CN108375234A - 一种膨胀机单元及脉管型自由活塞斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

根据本发明的膨胀机单元及脉管型自由活塞斯特林制冷机，膨胀机单元包括膨胀活塞、膨胀活塞弹簧、膨胀活塞杆、一级热端换热器、二级热端换热器、回热器、脉冲管以及冷端换热器，膨胀活塞管为直管用于连接制冷机的脉冲管，膨胀活塞管内具有柱形的热交换腔和柱形的膨胀活塞腔，压缩活塞管为直管，压缩活塞管内具有柱形压缩活塞腔，压缩活塞腔与膨胀活塞腔同轴线且相连通，平行于压缩活塞腔轴线，圆盘上设置有多个连通压缩活塞腔与外部的通孔，压缩活塞腔的内径大于膨胀活塞腔的内径，膨胀活塞腔的内径大于热交换腔的内径，热交换腔的内径与脉冲管的内径相同，膨胀活塞在膨胀活塞管中，压缩活塞、膨胀活塞、压缩活塞腔以及膨胀活塞腔构成压缩腔。

Description

一种膨胀机单元及脉管型自由活塞斯特林制冷机

技术领域

本发明属于制冷领域，具体涉及一种膨胀机单元及脉管型自由活塞斯特林制冷机。

背景技术

低温制冷机制冷作为一种重要的获取低温的方法，其广泛应用于航空、军事、超导、通信、电子、冶金、工业气体液化以及生物医疗等领域。特别是近年来，我国航天事业的蓬勃发展，使得低温制冷机在航空航天的应用需求越来越明显，低温制冷机在超导、红外探测器以及气体低温液化方面的应用也越来越广泛。

GLACIER(General Laboratory Active Cryogenic ISS ExperimentRefrigerator)是NASA研制的第一台可同时用于空间站及飞船两个平台的-80℃低温存储装置，采用自由活塞斯特林制冷机制冷，在风模式下，可实现4℃至-95℃的制冷温度；在水冷却模式下，可实现4℃至-160℃的低温存储。为进一步提高在轨及上、下行过程中低温存储能力，NASA与阿拉巴马大学伯明翰分校合作开发了单模块单元尺寸(273x460x522mm)的低温存储产品Polar。该装置同样采用了自由活塞斯特林制冷机作为冷源，可实现-80℃低温存储及样本运输，最大保存容积为12.7L。

由于空间制冷对能耗有严格的要求，因此提高制冷机的效率一直就是空间制冷机的主流研究方向，目前主流的空间制冷机主要是斯特林制冷机和脉管制冷机，比较二者的理论制冷效率，从热力学角度而言，同温限工作下的脉管制冷机效率总是低于斯特林制冷机的。

脉管制冷机的效率之所以低于斯特林制冷机，主要是因为脉管制冷机不像斯特林制冷机有膨胀活塞这样的结构将气体的膨胀功“反馈”至压缩腔，脉管热端的膨胀功主要以热量的形式通过调相机构如惯性管和小孔等耗散至环境中，造成脉管制冷机效率较低。

发明内容

为了在保证脉管制冷机自身优点的同时，提高其制冷效率，声功回收型脉管制冷机应运而生。对于小冷量需求的场合，脉管制冷机在调相机构中耗散的声功非常小，声功回收的意义并不十分显著，而对于在中高温区制冷的大功率脉管制冷机而言，其热端耗散的声功十分可观，对这部分声功的有效回收有望大幅提高其制冷效率。因此，声功回收型脉管制冷机在中温区大冷量方面具有较高研究价值。

本发明的目的之一在于提供一种用于自由活塞斯特林制冷机的新型膨胀机单元及脉管型自由活塞斯特林制冷机。

本发明提供了一种膨胀机单元，设置在机架上，其特征在于，包括膨胀活塞、膨胀活塞弹簧、膨胀活塞杆、一级热端换热器、二级热端换热器、回热器、脉冲管以及冷端换热器，其中，机架包括法兰、膨胀活塞管、压缩活塞管以及底座，法兰呈圆盘形状，该法兰的一侧面设置有同心的圆盘，另一侧面与底座相连，底座呈筒状，一端与法兰相连，另一端为自由端，底座的中心线与法兰的中心线重合，膨胀活塞管为直管，一端与圆盘相连，另一端为自由端，用于连接制冷机的脉冲管，膨胀活塞管内具有柱形的热交换腔和柱形的膨胀活塞腔，热交换腔连通脉冲管，脉冲管、热交换腔以及膨胀活塞腔同轴线且相连通，压缩活塞管为直管，设置在底座中，一端与法兰相连，另一端为自由端，压缩活塞管内具有柱形压缩活塞腔，压缩活塞腔与膨胀活塞腔同轴线且相连通，平行于压缩活塞腔轴线，圆盘上设置有多个连通压缩活塞腔与外部的通孔，压缩活塞腔的内径大于膨胀活塞腔的内径，膨胀活塞腔的内径大于热交换腔的内径，热交换腔的内径与脉冲管的内径相同，一级热端换热器呈圆筒状，套在膨胀活塞管的外壁上且设置在小圆盘的端面上，脉冲管的一端与膨胀活塞管相连，另一端与冷端换热器相连，回热器呈圆筒状，设置在脉冲管的外侧，一端与冷端换热器相连，另一端与一级热端换热器相连，膨胀活塞在膨胀活塞管中，膨胀活塞弹簧通过连接件与机架固定连接，膨胀活塞杆的一端与膨胀活塞相连，另一端与膨胀活塞弹簧相连，压缩活塞、膨胀活塞、压缩活塞腔以及膨胀活塞腔构成压缩腔。

