CN110360762A - 超低温制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超低温制冷机，包括气缸（13）、冷头（4）、推移活塞（11）和膨胀腔（9），所述气缸（13）的冷端插入至冷头（4）的内腔底部且气缸（13）的冷端端面与冷头（4）的内腔底面之间留有狭小间隙，该气缸（13）的外周面与冷头（4）的内壁面之间的间隙形成第一流通段（6）、气缸（13）的内周面与推移活塞（11）的外壁之间的间隙形成第二流通段（7），第一流通段（6）通过上述狭小间隙与膨胀腔（9）相连通且通过气缸（13）圆周壁上设置的气孔（5）与第二流通段（7）相连通、第二流通段（7）始终与推移活塞（11）的低温段的排气孔（11b）相连通。本发明的超低温制冷机能增加有效换热面积且提升换热效率。
Description
技术领域
本发明涉及低温制冷机技术领域，具体地说是一种结构简单、能增加有效换热面积且提升换热效率的超低温制冷机。
背景技术
以吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)制冷机为代表的超低温制冷机具有工作气体(也称为制冷剂气体)的膨胀机及压缩机。该类制冷机由压缩机提供排出的高压气流，经由配气机构进入到置于气缸内，上下往复运动的推移活塞内，与蓄冷材料进行换热，再到膨胀腔内做功膨胀，再经过推移活塞，流出配气机构，回到压缩机低压腔内。通过上述连续循环过程，形成制冷效应。
参考图2，制冷机包含压缩机1、罩体结构2、气缸13、推移活塞11，罩体结构2内装驱动机构和配气结构（图2中未画出），驱动机构带动推移活塞11在气缸13内上下运动。压缩机1向气缸13内排入高压制冷剂气体并吸出低压制冷剂气体，通过推移活塞11对膨胀腔9压缩、膨胀，形成制冷效应，然后利用冷头4将制冷效应传导出去。提升换热效率的办法一是增加换热面积或气体流动路程；二是强化气体与换热器的传热系数。
传统的经典换热方式如图1所示。传统经典的推移活塞11在低温段的圆周上布置了排气孔11b，并且排气孔11b（含排气孔11b区域）以下的活塞对流段L1对应的推移活塞11的外周小于排气孔11b（不含排气孔11b区域）上侧区域对应的推移活塞11的外周，即将推移活塞11的外圆周做成阶梯状，这样，活塞对流段L1与冷头4 的内周面形成了环形气体通道——狭缝换热器，制冷剂气体从排气孔11b排出经过活塞对流段L1后进入到膨胀腔9内。由于制冷剂气体只能在活塞对流段L1的距离内与冷头4 的内周面形成强迫对流换热，换热效果较好；当气流进入膨胀腔9内，气体流速大大降低，无法形成强迫对流，换热效果大大降低，不能充分与整个冷头4的内周面进行热交换（主要是活塞行程S1），因此要提升换热效率，必须增大L1的长度，从而增加整个制冷机的外形尺寸。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种结构简单、能增加有效换热面积且提升换热效率的超低温制冷机。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种超低温制冷机，包括气缸、冷头以及置于气缸内沿气缸的轴向往复运动的推移活塞，推移活塞的下端与所述冷头的内腔底面之间形成制冷剂气体的膨胀腔，其特征在于：所述气缸的冷端插入至冷头的内腔底部且气缸的冷端端面与冷头的内腔底面之间留有狭小间隙，所述气缸的外周面与冷头的内壁面之间的间隙形成第一流通段、所述气缸的内周面与所述推移活塞的外壁之间的间隙形成第二流通段，所述的第一流通段通过上述狭小间隙与膨胀腔相连通且通过气缸圆周壁上设置的气孔与第二流通段相连通、第二流通段始终与所述推移活塞的低温段的排气孔相连通；所述的制冷剂气体能够由所述的膨胀腔流入第一流通段以及第二流通段、或者反向由所述的第二流通段流入第一流通段并进入到膨胀腔内。
所述的气孔在推移活塞运动过程中始终处于第二流通段所在区域。
所述的第二流通段沿气缸的轴向长度大于推移活塞的活塞行程。
所述的气孔沿气缸的低温段圆周壁均匀设置。
所述的气孔至气缸的冷端端面的距离不超过整个气缸的长度的1/3。
