相连接，第三压缩腔与第三级冷头的第三级冷却器相连接。

Images