一种多级脉管制冷机的制作方法

本发明涉及低温制冷机领域，具体涉及一种多级脉管制冷机。

背景技术：

脉管制冷机是20世纪60年代由美国的Gifford和Longthworth共同的提出的，有广泛的应用前景。脉管制冷机的发展经历了基本型脉管制冷机、小孔型脉管制冷机以及之后的双向进气型、惯性管型、四阀型和双活塞型脉管制冷机等几个发展阶段。现在所使用的脉管制冷机大部分为双向进气型、惯性管型以及两者的混合。

然而，无论是双向进气型还是惯性管型脉管制冷机，其膨胀功无法被回收，耗散在惯性管或者气库中，这决定了其理论效率小于卡诺效率这是脉管制冷机的先天不足。

虽然有室温推移活塞式可回收脉管的膨胀功，但室温推移活塞的利用意味着多了一个运动部件。需要有一种简单的机构对多级脉管制冷机回收膨胀功。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够回收膨胀功、有效提高制冷效率且只有一个运动部件的多级脉管制冷机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种多级脉管制冷机，该制冷机包括：

压缩机：内部设有膨胀腔和压缩腔；

脉管单元：包括n级脉管子单元，n为大于等于1的整数，n优选为2，所述脉管单元与所述压缩机的压缩腔连接，每一级脉管子单元包括依次连接的回热器、冷端换热器和脉管，相邻两个脉管子单元通过热桥或气体管路进行连接；

惯性管单元：一端与所述脉管单元的脉管连接，另一端气库连接；

气库：一端与所述惯性管单元连接，另一端与所述压缩机的膨胀腔连接。

本发明的原理如下：压缩机内部设有压缩腔和膨胀腔，压缩腔和膨胀腔不相通，但其容积会随活塞运动而变化，从而产生压力波；压缩腔连接脉管单元，将气体送入脉管单元进行换热，高压气体被冷却后膨胀获得冷量，对外界换热，且气体进入惯性管单元，在惯性管单元中，气体的压力相位被改变甚至被反转，惯性管单元通过气库连接膨胀腔，回收膨胀功，从而节省压缩机的能耗，达到了提高制冷机效率的目的。

另外，本发明的气体依次经过压缩腔、脉管单元、惯性管单元、气库和膨胀腔，即从压缩机出发，经过回路回到压缩机，气体不会在系统内形成直流，从而避免了气体直流产生的能量消耗，提高了整个制冷机的效率。所谓气体直流，指的是在机器内部沿一固定方向运动的气流。

所述的压缩机包括驱动单元、阶梯式气缸、阶梯式活塞以及由阶梯式气缸和阶梯式活塞形成的压缩腔和膨胀腔；所述压缩腔与所述脉管单元连接，所述膨胀腔与所述气库连接。

所述压缩腔和膨胀腔的数量大于等于1，所述每一级脉管子单元可单独与一个压缩腔连接，也可与其他脉管子单元共同与一个压缩腔连接。

所述驱动单元包括电机和热声机。所述驱动单元优选为电机，特别是直线电机。其他的驱动设备如发动机、蒸汽机等，只要该驱动设备能推动活塞做往复运动即可。

所述的脉管子单元还可以包括室温换热器或预冷部，所述的室温换热器或预冷部的一端与所述回热器连接，另一端与压缩机连接。

所述的预冷部包括依次连接的预冷部室温换热器、预冷部回热器和预冷部冷端换热器，所述预冷部冷端换热器与所述回热器连接，所述预冷部室温换热器与所述压缩机连接。

一个脉管子单元的冷端换热器通过热桥与相邻脉管子单元的预冷部冷端换热器连接，此时，这两个脉管子单元均需要通过管路与压缩腔连接；该连接属于热耦合，通过热桥，将冷量从一个脉管子单元传递至相邻脉管子单元，进行内部能量交换，提高脉管制冷机的效率；

或者，一个脉管子单元的冷端换热器通过气体管路与相邻脉管子单元的回热器连接，此时，带有冷端换热器的脉管子单元通过管路与压缩腔连接，相邻的脉管子单元仅包含回热器、冷端换热器和脉管，且回热器不与压缩机连接，该连接属于气耦合，将一部分压缩气体从一个脉管子单元输送至相邻脉管子单元，进行进一步冷却，提高能量的利用效率。

