CN203258916U - 一种自由活塞式脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自由活塞式脉管制冷机，包括至少一个制冷单元，所述制冷单元包括依次连接的压缩装置、回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器，所述脉管内置有一个自由活塞系统，所述自由活塞系统包括自由活塞和弹簧，所述自由活塞与脉管间隙配合并通过弹簧与脉管热端换热器相连。本实用新型在脉管内放置一个自由活塞系统，在脉管中的自由活塞不仅可以取代脉管制冷机中的气体活塞以回收气体的膨胀功从而提高脉管制冷机的本征效率，而且还可以实现相位调节，从而省去了惯性管和气库等结构较为复杂的调相机构，使制冷机的结构更加紧凑。

Description

一种自由活塞式脉管制冷机

技术领域

本实用新型涉及一种脉管制冷机，尤其涉及一种自由活塞式脉管制冷机。

背景技术

脉管制冷机由Gifford和Longsworth于1964年提出，它在冷端不存在运动部件，具有高可靠性和长寿命的潜在优势，经过近半个世纪的发展，脉管制冷机目前已广泛应用于航空航天、低温超导等领域。根据驱动源的不同，脉管制冷机主要分为G-M脉管制冷机（也称低频脉管制冷机）和Stirling脉管制冷机（也称高频脉管制冷机）；G-M脉管制冷机由G-M制冷机的压缩机驱动，其工作频率一般为1～2Hz，Stirling脉管制冷机由线性压缩机驱动，其工作频率一般在30Hz。

脉管制冷机虽然已在地面及空间领域得到广泛应用，但是其较低的本征效率限制了其进一步应用。理论分析指明由于脉管制冷机无法回收脉管中的膨胀功，使得该部分膨胀功以热量的形式在脉管热端耗散掉，导致脉管制冷机的本征效率（低温热源的温度/高温热源的温区）小于斯特林制冷机的效率（卡诺效率）。当前超导领域对低温制冷机有着巨大的需求，美国能源部分析报告指出为满足未来高温超导设备的冷却要求，制冷机的效率应该高于0.1（80K）。

公告号为CN100485828C的中国专利就公开了一种高温超导器件的冷却装置，包括制冷机冷头和导冷片，制冷机端挠性连接偶件与制冷机冷头上的法兰相连，超导端挠性连接偶件通通过柔性导冷带与制冷机端挠性连接偶件柔性连接，导冷杆和导冷片相连接，导冷片夹于高温超导磁体绕组之间，导冷杆置于高温超导磁体组合的外围，上、下导冷端板分别位于高温超导器件组合的上、下表面。该冷却装置适于高温超导器件的冷却，但不适于脉管制冷机，而当前脉管制冷机的效率普遍低于0.1（80K），无法满足高温超导器件冷却对高效制冷技术的要求，同时脉管制冷机在深低温，尤其在温度低于10K的温区效率极低，使得进一步提高效率成为脉管制冷机研究的热点和难点。

气凝胶是一种具有多孔结构的外表呈固体状的物质，密度极小，当前世界上最轻的气凝胶的密度仅为0.16毫克/立方厘米，同时具有非常好的弹性，可以在体积压缩至20%时恢复原状，而且具有较好的绝热性能。

实用新型内容

本实用新型提供一种自由活塞式脉管制冷机，在脉管内布置一个自由活塞系统，以使自由活塞式脉管制冷机能够回收脉管中的膨胀功，从而提高其本征效率至理想卡诺效率，且结构紧凑，以满足高温超导器件的高效冷却需求。

一种自由活塞式脉管制冷机，包括至少一个制冷单元，所述制冷单元包括依次连接的压缩装置、回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器，所述脉管内置有一个自由活塞系统，所述自由活塞系统包括自由活塞和弹簧，所述自由活塞与脉管间隙配合并通过弹簧与脉管热端换热器相连。

所述自由活塞和弹簧可采用可拆卸的机械连接或利用化学胶连接。

脉管中的自由活塞不仅可以取代脉管制冷机中的气体活塞，而且可以实现相位调节，从而省去了惯性管和气库等结构较为复杂的调相机构，使制冷机的结构更加紧凑。

为将脉管制冷机的理论效率提高至卡诺效率。作为优选，所述制冷单元为一个，所述压缩装置为低频压缩机组，低频压缩机组包括依次连接形成回路的压缩机、级后冷却器、压缩机低压控制阀和压缩机高压控制阀，压缩机低压控制阀和压缩机高压控制阀之间的管路连接所述回热器。

