一种利用波纹管作为可调气库的脉管制冷机的制作方法
【专利说明】
[0001 ]本申请为申请号为201410137382.2,发明名称为"一种利用波纹管作为可调气库 的脉管制冷机"，申请日为2014-04-08的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明属于脉管制冷机设计技术领域，具体是涉及一种利用波纹管作为可调气库 的脉管制冷机。
【背景技术】
[0003] 脉管制冷机是小型低温制冷机中一种比较新颖的低温制冷机，最早由美国的 Gifford教授和Longswoth提出。脉管制冷机由于在低温下没有运动部件，可望真正成为低 成本、低振动、运行稳定可靠的长寿命低温制冷机。特别是随着小孔气库、双向进气、惯性管 等调相结构的提出和成功运用，脉管制冷机制冷温度不断降低，制冷量和制冷效率也大幅 提高，已在超导器件和红外设备的冷却，以及气体液化等方面得到广泛应用。
[0004] 在上述的几种脉管制冷机中，其调相结构无一例外都采用了气库。气库体积一般 较大且设计好之后固定不变。申请号为CN 201310148739.2的专利文献公开了一种自由活 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。该制冷机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。但是，该制冷机由于脉管自身空间的限制，调相效果不佳，无法实现制冷机的最高 性能。
[0005] 气库大小对制冷机阻抗影响显著，显然，针对低温工况设计的气库其阻抗对于降 温过程并非最优，这使得降温过程中制冷机无法发挥最优性能，降温较慢。美国Radebaugh R博士曾提出在制冷机降温过程中使用较小气库，而在降至较低温度后改用较大气库，其计 算结果显示该方案可使降温时间缩短一半以上。此外，对于多级脉管制冷机，为了使调相机 构获得较大的调相能力，常采用冷端气库调相，即将气库放置在上一级的温度下工作。随着 低温气库内的气体不断被冷却，系统平均压力降低，此时需要向系统内充注气体，这也为实 际操作带来了不便。
[0006] 申请号为CN201010161631.3的专利文献公开了一种带有弹性气库的脉管制冷机， 属脉管制冷机，包括:压缩机、传输管、水冷器、回热器、冷端连管、冷端换热器、脉管、热端换 热器、惯性管、弹性气库。所述的弹性气库利用弹性膜的弹性，根据系统内部压力的变化改 变气库体积。该制冷机采用弹性气库之后则只需要普通气库的几分之一甚至几十分之一的 体积便可获得相同的调相效果。从而使得整个系统变得紧凑，并减小工质的充注量。然而， 该文献仅仅解决了使得整个系统变得紧凑、并减小工质的充注量的技术问题。对于制冷机 降温过程中，如何通过对气库进行改进从而提高制冷机制冷量、实现快速降温的技术问题， 没有提到任何技术方案。同时，该装置无法实现对气库体积的实时调节。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种利用波纹管作为可调气库的脉管 制冷机，可根据制冷机不同，实时调整气库的体积，实现脉管制冷机降温过程中制冷量的最 大化，从而达到制冷机快速降温。
[0008] -种利用波纹管作为可调气库的脉管制冷机，包括依次连通的压缩机、回热器热 端换热器、回热器、回热器冷端换热器、脉管冷端换热器、脉管、脉管热端换热器以及调相部 件，所述的调相部件包括与脉管热端换热器连通的惯性管、与惯性管另一端连通的波纹管 气库、以及用于对波纹管气库的容积进行适时调整的调节机构。
[0009] 所述的可调波纹管气库可以工作在常温或低温下。当工作在低温下时，作为优选， 所述的回热器包括与所述回热器热端换热器连通的回热器高温段、以及与所述回热器冷端 换热器连通的回热器低温段;所述脉管制冷机还包括通过热桥对所述回热器高温段的冷段 以及调相部件进行预冷的预冷源。