本发明提供了一种脉管型自由活塞斯特林制冷机，具有这样的特征，包括膨胀机单元，膨胀机单元为上述的膨胀机单元。

另外，在本发明提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于，还包括二级热端换热器，设置在热交换腔内，膨胀活塞、二级热端换热器、热交换腔以及膨胀活塞腔构成膨胀腔，膨胀腔与压缩腔同轴布置。

另外，在本发明提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于，还包括设置在脉冲管一端且位于脉冲管内的导流器。

另外，在本发明提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于，还包括设置在机架外部的壳体和设置在膨胀机单元外部的冷指壳。

另外，在本发明提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于，还包括位于一级热端换热器的外侧且设置在冷指壳上的散热器。

另外，在本发明提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于：其中，回热器呈筒状，采用聚酯类薄膜制成。

另外，在本发明提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于：在冷端换热器和回热器还设置有第一滤层，第一滤层呈筒状，采用不锈钢丝网制成。

另外，在本发明提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于：在以及热端换热器和冷端换热器还设置有第二滤层，第二滤层呈筒状，采用脱脂羊毛制成。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机，包括驱动单元、压缩单元、膨胀机单元。

本发明的同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机取消了传统自由活塞斯特林制冷机较长的低温膨胀活塞，以较短室温区工作的功回收膨胀活塞代替。自由活塞斯特林制冷机的膨胀气缸变成了脉管冷指的脉冲管，脉冲管冷端布置有层流化的导流器，热端设有二级热端换热器。这种改变结合了自由活塞斯特林制冷机和脉管制冷机的优点，通过取消在冷热端高频运动的膨胀活塞，消除了低温膨胀活塞带来的泵气损失、穿梭损失以及轴向导热损失。通过热端设置较短的室温膨胀活塞解决了脉管制冷机的声功回收问题，因此，当完全回收冷端声功时，该新型脉管型自由活塞斯特林制冷机理论效率为卡诺循环效率。同时，取消低温膨胀活塞降低了制冷机制造难度，减小了整机质量。

附图说明

图1是本发明的实施例一中脉管型自由活塞斯特林制冷机剖面示意图；

图2是本发明的实施例中机架的立体示意图；

图3是图2中A向视图；

图4是图3中C-C剖视图；

图5是本发明的实施例一中机架的立体剖视示意图；

图6是本发明的实施例二中脉管型自由活塞斯特林制冷机剖面示意图；

图7是本发明的实施例二中机架的立体示意图；

图8是图7中B向视图；

图9是图8中D-D剖视图；

图10是实施例四中一体式机架剖视示意图；

图11是实施例五中一体式机架剖视示意图；

图12是本发明的实施例六中脉管型自由活塞斯特林制冷机剖面示意图；

图13是本发明的实施例六中机架的立体剖视示意图；

图14是本发明的实施例中机架的剖视示意图；以及

图15是本发明的实施例中具有分段式回热器的脉管型自由活塞斯特林制冷机剖面示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机作具体阐述。

实施例一

如图1所示，同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机包括直线电机1、压缩单元、膨胀机单元、无阻尼动力吸振单元4、机架50、以及外壳60。

如图2、3、4、5所示，机架50包括法兰52、设置在法兰52中的活塞管51以及底座53，

其中，法兰52呈圆盘形状，该法兰的一侧还设置有同心的小圆盘521，法兰52上均匀设置有多个连接通孔。

底座53呈筒状，一端与法兰52的一侧相连，另一端为自由端，底座53的中心线与法兰52的中心线重合，底座53的自由端上设置有多个连接螺孔531，实施例中，底座53为围绕法兰52的中心线设置的四个支腿。

活塞管51为直管，设置在法兰52中且与法兰52同轴线，外侧一端开口位于小圆盘521的外侧，内侧一端开口位于底座53内，活塞管51内具有柱形活塞腔，活塞腔上设置有多个垂直于活塞管轴线并穿透活塞管管壁的通孔511，实施例中，通孔511的截面为圆弧槽，数量为3个。

直线电机1包括外轭铁11、内轭铁14以及动子，外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中，动子包括永磁体13和永磁体支架15。