上述自由活塞式脉管制冷机的具体连接方式为：压缩机与级后冷却器、低压控制阀和高压控制阀依次连接形成回路，压缩机低压控制阀和压缩机高压控制阀之间的管路与回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器依次相连接，自由活塞置于脉管内并与脉管间隙配合，自由活塞通过弹簧与脉管热端换热器相连。

回热器是脉管制冷机的核心部件，减小回热器损失对提高脉管制冷机性能具有决定性的影响，而双向进气可以有效的减小通过回热器的气体流量，从而减小回热器的损失，进而提高脉管制冷机的性能。

更为优选，所述脉管热端换热器还连接有一个双向进气阀，所述双向进气阀一端与脉管热端换热器连通，双向进气阀另一端与回热器和低频压缩机组之间的管路连通。

上述自由活塞式脉管制冷机的具体连接方式为：低频压缩机组包括依次连接形成回路的压缩机、级后冷却器、压缩机低压控制阀和压缩机高压控制阀，低频压缩机组的压缩机低压控制阀和压缩机高压控制阀之间的管路与回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器依次相连接，自由活塞置于脉管内，通过弹簧与脉管热端换热器相连；所述双向进气阀一端与脉管热端换热器连通，双向进气阀另一端与回热器和低频压缩机组之间的管路连通。

如背景技术中所述，低频压缩机组由于存在高低压切换阀等阻力部件，使得压缩机组的效率较低，而高频脉管制冷机由于采用无阀的线性压缩机，且驱动线性压缩机的线性电机的效率较高，使高频脉管制冷机具有高效工作的潜能。

更为优选，所述压缩装置为线性压缩机。

上述自由活塞式脉管制冷机的具体连接方式为：线性压缩机与回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器依次连接，自由活塞置于脉管内，通过弹簧与脉管热端换热器相连。

为获得更低的制冷温度，同时在更低的制冷温度下获得较高的制冷性能，可以采用多级脉管制冷机的结构，在多级脉管制冷机的至少一个脉管中布置有带有自由活塞和弹簧的自由活塞系统，以实现脉管中膨胀功的回收，进而提高脉管制冷机的本征效率。

考虑到气凝胶的特殊力学性质和热物理性质，作为优选，上述任一自由活塞式脉管制冷机的自由活塞是由气凝胶柱构成。

所述气凝胶柱的长度为脉管长度的1/3-1/2，使其在回收脉管中膨胀功的同时有效的隔绝高温段和低温段气体之间的热交换以及气体和脉管壁面之间的穿梭损失，从而提高脉管制冷机的性能。

所述气凝胶柱的形状为圆柱状。

在上述自由活塞式脉管制冷机中的脉管中布置一个可以自由移动的由气凝胶构成的自由活塞，利用气凝胶良好的绝热性能，可以有效的减少脉管中的穿梭损失和气体导热损失，从而进一步提高自由活塞式脉管制冷机的效率。同时，由气凝胶构成的自由活塞可以在压缩阶段将气体的压缩功通过形变储存在该自由活塞内，在膨胀阶段将储存在该自由活塞内的压缩功释放，从而实现脉管中膨胀功的回收，进而实现脉管制冷机本征制冷性能的提高，以满足当前对高效脉管制冷机的迫切需求。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

（1）自由活塞式脉管制冷机通过在脉管制冷机的脉管中设置自由活塞以取代脉管制冷机中的气体活塞，实现脉管中膨胀功的回收，进而实现脉管制冷机本征制冷性能的提高，以满足当前对高效脉管制冷机的需求。

（2）与当前被动调相式脉管制冷机相比，自由活塞式脉管制冷机可以回收脉管中的膨胀功，同时结构紧凑；与采用热端膨胀机或弹簧振子的脉管制冷机相比，本自由活塞式脉管制冷机结构简单。

（3）将具有良好绝热性能的气凝胶柱做成脉管制冷机的自由活塞，可以有效的减少脉管中的穿梭损失和气体导热损失，从而进一步提高脉管制冷机的效率。

附图说明

图1为本实用新型自由活塞式脉管制冷机的一种实施方式的结构示意图；

图2为本实用新型自由活塞式脉管制冷机的另一种实施方式的结构示意图；

图3为本实用新型自由活塞式脉管制冷机的又一种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明，应当明白，以下仅作为例示性，并不限制本实用新型的范围。