所述冷头的内腔截面呈凸字型，则冷头的上端开孔部向内突出从外套住并焊接在气缸上的气孔 的上侧位置处以形成气密结构，此时冷头的内腔内壁与气缸的下部外周面之间的间隙形成环形狭缝状的第一流通段，且第一流通段与气孔连通。
所述气缸的外周面呈上大下小的阶梯状，气缸直径小的部分插入冷头的内腔中且气孔布置在该部分上，该部分气缸的外周面与冷头的内壁面之间的间隙形成第一流通段。
所述的冷头的内周面尺寸与气缸的插入段的外径一直，在冷头的的内周面和/或气缸的外周面上加工有能够连通气孔和膨胀腔的螺旋槽作为第一流通段。
所述推移活塞的低温段的排气孔处设有一环状凹槽，该环状凹槽与对应的气缸的内周面之间的间隙形成第二流通段。
所述的推移活塞的外周面的外径与气缸的内周面的内径一直，在推移活塞的排气孔区域和/或气缸的内周面上加工有能够连通排气孔和气孔的螺旋槽作为第二流通段。
所述狭小间隙的高度为0.5mm～1mm。
所述的超低温制冷机为活塞式低温制冷机。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的超低温制冷机仅需增加气缸的轴向长度，不需要增加额外的零部件，加工方便，同时强迫对流换热的距离由原有的L1增加为L1+S1，制冷机的换热效率将有5%以上的提升；同时制冷机的外形尺寸与传统的制冷机外形尺寸一致，即在不改变外形尺寸的基础上，提升了换热效率，可用于现有的制冷机中的第二级冷头中，应用于超导磁体、低温泵、红外传感器等低温仪器中；具有结构简单、零部件较少的优点，适宜推广使用。
附图说明
附图1为传统的气缸、冷头的结构示意图；
附图2为本发明的超低温制冷机的一种实施方式的结构示意图；
附图3为本发明的气缸结构示意图；
附图4为本发明的超低温制冷机在推移活塞运动到上止点时的剖面结构示意图；
附图5为附图4中的截面结构示意图；
附图6为本发明的超低温制冷机在推移活塞运动到下止点时的剖面结构示意图。
其中：1—压缩机；2—罩体结构；3—气体管路；4—冷头；5—气孔；6—第一流通段；7—第二流通段；8—室温腔；9—膨胀腔；10—热端密封件；11—推移活塞；11a-室温通道；11b-排气孔；11c-蓄冷材料；13—气缸；L1—活塞对流段；S1—活塞行程。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图2所示：图2是本发明的一个实施例的低温制冷机的结构示意图。制冷机包含压缩机1、罩体结构2、气体管路3、气缸 13、推移活塞11、室温腔8和热端密封件10。压缩机1通过将制冷剂气体吸入、压缩，而使之作为高压的制冷剂气体排出，气体管路3将该高压的制冷剂气体向罩体结构2进行供给；气缸13的本体采用304不锈钢制成，推移活塞11在驱动机构（图中未画出）的带动下一起在气缸13内沿着上下方向运动，推移活塞11 向图中上方移动，则膨胀腔9容积增加并与室温腔8的容积以互补的形式发生变化。反之，对应的膨胀腔容积变小。在上述膨胀腔容积的变化下，来流的制冷剂气体经室温通道11a与推移活塞11内部的蓄冷材料11c进行热交换，再从排气孔11b流出；沿着上述气体流动方向，即向下方向，气缸 13 以及推移活塞11连续降低形成温度梯度。回流的气体与上述流动过程相反，制冷剂气体从膨胀腔9流出，通过排气口11b与推移活塞11内的蓄冷材料11c进行换热，从室温通道11a流出，进入到罩体结构2内，再流到压缩机1的低压侧；该过程中，制冷剂气体从蓄冷材料吸收热量，由低温变成常温。在流动过程，低温制冷剂气体与冷头4进行热交换，吸收外界的热量，形成制冷效应。
下面通过举例对本发明实施方案进行详细说明。
具体实施过程中，如图3所示。气缸13一般采用不锈钢材质加工，沿着轴向做成薄壁管件，并且在气缸13低温段的圆周上加工气孔5，气孔5 至气缸13 冷端的距离不超过整个气缸13的长度的1/3；气孔5能够将气缸13的内周面和外周面直接连通。
如图4-6所示，冷头4采用无氧铜加工，做成盲端的圆管，内腔的截面形状为凸字型，冷头4的上端开孔部向内突出从外套住并焊接在气缸13上的气孔5 的上侧位置（图4所示的冷头4与气缸13的接触部分），以形成气密结构。这样冷头4的内周向外凹陷面直径大于气缸13的相应插入段的外周面直径，两者之间的间隙形成环形狭缝状的第一流动段6，并且使得气孔5与第一流动段6连通。