如图1所示，直线电机1主要包括外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14，永磁体支架15，动子包括永磁体13、永磁体支架15、连接件16、固定螺母18、压缩活塞19以及压缩活塞板弹簧17(计算动子质量时只取板弹簧质量的1/3)，永磁体支架15与永磁体13相连接，并与压缩活塞19和连接件16通过螺纹连接。外轭铁11与内轭铁14为软磁材料，常用电功纯铁、硅钢片等材料制作，永磁体13为永磁材料，常用汝铁硼、铝镍钴永磁材料来制作。外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14均为环形，并且采用同轴布置。外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架50上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中。

当线圈通入直流电时，外轭铁11和内轭铁14会形成磁力回线，从而在外轭铁11和内轭铁14上产生磁极。当在线圈中通入交流电时，永磁体13就会受到交变电磁力而做往复直线运动。当永磁体13做往复直线运动时，会带动压缩活塞19做往复直线运动，压缩活塞板弹簧17提供轴向的往复弹性力以及径向支撑。

压缩单元包括连接件16、压缩活塞板弹簧17、固定螺母18、压缩活塞19。压缩活塞板弹簧17通过固定螺母18与连接件16相连接，压缩活塞板弹簧17与机架50通过连接件固定连接，压缩活塞19设置在活塞腔中，一端与动子相连且与压缩活塞弹簧17相连，另一端为自由端。

膨胀机单元包括膨胀活塞21、膨胀活塞板弹簧22、活塞杆23、一级热端换热器26、二级热端换热器33、回热器25、脉冲管31、冷端换热器24、冷指壳35。

一级热端换热器26呈圆筒状，套在活塞管51的外壁上且设置在小圆盘521的端面上，一级热端换热器26与机架50为分体结构，一级热端换热器26与活塞管51的外壁过盈配合。

脉冲管31的一端与活塞管51外侧一端相连，另一端与冷端换热器24相连，

回热器25呈截面呈环形的圆筒状，设置在脉冲管31的外侧，一端与冷端换热器24相连，另一端与一级热端换热器26相连。

二级热端换热器33设置在脉冲管31内，位于脉冲管31与活塞管51的连接处，二级热端换热器33与机架50为分体结构，二级热端换热器33与活塞管51的内壁过盈配合。

膨胀活塞21设置在活塞管51中，膨胀活塞板弹簧22通过连接件与机架50固定连接，活塞杆23的一端与膨胀活塞21相连，另一端穿过压缩活塞19、压缩活塞板弹簧17后与膨胀活塞板弹簧22相连，

压缩活塞19、膨胀活塞21以及活塞腔构成压缩腔，压缩活塞19、二级热端换热器33以及活塞腔构成膨胀腔，膨胀腔与压缩腔为同轴布置。

冷指壳35设置在一级热端换热器26、回热器25、冷端换热器24的外部，外壳60设置在机架50以及膨胀机单元的外部，外壳60、冷指壳35与机架50通过连接件连接成一体。

无阻尼动力吸振单元4与外壳60相连且设置在外壳60的外部，用于对制冷机进行减震。

本实施例适用于220K(-53℃)以上的制冷温度，可以提供50W-200W的制冷量。

实施例二

如图7所示，同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机包括直线电机1、压缩单元、膨胀机单元、无阻尼动力吸振单元4、机架50B、以及外壳60。

如图8、9、10所示，机架50B包括法兰52B、膨胀活塞管51B、压缩活塞管54B以及底座53B，

其中，法兰52B呈圆盘形状，该法兰52B的一侧面设置有同心的圆盘521B，另一侧面与底座53B相连，法兰52B上均匀设置有多个连接通孔。

底座53B呈筒状，一端与法兰52B相连，另一端为自由端，底座53B的中心线与法兰52B的中心线重合，底座53B的自由端上设置有多个连接螺孔531B，实施例中，底座53B为围绕法兰52B的中心线设置的四个支腿。

膨胀活塞管51B为直通管，一端与圆盘521B相连且与圆盘521B同轴线，另一端为自由端，用于连接制冷机的脉冲管，膨胀活塞管51B内具有柱形膨胀活塞腔511B。

压缩活塞管54B为直通管，设置在底座53B中，一端与法兰52B相连且与法兰52B同轴线，另一端为自由端，压缩活塞管54B内具有柱形压缩活塞腔541B，压缩活塞腔541B与膨胀活塞腔511B同轴线且相连通。

平行于压缩活塞腔541B轴线，圆盘521B上设置有多个连通压缩活塞腔541B与外部的通孔522B，通孔522B的数量在3-9个之间。实施例中，通孔522B的截面为圆弧槽，数量为4个。

压缩活塞腔541B的内径大于膨胀活塞腔511B的内径，膨胀活塞腔511B的内径与脉冲管的内径是相同的。

直线电机1包括外轭铁11、内轭铁14以及动子，外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中，动子包括永磁体13和永磁体支架15。

