一种带有弹簧减震的气动式G‑M制冷机的制作方法

本发明涉及低温制冷机技术领域，特别涉及一种带有弹簧减震的气动式G-M制冷机。

背景技术：

G-M制冷机是一种利用压缩气体的绝热放气制冷的低温制冷机，在现代科技、医学和低温物理实验等领域获得广泛应用。G-M制冷机分为压缩机和膨胀机两大部分，其中压缩部分多采用普通制冷压缩机并配以专门的气体净化系统，从而使成本降低。按照排出器运动的驱动方式，G-M制冷机可分为机械传动式和气动式两类。

如图1所示，现有技术的气动式G-M制冷机的膨胀机部分包括进气阀2、排气阀15、气动腔3、推移活塞5、连杆4、气缸11、回热器10、排出器9和冷端换热器13。推移活塞5在气动腔3内，并与气动腔3壁面间隙密封，将气动腔3分为恒压腔14和变压腔6；排出器9设计成空心，回热器10装在排出器9内；排出器9置于气缸11内，并与气缸11内壁面间隙密封，将气缸11分为热腔7和冷腔12；连杆4连接推移活塞5和排出器9；冷端换热器13安装于气缸11的冷腔12末端。进气阀2、排气阀15与气缸11的热腔7顶端连通，气动腔3的变压腔6与气缸11顶端的热腔7连通。

气动式G-M制冷机膨胀机在一个制冷循环中气压驱动的四个过程如下：

(1)增压过程。循环开始，排出器9处于气缸底部，冷腔12容积为0，热腔7容积为V。打开进气阀2，来自G-M制冷机压缩机的高压气体进入膨胀机，对气动腔3的变压腔6、气缸11的热腔7和回热器10进行充气，变压腔6、热腔7和回热器10的压力p升高。

(2)充气过程。进气阀2依然开启，变压腔6和气缸11内的压力p继续升高。当变压腔6内压力p高于恒压腔14内压力p₀时，推移活塞5在两侧压力差的作用下，通过连杆4带动排出器7以加速度a₁＝(pA_t-p₀A_t)/(m_t+m_l+m_p)向膨胀机顶端移动，式中，A_t为推移活塞5上下顶面面积，m_t、m_l、m_p分别为推移活塞5、连杆4和回热器10的质量。此时，气缸22内热腔7容积减小，冷腔12容积增大，高压气体从热腔7经回热器10进入冷腔12，气体经过回热器10时，向回热填料放热，温度降低。当推移活塞5撞击气动腔3顶时，推移活塞5和排出器9停止运动，气缸11内冷腔12容积变为V。

(3)放气过程。进气阀2关闭，排气阀15开启，冷腔12中的气体经回热器10向低压回路放气，冷腔12中气压降低，气体膨胀过程制冷，制冷量从冷端换热器输出。

(4)排气过程。保持排气阀15开启，变压腔6和气缸11内压力p继续下降，当变压腔6内压力p低于恒压腔内压力p₀时，推移活塞5在两侧压力差的作用下，通过连杆4带动排出器9以加速度a₂＝(p₀A_t-pA_t)/(m_t+m_l+m_p)向膨胀机末端移动，将低压气体从冷腔12经回热器10推移至热腔7，气体经过回热器10时，从回热填料吸热，填料温度下降，气体温度升高。当排出器9撞击气缸11末端时，推移活塞5和排出器9停止运动，气缸冷腔容积变为0。排气阀15关闭，制冷机完成一次循环。

上述四个过程组成一个制冷循环，重复上述循环过程，气动式G-M制冷机就能连续工作，不断获得制冷量。

然而，从上述过程中可以看出，推移活塞和排出器的制动是靠加速过程中撞击壁面实现的，排出器内因存在回热器而质量大，这样的撞击会给G-M制冷机的膨胀机部分带来很大的震动，造成G-M制冷机的稳定性差，可靠性低，且易损耗，工作寿命短等缺憾。

为了解决上述问题，一些研究者们提出减小排出器质量和增加防震装置的解决方法，但是减小排出器质量不能从根源上解决撞击造成的震动问题，防震装置效果有限且结构复杂。目前生产的气动式G-M制冷机，排出器对气缸壁的撞击造成的震动，仍是限制其发展的重要问题之一。