除上述方式外，还可以采用其它方式形成上述的第一流动段6。具体说，可将气缸13 的外周面做成阶梯状，靠近低温段的一侧直径小，且气孔5 布置在该直径小的气缸13上。该段气缸13的外周面与冷头4的内周面之间的间隙形成第一流动段6。或者是，冷头4的内周面内径与气缸13的低温段的外径一致，在冷头4的内周面和/或气缸13的外周面上加工螺旋槽，使得螺旋槽分别与气孔5和膨胀腔9连通即可。
上述介绍了三种第一流动段6的实施方式，但不限于上述的结构形式。
第二流通段7可采用以下方式来实施。在推移活塞11的低温段加工一凹陷段构成凹槽，使得低温段上的排气孔11b与凹槽连通，且凹槽与气缸13低温段的内周面形成第二流通段7，并且第二流通段7在推移活塞11上下运动过程始终连通气孔5和排气孔11b。凹槽下侧至推移活塞11底部的距离段与气缸13的低温段的内周面之间有密封件，密封件可以是接触式密封也可以是非接触式密封，例如迷宫密封形式。通过密封件来阻断第二流动段7与膨胀腔9的直接气体流动。
在实施过程中，推移活塞11 上下往复运动中，如图4所示，推移活塞11由下止点向上止点运行，即膨胀腔9的容积增大过程。制冷剂气体流经蓄冷材料11c进行热量交换，由推移活塞11上的排气孔11b排出，经过第二流通段7、气孔5、进入到第一流通段6，最后进入膨胀腔9内（图4中虚线代表气体的流经途径）。当推移活塞11由上止点向下止点运动，即膨胀腔9容积变小过程（如图6所示），制冷剂气体由膨胀腔9压入到第一流通段6，经过气孔5、第二流通段7、由排气孔11b进入到蓄冷材料11c中，进行热交换（图6中虚线代表气体的流经途径）。上述过程中，任意时刻制冷剂气体都会通过第一流通段6，并且流动的距离为L1+S1，第一流通段6的间隙尺寸可以根据制冷剂气体流动的温区、压力来设计，使其流动为强迫对流，并且第一流通段6的外壁为冷头4壁面，低温的制冷剂气体将直接将冷量传递给冷头4，从而提高制冷机换热效率。
具体实施过程中，冷头4的材质为传热率极高的无氧铜制作，通过真空钎焊的方式与气缸13气密的连接起来。无论推移活塞11 处于什么位置或状态，第一流通段6始终为换热段，并且根据第一流通段6的实施办法，如果在冷头4的内周面上或者气缸13的外周面上加工出螺旋槽或平行槽，可进一步增大制冷剂气体与冷头4直接的热接触面积。
在本发明提供的实施方案中，与传统制冷机相比，并未增加任何零部件。仅仅只是在气缸13的低温段的圆周上多加工了一组气孔5且气缸13 的冷端整体插入到冷头4内，与冷头4的内腔底面有0.5mm～1mm的间距，用于连通第一流通段6与膨胀腔9。气缸13的外周面与冷头4 的内周面围成的第一流通段6的径向尺寸可以设定在0.3mm～1mm之间，形成狭缝换热器。由于气缸为以整体，内周面的圆柱度由机械加工来保障，推移活塞11始终在气缸13内运动，两者之间的间隙能够精确控制到1微米以内，不用考虑传统结构中冷头4与推移活塞11的低温段外周之间的间隙配合。并且由于气缸13 的低温段的外周面与冷头4的内周面围成的第一流通段6的间隙为0.3mm～1mm，因此对气缸13和冷头4的同轴要求不高，焊接难度不大，且不用考虑推移活塞11在运动过程中与冷头4侧向磨损问题。
本发明的超低温制冷机仅需增加气缸13的轴向长度，不需要增加额外的零部件，加工方便，同时强迫对流换热的距离由原有的L1增加为L1+S1，制冷机的换热效率将有5%以上的提升；同时制冷机的外形尺寸与传统的制冷机外形尺寸一致，即在不改变外形尺寸的基础上，提升了换热效率，可用于现有的制冷机中的第二级冷头中，应用于超导磁体、低温泵、红外传感器等低温仪器中；具有结构简单、零部件较少的优点，适宜推广使用。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
Claims (12)