如图7所示，直线电机1主要包括外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14，永磁体支架15，动子包括永磁体13、永磁体支架15、连接件16、固定螺母18、压缩活塞19以及压缩活塞板弹簧17(计算动子质量时只取板弹簧质量的1/3)，永磁体支架15与永磁体13相连接，并与压缩活塞19和连接件16通过螺纹连接。外轭铁11与内轭铁14为软磁材料，常用电功纯铁、硅钢片等材料制作，永磁体13为永磁材料，常用汝铁硼、铝镍钴永磁材料来制作。外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14均为环形，并且采用同轴布置。外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架50B上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中。

当线圈通入直流电时，外轭铁11和内轭铁14会形成磁力回线，从而在外轭铁11和内轭铁14上产生磁极。当在线圈中通入交流电时，永磁体13就会受到交变电磁力而做往复直线运动。当永磁体13做往复直线运动时，会带动压缩活塞19做往复直线运动，压缩活塞板弹簧17提供轴向的往复弹性力以及径向支撑。

压缩单元包括连接件16、压缩活塞板弹簧17、固定螺母18、压缩活塞19。压缩活塞板弹簧17通过固定螺母18与连接件16相连接，压缩活塞板弹簧17与机架50B通过连接件固定连接，压缩活塞19设置在压缩活塞腔541B中，一端与动子相连且与压缩活塞弹簧17相连，另一端为自由端。

膨胀机单元包括膨胀活塞21B、膨胀活塞板弹簧22B、活塞杆23B、一级热端换热器26B、二级热端换热器33B、回热器25B、脉冲管31B、冷端换热器24B、冷指壳35B。

一级热端换热器26B呈圆筒状，套在膨胀活塞管51B的外壁上且设置在小圆盘521B的端面上，一级热端换热器26B与机架50B为分体结构，一级热端换热器26B与活塞管51B的外壁过盈配合。

脉冲管31B的一端与膨胀活塞管51B的一端相连，另一端与冷端换热器24B相连。

回热器25B呈截面呈环形的圆筒状，设置在脉冲管31B的外侧，一端与冷端换热器24B相连，另一端与一级热端换热器26B相连。回热器25B采用聚酯类薄膜、尼龙以及聚四氟乙烯材料中的任意一种制成，实施例中回热器25B采用采用聚酯类薄膜制成。

二级热端换热器33B设置在脉冲管31B内，位于脉冲管31B与膨胀活塞管51B的连接处，二级热端换热器33B与机架50B为分体结构，二级热端换热器33B与膨胀活塞管51B的内壁过盈配合。

膨胀活塞21B设置在膨胀活塞管51B中，膨胀活塞板弹簧22B通过连接件与机架50B固定连接，活塞杆23B的一端与膨胀活塞21B相连，另一端穿过压缩活塞19、压缩活塞板弹簧17后与膨胀活塞板弹簧22B相连，

压缩活塞19、膨胀活塞21B、压缩活塞腔541B以及膨胀活塞腔511B构成压缩腔。

膨胀活塞21B、二级热端换热器33B以及膨胀活塞腔511B构成膨胀腔。膨胀腔与压缩腔为同轴布置。

冷指壳35B设置在一级热端换热器26B、回热器25B、冷端换热器24B的外部，外壳60设置在机架50B以及膨胀机单元的外部，外壳60、冷指壳35B与机架50B通过连接件连接成一体。

散热器27位于一级热端换热器26B的外侧且设置在冷指壳35B上，一级热端换热器26B将热量通过冷指壳35B传递给外侧的散热器27，最终释放给环境。

无阻尼动力吸振单元4与外壳60相连且设置在外壳60的外部，用于对制冷机进行减震。

本实施例适用于120K～220K(-153℃～-53℃)的制冷温度区间，可以提供20W～50W的制冷量。

实施例三

本实施例其它结构与实施例二相同，不同的是还包括设置在脉冲管31B一端且位于脉冲管31B内的导流器32B，该导流器32B与冷端换热器24B相连。

实施例四

本实施例其它结构与实施例二相同，不同的是二级热端换热器33B1与机架50B是一体结构。如图10所示，实施例中，二级热端换热器33B1与机架50B整体采用铝制作而成50B1。

二级热端换热器33B1与机架50B的一体结构有效地消除了二级热端换热器33B1与机架50B之间的接触热阻，同时，二级热端换热器33B1还可以起到导流器的作用。

实施例五

本实施例其它结构与实施例四相同，不同的是一级热端换热器26B2与机架50B是一体结构。如图11所示，实施例中，一级热端换热器26B2、二级热端换热器33B1以及机架50B整体采用铝制作而成50B2。

一级热端换热器26B2、二级热端换热器33B1以及机架50B1的一体结构有效地消除了一级热端换热器26B2、二级热端换热器33B1与机架50B之间的接触热阻，同时，二级热端换热器33B1还可以起到导流器的作用。

实施例六

如图12所示，同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机包括直线电机1、压缩单元、膨胀机单元、无阻尼动力吸振单元4、机架50C、以及外壳60。