技术实现要素：

本发明公开了一种带有弹簧减震的气动式G-M制冷机，其震动小，调相优，制冷机性能好。

一种带有弹簧减震的气动式G-M制冷机，包括：

气动腔，进气口与进气阀和出气阀连接；

气缸，顶端与气动腔连通，底端设有冷端换热器；

推移活塞，安装在所述气动腔内且两者之间壁面密封，并在所述气动腔内的压差驱动下作往复运动；

排出器，安装在所述气缸内且两者之间壁面密封；

回热器，安装在排出器内；

连杆，连接所述推移活塞和所述排出器，所述排出器在所述推移活塞的带动下在气缸内作往复运动；

所述推移活塞、连杆和排出器中至少一个与所述气动腔和气缸中的至少一个通过弹簧连接，所述弹簧限位所述推移活塞碰撞所述气动腔的端面，限位所述排出器碰撞所述气缸的端面。

所述推移活塞所述气动腔分为恒压腔和变压腔；所述排出器将气缸分为热腔和冷腔。

制冷机的工作过程如下：

变压腔内压力p随进气阀、排气阀的开关而在高压p_h和低压p_l之间变化，恒压腔的压力p₀恒定不变，在推移活塞两侧形成压力差F_p＝(p-p₀)·_t；弹簧在运动部件运动时产生形变，产生与形变长度有关的弹力F_k＝f(x)，并随运动部件的运动而变化。排出器朝某一方向的运动开始时，压力与弹力的合力(F_p-F_k)在运动方向上大于0，运动部件以加速度a₁＝(F_p-F_k)/(m_t+m_l+m_p)作加速运动；随着运动部件运动行程增加，弹簧的形变量x变化，弹力F_k增加，当运动行程达到一定程度，弹力与压力的合力(F_p-F_k)在运动方向上小于0，推移活塞和排出器以加速度a₂＝(F_k-F_p)/(m_t+m_l+m_p)作减速运动；到达行程终点时，速度减为0，停止运动。

当压力发生变化，压力与弹力的合力(F_p-F_k)在另一方向上大于0时，推移活塞与排出器开始反方向的运动。弹簧在气动式G-M制冷机的膨胀机内运动部件的运动过程中，起到减速制动作用，阻止其撞击壁面，同时辅助调节气缸内的质量流和压力波相位差。

为了减小由于增加弹簧给制冷机内增加的空体积，使排出器运动行程最大化，优选的，所述弹簧为板弹簧。板弹簧简单、可靠、质量轻，压缩后厚度小，可保持排出器与气缸的密封间隙，为排出器的往复运动提供一定的刚度和行程。板弹簧的几何形状可通过有限元分析软件ANSYS等进行分析和优化设计，并采用铍青铜或弹簧不锈钢等材料制造。所述板弹簧的边缘设有多个外螺纹孔，中部设有内螺纹孔。外螺纹孔和内螺纹孔分别连接运动部件排出器或固定部件气缸底端。螺孔位置和弹簧外径由接口尺寸确定。

为了方便安装和制造，优选的，所述板弹簧的边缘设有多个用于连接气缸底端的外螺纹孔，所述板弹簧的中部设有多个用于连接排出器的末端的内螺纹孔。

优选的，所述弹簧安装在所述的气缸底端和所述的排出器的末端之间，直接避免排出器与气缸末端的撞击，以减小低温下的震动对制冷机带来的不稳定。

优选的，所述板弹簧设有自中部向边缘的涡旋状弹簧臂型线，所述弹簧臂型线设有多条且沿周向均匀分布，使得板弹簧具有相当大的径向和轴向刚度比，保证在承受运动部件质量时产生的径向位移小于排出器和气缸的间隙。

优选的，所述弹簧安装在所述的推移活塞的上端面和所述的气动腔的顶端之间。通过控制室温下的推移活塞运动，控制低温下的排出器运动而不与气缸末端撞击，而不改变低温端的结构。

为了便于安装和制造，同时保证推移活塞的运动稳定性，优选的，所述推移活塞的上端面为围绕所述连杆的圆环形，所述弹簧设有多个，沿着所述圆环形的上端面均匀分布。

本发明的有益效果：

本发明的带有弹簧减震的气动式G-M制冷机，通过弹簧拉力为气动式G-M制冷机排出器制动，而不需排出器或推移活塞撞击气缸壁或气动腔壁面，减小了气动式G-M制冷机运行时的震动和噪音，提升气动式G-M制冷机的稳定性和可靠性。