[0010] 所述的预冷源可选用多种能够产生冷量的制冷单元，或者工业废冷量，作为优选， 所述的预冷源为单级或多级脉管制冷单元;所述的热桥与预冷源的冷段进行换热。所述的 单级或多级脉管制冷单元为斯特林型脉管制冷机或GM型脉管制冷机。所述的预冷源也可采 用液氮或者其他工业冷量。
[0011] 利用波纹管的轴向弹性及调节机构来实现对气库体积的实时手动或自动调节。作 为一种优选的方案，所述调节机构为手动调节机构，包括：固定在波纹管气库底端的固定 板;与固定板转动配合的螺纹杆，该螺纹杆顶端设有调节把手；固定在波纹管气库顶端的移 动板，该移动板与所述螺纹杆螺纹配合。通过调节把手，即可实现对螺纹杆的转动，由于移 动板在波纹管的作用下周向固定，只能沿螺纹杆上下移动，从而实现波纹管的调节。作为进 一步优选，所述的固定板上固定有顶端穿过所述移动板的限位杆，以便于实现对移动板的 限位，保证移动板沿波纹管轴向移动。同时，为满足稳定性要求，作为优选，可在螺纹杆或者 限位杆上设置固定件，例如可适当增加螺母结构。
[0012] 为进一步提高制冷机在降温阶段的制冷量，同时减少降温时间，作为优选，所述调 节机构为自动调节机构，包括:固定在波纹管气库底端的固定板;固定在波纹管气库顶端的 移动板;通过立柱与固定板相互固定的直线步进电机，该直线步进电机的输出端与所述移 动板相互固定，用于驱动移动板沿波纹管气库轴向移动。
[0013] 为便于实现自动控制，作为另一种优选，所述制冷机还包括:用于检测回热器冷端 换热器或者脉管冷端换热器温度的第一温度传感器;控制器，根据第一温度传感器的温度 信号控制直线步进电机的运行。通过模拟软件，可以计算出制冷机的制冷量与冷端声功〈PV X、惯性管入口相位Θ和冷端温度T。的函数关系，进而可得到制冷机的制冷量与气库体积之 间的关系，经过求导即可得到针对不同冷端温度下最大制冷量时对应的气库体积，根据该 信息对直线步进电机进行实时控制，保证制冷机始终在最大的制冷量条件下运行。
[0014] 另外，当气库工作在低温状态时，随着热桥温度的逐渐降低，气库内气体压力会逐 渐降低，为避免此时向系统充注气体的不便，可主动减小气库体积，作为进一步优选，所述 制冷机还包括：用于检测热桥温度的第二温度传感器;所述控制器同时根据第二温度传感 器的温度信号控制直线步进电机的运行。通过第二温度传感器和控制器联合控制直线步进 电机的运行，从而使系统压力维持在恒定范围内，进一步保证制冷机的稳定运行。
[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0016] 本发明采用波纹管作为可调气库可以实现对气库体积的实时手动或者自动调节， 实现脉管制冷机降温过程中制冷量的最大化，从而达到制冷机快速降温。对于工作在低温 下的可调气库，可以通过调节气库体积来减少额外补气所带来的不便。此外，可调气库还可 以方便工作人员在制冷机运行中对其进行性能优化研究。
【附图说明】
[0017] 图1是利用波纹管作为可调气库的脉管制冷机结构示意图。
[0018] 图2是利用波纹管作为可调低温气库的脉管制冷机结构示意图。
[0019] 图3是降温过程变气库体积对制冷量的影响示意图。
[0020] 其中：1为压缩机、2为回热器热端换热器、3为回热器、4为回热器冷端换热器、5为 脉管冷端换热器、6为脉管、7为脉管热端换热器、8为惯性管、9为波纹管气库、10为调节机 构、11为预冷源、12为热桥、13为回热器高温段、14为回热器低温段、15为固定板、16为把手、 17为移动板。
【具体实施方式】
[0021] 如图1所示，利用波纹管作为可调气库的脉管制冷机，包括压缩机1、回热器热端换 热器2、回热器3、回