如图13、14所示，机架50C包括法兰52C、膨胀活塞管51C、压缩活塞管54C以及底座53C，

其中，法兰52C呈圆盘形状，该法兰52C的一侧面设置有同心的圆盘521C，另一侧面与底座53C相连，法兰52C上均匀设置有多个连接通孔。

底座53C呈筒状，一端与法兰52C相连，另一端为自由端，底座53C的中心线与法兰52C的中心线重合，底座53C的自由端上设置有多个连接螺孔531C，实施例中，底座53C为围绕法兰52C中心线的设置的四个支腿。

膨胀活塞管51C为直管，一端与圆盘521C相连且与圆盘521C同轴线，另一端为自由端，用于连接制冷机的脉冲管，膨胀活塞管内51C具有柱形的热交换腔511C和柱形的膨胀活塞腔512C，热交换腔511C连通脉冲管，脉冲管、热交换腔511C以及膨胀活塞腔512C同轴线且相连通，压缩活塞管54C为直管，设置在底座53C中，一端与法兰52C相连设置在法兰52C的中心，另一端为自由端，压缩活塞管54C内具有柱形压缩活塞腔541C，压缩活塞腔541C与膨胀活塞腔512C同轴线且相连通。

平行于压缩活塞腔541C轴线，圆盘上设置有多个连通压缩活塞腔541C与外部的通孔522C，通孔522C的数量在3-9个之间，实施例中，通孔522C的截面为圆弧槽，数量为4个。

压缩活塞腔541C的内径大于膨胀活塞腔512C的内径，膨胀活塞腔512C的内径大于热交换腔511C的内径，热交换腔511C的内径与脉冲管的内径相同。

直线电机1包括外轭铁11、内轭铁14以及动子，外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中，动子包括永磁体13和永磁体支架15。

如图7所示，直线电机1主要包括外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14，永磁体支架15，动子包括永磁体13、永磁体支架15、连接件16、固定螺母18、压缩活塞19以及压缩活塞板弹簧17(计算动子质量时只取板弹簧质量的1/3)，永磁体支架15与永磁体13相连接，并与压缩活塞19和连接件16通过螺纹连接。外轭铁11与内轭铁14为软磁材料，常用电功纯铁、硅钢片等材料制作，永磁体13为永磁材料，常用汝铁硼、铝镍钴永磁材料来制作。外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14均为环形，并且采用同轴布置。外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架50C上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中。

当线圈通入直流电时，外轭铁11和内轭铁14会形成磁力回线，从而在外轭铁11和内轭铁14上产生磁极。当在线圈中通入交流电时，永磁体13就会受到交变电磁力而做往复直线运动。当永磁体13做往复直线运动时，会带动压缩活塞19做往复直线运动，压缩活塞板弹簧17提供轴向的往复弹性力以及径向支撑。

压缩单元包括连接件16、压缩活塞板弹簧17、固定螺母18、压缩活塞19。压缩活塞板弹簧17通过固定螺母18与连接件16相连接，压缩活塞板弹簧17与机架50C通过连接件固定连接，压缩活塞19设置在压缩活塞腔541C中，一端与动子相连且与压缩活塞弹簧17相连，另一端为自由端。

膨胀机单元包括膨胀活塞21C、膨胀活塞板弹簧22C、活塞杆23C、一级热端换热器26C、二级热端换热器33C、回热器25C、脉冲管31C、冷端换热器24C、冷指壳35C。

一级热端换热器26C呈圆筒状，套在膨胀活塞管51C的外壁上且设置在小圆盘521C的端面上，一级热端换热器26C与机架50C为分体结构，一级热端换热器26C与膨胀活塞管51C的外壁过盈配合。

脉冲管31C的一端与膨胀活塞管51C的一端相连，另一端与冷端换热器24C相连，冷端换热器24C设置在冷指壳35C的端部。

回热器25C呈截面呈环形的圆筒状，设置在脉冲管31C的外侧，一端与冷端换热器24C相连，另一端与一级热端换热器26C相连。回热器25C采用聚酯类薄膜、尼龙以及聚四氟乙烯材料中的任意一种制成，实施例中回热器25C采用采用聚酯类薄膜制成。

二级热端换热器33C设置在热交换腔511C内，位于脉冲管31C与膨胀活塞管51C的连接处，二级热端换热器33C与机架50C为分体结构，二级热端换热器33C与膨胀活塞管51C的内壁过盈配合。

膨胀活塞21C设置在膨胀活塞腔512C中，膨胀活塞板弹簧22C通过连接件与机架50C固定连接，活塞杆23C的一端与膨胀活塞21C相连，另一端穿过压缩活塞19、压缩活塞板弹簧17后与膨胀活塞板弹簧22C相连。

压缩活塞19、膨胀活塞21C、压缩活塞腔541C以及膨胀活塞腔512C构成压缩腔，膨胀活塞21C、二级热端换热器33C、膨胀活塞腔512C以及热交换腔511C构成膨胀腔，压缩腔与膨胀腔同轴设置。