实施例1

如图1所示，一种自由活塞式脉管制冷机包括压缩机C、级后冷却器AC、压缩机低压控制阀LV和压缩机高压控制阀HV、回热器RG、冷端换热器HX2、脉管PT、自由活塞FP、弹簧S以及脉管热端换热器HX3。

上述各部件的连接关系如下：压缩机C、级后冷却器AC、压缩机高压控制阀HV和压缩机低压控制阀LV依次串连形成低频压缩机组的循环回路；回热器RG的入口与压缩机高压控制阀HV和压缩机低压控制阀LV之间的管路连通；回热器RG的出口依次通过管路与冷端换热器HX2、脉管PT以及脉管热端换热器HX3连通；自由活塞FP置于脉管PT内并与脉管PT间隙配合，其内径略小于脉管PT的内径，其长度可根据模拟计算结果选择为脉管长度的1/3-1/2，自由活塞FP通过弹簧S与脉管热端换热器HX3相连。

实施例2

利用气凝胶柱构成实施例1中的自由活塞，其他结构和实施例1相同，本实施方式的活塞式脉管制冷机的具体结构为：包括压缩机C、级后冷却器AC、压缩机低压控制阀LV和压缩机高压控制阀HV、回热器RG、冷端换热器HX2、脉管PT、自由活塞FP、弹簧S以及脉管热端换热器HX3。

压缩机C、级后冷却器AC、压缩机高压控制阀HV和压缩机低压控制阀LV依次串连形成低频压缩机组的循环回路；回热器RG的入口与压缩机高压控制阀HV和压缩机低压控制阀LV之间的管路连通；回热器RG的出口依次通过管路与冷端换热器HX2、脉管PT以及脉管热端换热器HX3连通；由气凝胶柱构成的自由活塞FP置于脉管PT内并与脉管PT间隙配合，其内径略小于脉管PT的内径，其长度可根据模拟计算结果选择为脉管长度的1/3-1/2，由气凝胶柱构成的自由活塞FP通过弹簧S与脉管热端换热器HX3相连。

本实施方式的活塞式脉管制冷机的运行过程为：

初始阶段，压缩机低压调节阀LV、压缩机高压调节阀HV均处于关闭状态，气体经过压缩机C压缩后变成高温高压气体，高温高压气体流经级后冷却器AC后冷却至室温，当气体压力高于设定值时，压缩机高压调节阀HV开启，高压室温气体从压缩机高压阀HV处流出通过回热器RG并与其中的填料进行换热，温度降低进入后续相关部件中，脉管PT中的高压气体对自由活塞FP进行压缩将气体的压缩功储存在自由活塞FP内，使整个系统均处于高压状态，然后压缩机高压调节阀HV关闭，压缩机低压调节阀LV开启，气体经过脉管PT、自由活塞FP、回热器RG最终通过压缩机低压调节阀LV回到压缩机C，自由活塞FP在低压阶段将高压阶段内储存在其内的压缩功释放出来，由此完成一个循环，在循环过程中，进出冷端换热器HX2的气体存在温差，由此产生制冷效应，冷量从冷端换热器HX2中取出用以冷却各种需要冷却的设备和器件。

实施例3

如图2所示，一种自由活塞式脉管制冷机包括压缩机C、级后冷却器AC、压缩机低压控制阀LV和压缩机高压控制阀HV、回热器RG、冷端换热器HX2、脉管PT、自由活塞FP、弹簧S、脉管热端换热器HX3以及双向进气阀O。自由活塞FP由气凝胶柱构成，该气凝胶柱为圆柱状，内径略小于脉管PT的内径，其长度可根据模拟计算结果选择为脉管长度的1/3-1/2。

上述各部件的连接关系如下：压缩机C、级后冷却器AC、压缩机高压控制阀HV和压缩机低压控制阀LV依次串连形成低频压缩机组的循环回路；回热器RG的入口与压缩机高压控制阀HV和压缩机低压控制阀LV之间的管路连通；回热器RG的出口依次通过管路与冷端换热器HX2、脉管PT以及脉管热端换热器HX3连通；自由活塞FP置于脉管PT内并与脉管PT间隙配合，自由活塞FP通过弹簧S与脉管热端换热器HX3相连；双向进气阀O一端与回热器RG与低频压缩机组之间的管路连通，双向进气阀O另一端与脉管热端换热器HX3连通。