同时利用弹簧控制排出器的运动，可以通过弹簧的弹性辅助原来的气动压差调相，扩大相位调节的范围，提高调相的灵活度，优化气动式G-M制冷机的调相，从而提升制冷机的性能。

附图说明

图1是现有技术的气动式G-M制冷机的膨胀机结构示意图。

图2是实施例1的气动式G-M制冷机的膨胀机的结构示意图。

图3是实施例2的气动式G-M制冷机的膨胀机的结构示意图。

图4是优选的板弹簧的结构示意图。

其中：1、高压气路、2、进气阀，3、气动腔，4、连杆，5、推移活塞，6、变压腔，7、热腔，8、密封，9、排出器，10、回热器，11、气缸，12、冷腔，13、冷端换热器，14、恒压腔，15、排气阀，16、低压回路，17、恒压源，18、板弹簧，19、外螺孔，20、弹簧臂型线，21、内螺孔。

具体实施方式

实施例1

如图2和3所示，本实施例的带有弹簧减震的气动式G-M制冷机包括进气阀2、气动腔3、连杆4、推移活塞5、排出器9、气缸11、冷端换热器13、排气阀15和板弹簧18。

推移活塞5置于气动腔3内，并与气动腔3内壁面有间隙密封，将气动腔3分隔为恒压腔14和变压腔6；排出器9设计成空心，内部装有回热器10，排出器9置于气缸11内，并与气缸11内壁面之间有密封8，将气缸11分隔为热腔7和冷腔12。所述进气阀2入口和排气阀15出口分别连通G-M制冷机压缩机的高压气路1和低压回路16，进气阀2出口和排气阀15入口连通气动腔3的变压腔6和气缸11的热腔7，并经排出器9、回热器10与冷腔12连通。气动腔3的恒压腔14与恒压源17连通，并保持压力p₀恒定不变。连杆4连接气动腔3内的推移活塞5和气缸11内的排出器9；冷端换热器13安装于气缸11的冷腔12末端；板弹簧18的内螺孔21和外螺孔19分别连接排出器9末端或气缸11的冷腔12底端。

按上述流程及要求安装系统，并对制冷机内工质进行纯化处理后，打开进气阀2和排气阀15的控制电源，使其按G-M制冷机工作频率运行，打开G-M制冷机压缩机的电源，为制冷机输送高压气体，G-M制冷机开始工作。本实施例的利用板弹簧18减震的气动式G-M制冷机的膨胀机在一个制冷循环中气压驱动的四个过程如下：

(1)增压过程。循环开始，恒压腔14内压力p₀大于变压腔6和气缸11内压力p_l，推移活塞5受到恒压腔14向变压腔6方向的压力F_p0＝(p₀-p_l)A_t；板弹簧18处于压缩状态，压缩长度为x₀，排出器9受到向气缸11的热腔7顶端方向的弹力F_k0＝f(x₀)；作用于推移活塞5、连杆4和排出器9的气压压力F_p0大于弹簧弹力F_k0，因此，排出器9静止于气缸11末端，冷腔12容积为0，热腔7容积为V。打开进气阀2，来自G-M制冷机压缩机的高压气体进入膨胀机，对气动腔3的变压腔6、气缸11的热腔7和回热器10进行充气，变压腔6、热腔7和回热器9的压力p升高。