冷指壳35C设置在一级热端换热器26C、回热器25C、冷端换热器24C的外部，外壳60设置在机架50C以及膨胀机单元的外部，外壳60、冷指壳35C与机架50C通过连接件连接成一体。

散热器27位于一级热端换热器26C的外侧且设置在冷指壳35C上，一级热端换热器26C将热量通过冷指壳35C传递给外侧的散热器27，最终释放给环境。

无阻尼动力吸振单元4与外壳60相连且设置在外壳60的外部，用于对制冷机进行减震。

膨胀活塞与压缩活塞的运动过程以及气体流动过程：

膨胀活塞板弹簧22C与活塞杆23C固定，膨胀活塞21C与活塞杆23C相连。

膨胀活塞21C为纯气动驱动，利用膨胀活塞21C和压缩活塞19之间的位移相位差产生制冷效应，通常膨胀活塞21C的位移领先压缩活塞19约70°～100°，在低温区(冷头温度在-153℃以下)时，位移相位差会减小至50°～60°。由于直线电机为正弦交流电激励，所以膨胀活塞21C和压缩活塞19的运动也是呈正弦曲线的连续运动，但为了阐述其工作原理，假设膨胀活塞21C与压缩活塞19按照循环规律做间歇性跳跃式运动。

声波压缩过程：膨胀活塞21停留在上止点不动，压缩活塞19由下止点向上运动，此时主压缩腔29C内的声波被压缩，并流入气缸外侧的一级热端换热器26C，将压缩过程产生的热量释放给一级热端换热器26C，一级热端换热器26C再将热量通过外壳体传递给外侧的散热器27，最终释放给环境。理想情况下认为气缸与外壳体是完全导热的，同时一级热端换热器26C与散热器27的换热面积无限大，因此工质的温度保持不变。但在实际过程中，等温压缩是不可能实现的，且膨胀活塞21C不可能间歇运动，在压缩活塞19向上运动的时膨胀活塞21C已经开始向下运动。

回热器放热过程：压缩活塞19运动至上止点后不动，膨胀活塞21C向下运动，此时声波通过回热器25C，与回热器25C内的填料充分接触换热，将热量释放至回热器25C内，此时回热器25C的温度升高，声波温度和压力降低。但在实际换热过程中，回热器25C换热过程并不是定容的，也不可能实声波和回热器25C填料的完全换热。

声波层流流动过程：气体流经冷端换热器24C后通过导流器32C，以层流的形式进入脉冲管31C，把脉冲管31C内气体推向膨胀腔28C。气体受挤压后，压力和温度上升。产生的热量通过二级热端换热器33C沿径向传递至一级热端换热器26C，最终传递至散热器27并释放给环境。在膨胀腔28C内的气体膨胀做功，辅助推动膨胀活塞向下止点，功回收压缩腔34C变小，起到了回收声功的作用。在实际工作过程中，压缩活塞19并不会一直停留在上止点，而是会随膨胀活塞21C一起向下运动，但需指出的是两者并不是同向运动而是膨胀活塞领先压缩活塞一定的相位角。

声波制冷过程：膨胀活塞21C从下止点开始向上运动至上止点，压缩活塞19运动至下止点，膨胀活塞21C将膨胀腔28C内的声波推回至脉冲管31C中，气体在脉冲管内膨胀吸热，产生制冷效应，在脉冲管31C顶部靠近导流器32C处达到最低制冷温度。产生的冷量通过冷端换热器24C导出至用冷环境。声波工质再沿原路径返回回热器25C内并与填料充分接触换热，吸收回热器25C内的热量后，重新返回主压缩腔29C等待下一次压缩。该过程声波的温度和压力上升，回热器25C温度下降。在实际过程中，压缩活塞19达到下止点时膨胀活塞21C并未达到上止点，而是在返回上止点的过程中，但其在位移波相位上仍超前压缩活塞19。

本实施例适用于120K(-153℃以下的制冷温度)，可以提供2W～20W的制冷量。

气体流动过程详细描述：

如图1所示，当压缩活塞(19)向上止点运动时，将压缩腔(29)内的气体从机座上的排气通道压入一级换热器(26)，将压缩过程产生的热量释放给一级换热器(26)后，气体工质沿轴向继续向上运动流过回热器，将热量释放给回热器后温度降低，流经冷端换热器(24)后通过导流器(32)以层流的形式进入脉冲管(31)沿轴向向下运动，把脉冲管(31)内气体推向膨胀腔(28)。气体受挤压后，压力和温度上升。产生的热量通过二级换热器(33)沿径向传递至一级换热器(26)，最终传递至散热器(27)并释放给环境。气体到达膨胀腔(28)后膨胀做功，推动膨胀活塞向下至点运动。当膨胀活塞(21)运动至下止点后，再在弹簧弹力的作用下向上止点运动，将膨胀腔(28)内的气体推回至脉冲管。气体在脉冲管内膨胀吸热，产生制冷效应，在脉冲管(31)顶部靠近导流器(32)处达到最低制冷温度。此后气体流经冷端换热器后再次回到回热器，吸收回热器的热量，沿轴向继续向下运动经过热端换热器后再返回压缩腔等待下一次被压缩。