本实施方式的自由活塞式脉管制冷机的运行过程为：

初始阶段，压缩机低压调节阀LV、压缩机高压调节阀HV均处于关闭状态，气体经过压缩机C压缩后变成高温高压气体，高温高压气体流经级后冷却器AC后冷却至室温，当气体压力高于设定值时，压缩机高压调节阀HV开启，高压室温气体从压缩机高压阀HV处流出分为两股，一股通过回热器RG并与其中的填料进行换热，温度降低进入后续相关部件中，脉管PT中的高压气体对自由活塞FP进行压缩将气体的压缩功储存在自由活塞FP内，另一股从双向进气阀O通过脉管热端换热器HX3进入脉管PT中，使整个系统均处于高压状态，然后压缩机高压调节阀HV关闭，压缩机低压调节阀LV开启，气体在脉管热端换热器HX3处分成两股，一股从双向进气阀O通过压缩机低压调节阀LV回到压缩机C，另一股依次通过脉管PT、自由活塞FP、回热器RG最终通过压缩机低压调节阀LV回到压缩机C，自由活塞FP在低压阶段将高压阶段内储存在其内的压缩功释放出来，由此完成一个循环，在循环过程中，进出冷端换热器HX2的气体存在温差，由此产生制冷效应，冷量从冷端换热器HX2中取出用以冷却各种需要冷却的设备和器件。

实施例4

如图3所示，一种自由活塞式脉管制冷机包括线性压缩机C’、回热器热端换热器HX1、回热器RG、冷端换热器HX2、脉管PT、自由活塞FP、弹簧S以及脉管热端换热器HX3。自由活塞FP是由气凝胶柱构成，该气凝胶柱为圆柱状，其内径略小于脉管PT的内径，其长度可根据模拟计算结果选择为脉管长度的1/3-1/2。

上述部件的连接关系如下：线性压缩机C’与回热器热端换热器HX1、回热器RG、冷端换热器HX2、脉管PT、脉管热端换热器HX3依次连接，自由活塞FP置于脉管PT内并与脉管PT间隙配合，自由活塞FP通过弹簧S与脉管热端换热器HX3相连。

该实施方式的自由活塞式脉管制冷机的运行过程为：

在高压阶段，经过线性压缩机C’压缩的高温高压气体流经回热器热端换热器HX1后冷却至室温，然后与回热器RG中的回热填料进行换热，温度降低，然后依次流经冷端换热器HX2、脉管PT、自由活塞FP以及脉管热端换热器HX3，脉管PT中的高压气体对自由活塞FP进行压缩将气体的压缩功储存在自由活塞FP内；之后进入低压周期，气体从脉管热端换热器HX3依次经自由活塞FP、脉管PT、冷端换热器HX2、回热器RG回到线性压缩机C’中完成一个循环，在循环过程中进出冷端换热器HX2的气体存在温差，从而在冷端换热器HX2处产生制冷效应，冷量从冷端换热器HX2中取出用以冷却各种需要冷却的设备和器件。

Claims (7)

1.一种自由活塞式脉管制冷机，包括至少一个制冷单元，所述制冷单元包括依次连接的压缩装置、回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器，其特征在于，所述脉管内置有一个自由活塞系统，所述自由活塞系统包括自由活塞和弹簧，所述自由活塞与脉管间隙配合并通过弹簧与脉管热端换热器相连。

2.根据权利要求1所述的自由活塞式脉管制冷机，其特征在于，所述制冷单元为一个，所述压缩装置为低频压缩机组，低频压缩机组包括依次连接形成回路的压缩机、级后冷却器、压缩机低压控制阀和压缩机高压控制阀，压缩机低压控制阀和压缩机高压控制阀之间的管路连接所述回热器。

3.根据权利要求2所述的自由活塞式脉管制冷机，其特征在于，所述脉管热端换热器还连接有一个双向进气阀，所述双向进气阀一端与脉管热端换热器连通，双向进气阀另一端与回热器和低频压缩机组之间的管路连通。

4.根据权利要求1所述的自由活塞式脉管制冷机，其特征在于，所述压缩装置为线性压缩机。

5.根据权利要求1-4中任一所述的自由活塞式脉管制冷机，其特征在于，所述自由活塞的长度为脉管长度的1/3-1/2。

6.根据权利要求1-4中任一所述的自由活塞式脉管制冷机，其特征在于，所述自由活塞由气凝胶柱构成。

7.根据权利要求5所述的自由活塞式脉管制冷机，其特征在于，所述自由活塞由气凝胶柱构成。

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