(2)充气过程。进气阀2依然开启，变压腔6和气缸11内的压力p升高，推移活塞5所受压力F_p＝(p₀-p)A_t减小，当气压压力F_p小于弹簧弹力F_k0时，推移活塞5、连杆4和排出器9以初始加速度a₀＝(F_k0-F_p)/(m_t+m_l+m_p)向膨胀机顶端移动。变压腔6和气缸11内的压力p增大至大于恒压腔14内压力p₀，推移活塞5受到的压力F_p＝(p-p₀)A_t方向改由变压腔6向恒压腔14方向；随着排出器9的运动，板弹簧19的压缩量x减小，弹簧弹力F_k＝f(x)减小，随后板弹簧18开始被拉伸x长度，排出器9受到向气缸11的冷腔12末端方向的弹力F_k＝f(x)并且弹力在增长；当弹簧弹力F_k大于气压压力F_p，推移活塞5、连杆4和排出器9以加速度a＝(F_k-F_p)/(m_t+m_l+m_p)向膨胀机顶端作减速运动。到达顶端时，推移活塞5、连杆4和排出器9的速度减小为0，排出器9运动行程达到其最大值(x₁+x₀)，板弹簧18被拉伸x₁，排出器9受到弹力F_k1＝f(x₁)向气缸11内冷腔12的末端方向；变压腔6和气缸11内压力继续增大达到最大值p_h，推移活塞5受到由变压腔6向恒压腔14方向的压力F_p1＝(p_h-p₀)A_t；作用于推移活塞5、连杆4和排出器9的气压压力F_p1大于弹簧弹力F_k1，因此，排出器9保持静止于气缸11顶端，冷腔12的容积变为V。这个过程中，气缸11内热腔7容积减小，冷腔12容积增大，高压气体从热腔7经回热器10进入冷腔12，气体经过回热器10时，向回热填料放热，温度降低。

(3)放气过程。进气阀2关闭，排气阀15开启，冷腔12中的气体经回热器10向低压回路16放气，冷腔12中压力降低，气体膨胀过程制冷，制冷量从冷端换热器输出。此时推移活塞5受到由变压腔6向恒压腔14方向的压力F_p＝(p-p₀)A_t大于向气缸11内冷腔12末端方向的弹簧弹力F_k1＝f(x₁)，排出器9保持静止于气缸11顶端。

(4)排气过程。保持排气阀15开启，变压腔6和气缸11内压力p继续下降，推移活塞5受到由变压腔6向恒压腔14方向的压力F_p＝(p-p₀)A_t减小，当气压压力F_p小于弹簧弹力F_k1时，推移活塞5在两侧压力差的作用下，推移活塞5、连杆4和排出器9以初始加速度a₁＝(F_k1-F_p)/(m_t+m_l+m_p)向膨胀机末端移动。变压腔6和气缸11内的压力p减小至小于恒压腔14内压力p₀，推移活塞5受到的压力F_p＝(p₀-p)A_t方向改由恒压腔14向变压腔6方向；随着排出器9的运动，板弹簧18的拉伸量x减小，弹力F_k＝f(x)减小，随后板弹簧18开始被压缩x长度，排出器9受到向气缸11的热腔7顶端方向的增长的弹力F_k＝f(x)；当弹簧弹力F_k大于气压压力F_p，推移活塞5、连杆4和排出器9以加速度a＝(F_k-F_p)/(m_t+m_l+m_p)向膨胀机末端作减速运动。到达末端时，推移活塞5、连杆4和排出器9的速度减小为0，排出器9回到最初的位置，板弹簧18被压缩长度x₀，弹力F_k0＝f(x₀)；变压腔6和气缸11内压力继续减小达到最小值p_l，推移活塞5受到由恒压腔14向变压腔6方向的压力F_p0＝(p₀-p_l)A_t，作用于推移活塞5、连杆4和排出器9的气压压力F_p0大于弹簧弹力F_k0，因此，排出器9静止于气缸11末端，冷腔容积变为0。这个过程中，排出器9将低压气体从冷腔12经回热器10推移至热腔7，气体经过回热器10时，从回热填料吸热，填料温度下降，气体温度升高。

上述四个过程组成一个制冷循环，重复上述循环过程，排出器连接弹簧的气动式G-M制冷机就能连续工作，不断获得制冷量。

实施例2

如图4所示，本实施例的带有弹簧减震的气动式G-M制冷机，除了板弹簧18的数量以及安装位置不同以外，其余都与实施例1相同。

本实施例的带有弹簧减震的气动式G-M制冷机中，板弹簧18设有多个，设置在推移活塞5的上端面与气动腔3顶端之之间。

本实施例的工作过程与实施例1基本一致，其不同之处在于，板弹簧18被压缩时，作用于推移活塞5上的弹力朝向变压腔6方向，板弹簧18被拉伸时，作用于推移活塞5上的弹力朝向恒压腔14方向，即板弹簧18的压缩与拉伸过程与实施例1相反。

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。