如图9所示，实施例二中第二种机架50B上多个开轴向的腰型孔522B作为进气通道，相比于实施例一中第一种机架50上开多个径向小孔，轴向腰型孔可以避免气体进出压缩腔时流向有90°的转动。大大的减小了气体工质的流阻损失，提升制冷机的制冷性能。同时，由于气体进出压缩腔时不需要转动90°，可使气体以较大的流速通过回热器，根据对流换热的传热原理可知，流速越大，气固换热的表面传热系数越大，从而强化了回热器的回热效果，减小了回热器的回热损失，提升制冷机的制冷性能。优选的，522B的截面积约占整个小圆台521B截面积的40％～60％。

比较实施例一、实施例二、实施例六中的三种制冷机的应用场合。

如图1、6、12所示，实施例一、实施例二、实施例六中的三种制冷机分别对应为制冷机I、制冷机II、制冷机III。

脉管型斯特林制冷机压缩活塞表面PV功＜W_PV＞＝P₀A_cX_cπfsin(θ)其中P0时压力波幅值、Ac为压缩活塞的截面积、Xc为压缩活塞行程、f为运行频率、θ是压缩活塞的位移超前压缩腔压力波的相位角。由上述公式可以看出，压缩活塞截面积Ac越大，相同Xc行程下的输入功越大。

脉管型斯特林制冷机膨胀活塞表面PV功＜W_PV＞＝P₀A_eX_eπfsin(φ)其中P0时压力波幅值、Ae为膨胀活塞的截面积、Xe为膨胀活塞行程、f为运行频率、φ是膨胀活塞超前压缩活塞的位移相位角。由上述公式可以看出，膨胀活塞截面积Ae越大，膨胀活塞表面PV功越大，制冷机制冷量增大。

制冷机I、II、III的压缩活塞外径相同，所以在相同压缩活塞行程下，电机的输入功相同。在相同的输入功下，比较三种制冷机的适用场合。

制冷机I的膨胀活塞外径与脉管内径相同，膨胀活塞外径最大，具有较大的PV功，所以制冷量较大。但脉管内径较大所以制冷温度较高。适用于高温区(-53℃以上)大冷量(50W～200W)的场合。

制冷机II的膨胀活塞外径与脉管内径相同，但均小于制冷机I。所以制冷机II的膨胀活塞PV功小于制冷机I，所以制冷量小于制冷机I。但脉管内径小于制冷机I，所以制冷温度低于制冷机I。适用于中温区(-153℃～-53℃)中冷量的场合。

制冷机III的膨胀活塞外径大于脉管内径，制冷机III的膨胀活塞外径与制冷机II相同，但脉管内径小于制冷机II，较小的脉管内径易获得更低的制冷温度。所以制冷机III适用于低温区(低于-153℃)小冷量(小于20W)的场合。

实施例七

本实施例其它结构与实施例三相同，不同的是在冷端换热器24C和回热器25C之间还设置有第一滤层，第一滤层呈截面呈环形的筒状，采用不锈钢丝网制成。不锈钢丝的丝径为20-50μm，实施例中，不锈钢丝的丝径为30μm。氦气通过该不锈钢丝层时压降小，不锈钢丝层具有蓄冷能力强，流动性强的特点。

实施例八

本实施例其它结构与实施例四相同，不同的是在以及热端换热器26C和回热器25C还设置有第二滤层，第二滤层呈截面呈环形的筒状，采用脱脂羊毛制成。羊毛的丝径为10-30μm，实施例中，羊毛的丝径为20μm。羊毛层具有缓冲装配，调整装配尺寸的特点。

如图15所示，分段式回热器分为三段，从上至下分别为不锈钢丝网、聚酯类薄膜以及脱脂羊毛，其长度比为1:8:1,不锈钢丝网、聚酯类薄膜以及脱脂羊毛的空隙率分别为70％、50％、70％。

实施例九

本实施例其它结构与实施例六相同，不同的是二级热端换热器33C与机架50C是一体结构。实施例中，二级热端换热器33C与机架50C整体采用铝制作而成。

二级热端换热器与机架的一体结构有效地消除了二级热端换热器33C与机架50C之间的接触热阻，同时，二级热端换热器33C还可以起到导流器的作用。

实施例十

本实施例其它结构与实施例九相同，不同的是一级热端换热器26C与机架50C是一体结构。实施例中，一级热端换热器26C、二级热端换热器33C以及机架50C整体采用铝制作而成。

一级热端换热器26C、二级热端换热器33C以及机架50C的一体结构有效地消除了一级热端换热器26C、二级热端换热器33C与机架50C之间的接触热阻，同时，二级热端换热器33C还可以起到导流器的作用。

