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，低温制冷机在冰箱、酒柜等的应用需求越来越大。
斯特林制冷机的理论制冷效率等于卡诺效率，其实际运行时的效率也是目前所有低温制冷机中效率最高的一种。自由活塞斯特林制冷机结构由williambeale于20世纪60年代提出，其主要特征是采用直线压缩机驱动、柔性弹簧支撑、间隙密封结合气体轴承等技术，具有结构紧凑、噪音小、寿命长、可靠性高等优点。sunpower公司开发的商业自由活塞斯特林制冷机在液氮温区的最高相对卡诺效率已经突破20％，其子公司stirlingultracold公司(原globalcooling公司)研制的低温冰箱采用的就是自由活塞斯特林制冷机。2012，stirlingultracold公司比较了两级复叠低温冰箱和斯特林低温冰箱，发现采用自由活塞斯特林制冷机的低温冰箱在节能方面具有重大优势，与传统的低温冰箱相比，斯特林低温冰箱可节能超过50％。
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。
技术实现要素：
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。
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机架及脉管型自由活塞斯特林制冷机。
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，具有这样的特征，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、设置在法兰中的活塞管以及底座，活塞管为直通管，一端位于法兰的外侧，用于连接脉冲管，另一端开口位于底座内，活塞管内具有柱形活塞腔，用于容纳制冷机的压缩活塞和膨胀活塞，活塞腔上设置有多个穿透活塞管管壁的通孔，一级热端换热器呈圆筒状，套在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、膨胀活塞以及活塞腔构成压缩腔。
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。
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，设置在脉冲管内，膨胀活塞、二级热端换热器以及活塞腔构成膨胀腔，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。
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外壳上的散热器。
另外，在本发明提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，还可以具有这样的特征：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，还可以具有这样的特征：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，还可以具有这样的特征：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是本发明的实施例中机架的立体剖视示意图；
图6是本发明的实施例中一种机架的立体剖视示意图；以及
图7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100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，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。
作为一种变形，如图6所示，机架50a中具有多个通孔511a，通孔511a的截面为长孔，该长孔的长度方向平行于活塞管51轴线。与传统支架的采用矩形大流通通道相比，本发明在机座上沿圆周方向开多个均布的圆形小孔作为气体工质的流通通道。优点在于：多个圆形小孔可使气体在进出压缩腔时的流动更加平稳均匀，使气体工质更加均匀的流过回热器，从而充分与回热器内的填料接触换热，充分利用回热器的换热面积。但传统的支架采用矩形大通道，会使气体在进出压缩腔时流动不均匀，有的通道气体流量大、有的通道气体流量小，这种不均匀的流动会进一步的影响到气体与回热器填料的接触换热过程，导致回热器填料的换热面积没有被充分利用，回热器的回热损失大大增加，制冷机的制冷效率急剧下降。优选的，圆孔的直径在0.5mm～2mm。
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。回热器25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25采用采用聚酯类薄膜制成，聚酯类薄膜的厚度为20-50μm。
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30的外部，外壳60、冷指壳35与机架50通过连接件连接成一体。
散热器27位于一级热端换热器26的外侧且设置在冷指壳35上，一级热端换热器26将热量通过冷指壳35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22与活塞杆23固定，膨胀活塞21与活塞杆23相连。
膨胀活塞21为纯气动驱动，利用膨胀活塞21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21的位移领先压缩活塞19的位移70°～100°，在低温区(冷头温度在-100℃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21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21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29内的声波被压缩，并流入气缸外侧的一级热端换热器26，将压缩过程产生的热量释放给一级热端换热器26，一级热端换热器26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26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21不可能间歇运动，在压缩活塞19向上运动的时膨胀活塞21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21向下运动，此时声波通过回热器25，与回热器25内的填料充分接触换热，将热量释放至回热器25内，此时回热器25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25换热过程并不是定容的，也不可能实声波和回热器25填料的完全换热。
声波层流流动过程：气体流经冷端换热器24后通过导流器32，以层流的形式进入脉冲管31，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热端换热器33沿径向传递至一级热端换热器26，最终传递至散热器27并释放给环境。在膨胀腔28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21一起向下运动，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21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21将膨胀腔28内的声波推回至脉冲管31中，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。产生的冷量通过冷端换热器24导出至用冷环境。声波工质再沿原路径返回回热器25内并与填料充分接触换热，吸收回热器25内的热量后，重新返回主压缩腔29等待下一次压缩。该过程声波的温度和压力上升，回热器25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21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220k(-53℃)以上的制冷温度，可以提供50w-200w的制冷量。
实施例二
本实施例其它结构与实施例一相同，不同的是还包括位于一级热端换热器26的外侧且设置在外壳上的散热器27，一级热端换热器26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。
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一端且位于脉冲管内的导流器32，该导流器32与冷端换热器24相连。
实施例四
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24和回热器25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。
实施例五
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
26和回热器25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7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％。
实施例六
本实施例其它结构与实施例一相同，不同的是二级热端换热器33与机架50是一体结构。实施例中，二级热端换热器33与机架50整体采用铝制作而成。
二级热端换热器33与机架50的一体结构有效地消除了二级热端换热器33与机架50之间的接触热阻，同时，二级热端换热器33还可以起到导流器的作用。
实施例七
本实施例其它结构与实施例六相同，不同的是一级热端换热器26与机架50是一体结构。实施例中，一级热端换热器26、二级热端换热器33以及机架50整体采用铝制作而成。
一级热端换热器26、二级热端换热器33以及机架50的一体结构有效地消除了一级热端换热器26、二级热端换热器33与机架50之间的接触热阻，同时，二级热端换热器33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。