1.一种超低温制冷机，包括气缸（13）、冷头（4）以及置于气缸（13）内沿气缸（13）的轴向往复运动的推移活塞（11），推移活塞（11）的下端与所述冷头（4）的内腔底面之间形成制冷剂气体的膨胀腔（9），其特征在于：所述气缸（13）的冷端插入至冷头（4）的内腔底部且气缸（13）的冷端端面与冷头（4）的内腔底面之间留有狭小间隙，所述气缸（13）的外周面与冷头（4）的内壁面之间的间隙形成第一流通段（6）、所述气缸（13）的内周面与所述推移活塞（11）的外壁之间的间隙形成第二流通段（7），所述的第一流通段（6）通过上述狭小间隙与膨胀腔（9）相连通且通过气缸（13）圆周壁上设置的气孔（5）与第二流通段（7）相连通、第二流通段（7）始终与所述推移活塞（11）的低温段的排气孔（11b）相连通；所述的制冷剂气体能够由所述的膨胀腔（9）流入第一流通段（6）以及第二流通段（7）、或者反向由所述的第二流通段（7）流入第一流通段（6）并进入到膨胀腔（9）内。
2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的气孔（5）在推移活塞（11）运动过程中始终处于第二流通段（7）所在区域。
3.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的第二流通段（7）沿气缸（13）的轴向长度大于推移活塞（11）的活塞行程（S1）。
4.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的气孔（5）沿气缸（13）的低温段圆周壁均匀设置。
5.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的气孔（5）至气缸（13）的冷端端面的距离不超过整个气缸（13）的长度的1/3。
6.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述冷头（4）的内腔截面呈凸字型，则冷头（4）的上端开孔部向内突出从外套住并焊接在气缸（13）上的气孔（5） 的上侧位置处以形成气密结构，此时冷头（4）的内腔内壁与气缸（13）的下部外周面之间的间隙形成环形狭缝状的第一流通段（6），且第一流通段（6）与气孔（5）连通。
7.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述气缸（13）的外周面呈上大下小的阶梯状，气缸（13）直径小的部分插入冷头（4）的内腔中且气孔（5）布置在该部分上，该部分气缸（13）的外周面与冷头（4）的内壁面之间的间隙形成第一流通段（6）。
8.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的冷头（4）的内周面尺寸与气缸（13）的插入段的外径一直，在冷头的（4）的内周面和/或气缸（13）的外周面上加工有能够连通气孔（5）和膨胀腔（9）的螺旋槽作为第一流通段（6）。
9.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述推移活塞（11）的低温段的排气孔（11b）处设有一环状凹槽，该环状凹槽与对应的气缸（13）的内周面之间的间隙形成第二流通段（7）。
10.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的推移活塞（11）的外周面的外径与气缸（13）的内周面的内径一直，在推移活塞（11）的排气孔（11b）区域和/或气缸（13）的内周面上加工有能够连通排气孔（11b）和气孔（5）的螺旋槽作为第二流通段（7）。
11.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述狭小间隙的高度为0.5mm～1mm。
12.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的超低温制冷机为活塞式低温制冷机。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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