实施例的作用与效果

本实施例的脉管型自由活塞斯特林制冷机取消了传统自由活塞斯特林制冷机较长的低温膨胀活塞，以较短室温区工作的功回收膨胀活塞代替。自由活塞斯特林制冷机的膨胀气缸变成了脉管冷指的脉冲管，脉冲管冷端布置有层流化的导流器，热端设有二级热端换热器。这种改变结合了自由活塞斯特林制冷机和脉管制冷机的优点，通过取消在冷热端高频运动的膨胀活塞，消除了低温膨胀活塞带来的泵气损失、穿梭损失以及轴向导热损失。通过热端设置较短的室温膨胀活塞解决了脉管制冷机的声功回收问题，因此，当完全回收冷端声功时，该新型脉管型自由活塞斯特林制冷机理论效率为卡诺循环效率。同时，取消低温膨胀活塞降低了制冷机制造难度，减小了整机质量。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种膨胀机单元，设置在机架上，其特征在于，包括：

膨胀活塞、膨胀活塞弹簧、膨胀活塞杆、一级热端换热器、二级热端换热器、回热器、脉冲管以及冷端换热器，

其中，所述机架包括法兰、膨胀活塞管、压缩活塞管以及底座，

所述法兰呈圆盘形状，该法兰的一侧面设置有同心的圆盘，另一侧面与所述底座相连，

所述底座呈筒状，一端与法兰相连，另一端为自由端，所述底座的中心线与所述法兰的中心线重合，

所述膨胀活塞管为直管，一端与所述圆盘相连，另一端为自由端，用于连接制冷机的脉冲管，所述膨胀活塞管内具有柱形的热交换腔和柱形的膨胀活塞腔，所述热交换腔连通所述脉冲管，所述脉冲管、所述热交换腔以及所述膨胀活塞腔同轴线且相连通，所述压缩活塞管为直管，设置在所述底座中，一端与所述法兰相连，另一端为自由端，所述压缩活塞管内具有柱形压缩活塞腔，所述压缩活塞腔与所述膨胀活塞腔同轴线且相连通，

平行于所述压缩活塞腔轴线，所述圆盘上设置有多个连通所述压缩活塞腔与外部的通孔，

所述压缩活塞腔的内径大于所述膨胀活塞腔的内径，所述膨胀活塞腔的内径大于所述热交换腔的内径，所述热交换腔的内径与所述脉冲管的内径相同，

所述一级热端换热器呈圆筒状，套在所述膨胀活塞管的外壁上且设置在所述小圆盘的端面上，

所述脉冲管的一端与所述膨胀活塞管相连，另一端与所述冷端换热器相连，

所述回热器呈圆筒状，设置在所述脉冲管的外侧，一端与所述冷端换热器相连，另一端与所述一级热端换热器相连，

所述膨胀活塞在所述膨胀活塞管中，所述膨胀活塞弹簧通过连接件与所述机架固定连接，所述膨胀活塞杆的一端与所述膨胀活塞相连，另一端与所述膨胀活塞弹簧相连，

所述压缩活塞、所述膨胀活塞、所述压缩活塞腔以及所述膨胀活塞腔构成压缩腔。

2.一种脉管型自由活塞斯特林制冷机，其特征在于，包括：

膨胀机单元，所述膨胀机单元为权利要求1所述的膨胀机单元。

3.根据权利要求2所述的脉管型自由活塞斯特林制冷机，其特征在于，还包括：

二级热端换热器，设置在所述热交换腔内，所述膨胀活塞、所述二级热端换热器、所述热交换腔以及所述膨胀活塞腔构成膨胀腔，所述膨胀腔与所述压缩腔同轴布置。

4.根据权利要求2所述的脉管型自由活塞斯特林制冷机，其特征在于，还包括：

设置在所述脉冲管一端且位于所述脉冲管内的导流器。

5.根据权利要求2所述的脉管型自由活塞斯特林制冷机，其特征在于，还包括：

设置在所述机架外部的壳体和设置在所述膨胀机单元外部的冷指壳。

6.根据权利要求5所述的脉管型自由活塞斯特林制冷机，其特征在于，还包括：

位于所述一级热端换热器的外侧且设置在所述冷指壳上的散热器。

7.根据权利要求2所述的脉管型自由活塞斯特林制冷机，其特征在于：

其中，所述回热器呈筒状，采用聚酯类薄膜制成。

8.根据权利要求2所述的脉管型自由活塞斯特林制冷机，其特征在于：

在所述冷端换热器和所述回热器还设置有第一滤层，所述第一滤层呈筒状，采用不锈钢丝网制成。

9.根据权利要求2所述的脉管型自由活塞斯特林制冷机，其特征在于：

在所述以及热端换热器和所述冷端换热器还设置有第二滤层，所述第二滤层呈筒状，采用脱脂羊毛制成。