所述的惯性管单元包括至少一根惯性管，每一根惯性管与一个气库连接；

每一级脉管子单元的脉管可单独连接一根惯性管，并在脉管和惯性管之间设置气体均匀器；

多个脉管子单元的脉管也可合并后与一根惯性管连接，并在每一根脉管上设置气体均匀器。

每一级脉管子单元的各部件同轴排布，相邻脉管子单元同轴分布或异轴分布，形成同轴型脉管单元或直线型脉管单元，采用同轴型脉管单元可以使制冷机的结构更加紧凑。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)压缩机采用阶梯式气缸和活塞，只有一个运动部件，阶梯式气缸和活塞将气缸分成压缩腔和膨胀腔，压缩腔的压缩气体进入脉管单元进行换热后，膨胀获得冷量，并通过惯性管单元及膨胀腔回收膨胀功，大大提高了脉管制冷机的工作效率；

(2)从压缩机出发的气体最终全部回到压缩机，气体不会在系统内回流，从而避免了气体回流产生的能量消耗，提高了整个制冷机的效率。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

图2为实施例2的结构示意图；

图3为实施例3的结构示意图；

图4为实施例4的结构示意图；

图5为实施例5的结构示意图；

图6为实施例6的结构示意图。

其中，1为压缩机，10为管路a，101为管路b，102为管路c，11为电机，12为阶梯式活塞，13为膨胀腔a，14为阶梯式气缸，15为膨胀腔b，16为压缩腔a，17为压缩腔b，2为第一级脉管单元，20为管路d，21为第一级室温换热器，22为第一级回热器，23为第一级冷端换热器，26为第一级脉管，27为气体均匀器a，271为气体均匀器b，272为气体均匀器c，28为惯性管a，29为气库a，210为热桥，211为气体管路，3为第二级脉管单元，30为管路e，31为预冷部室温换热器，32为预冷部回热器，33为预冷部冷端换热器，34为第二级回热器，35为第二级冷端换热器，36为第二级脉管，361为脉管，37为气体均匀器d，371为气体均匀器e，372为气体均匀器f，38为惯性管b，39为气库b。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，双级脉管制冷机由压缩机1、第一级脉管单元2、第二级脉管单元3、惯性管a 28、惯性管b 38、气库a 29、气库b 39，以及管路a 10、管路b 20和管路c 30、热桥210组成。

压缩机1由直线电机11、阶梯式活塞12、阶梯式气缸14组成，其中阶梯式活塞12和阶梯式气缸14形成膨胀腔a 13、膨胀腔b 15和压缩腔a 16。

第一级脉管单元2由依次连接的第一级室温换热器21、第一级回热器22、第一级冷端换热器23和第一级脉管26组成，第一级脉管26依次通过气体均匀器a 27和惯性管a 28与气库a 29相连。

第二级脉管单元3由依次连接的预冷部室温换热器31、预冷部回热器32、预冷部冷端换热器33、第二级回热器34、第二级冷端换热器35和第二级脉管36组成，第二级脉管36依次通过气体均匀器d 37和惯性管b 38与气库b 39相连。

压缩机压缩腔a 16通过管路a 10与第一级室温换热器21和预冷部室温换热器31相连。

压缩机膨胀腔a 13通过管路e 30气库b 39相连，压缩机膨胀腔b 15通过管路d 20气库a 29相连。

压缩机阶梯式活塞12在电机11的带动下，往复运动，压缩腔a 16、膨胀腔a 13和膨胀腔b 15的容积周期性地变化，产生压力波。压力波通过管路a 10进入脉管单元。进入第一级脉管单元2的气流在冷端换热器23处产生冷量，并通过热桥210冷却预冷部的冷端换热器33。在回热器32中产生温度梯度，然后进入第二级脉管单元3的气流在第二级冷端换热器35处膨胀制冷，获得冷量，在回热器34中形成温度梯度。惯性管a 28将来自于第二级脉管单元2的压力波的相位改变甚至进行反转，从而使第一级脉管单元中的膨胀功通过惯性管a 28传输至膨胀腔b 15回收；同理，第二级脉管单元中的膨胀功通过惯性管b 38传输至膨胀腔a13回收。

实施例2：

如图2所示，双级脉管制冷机，在实施例1基础上将膨胀腔b 15改为压缩腔b 17，压缩腔b 17与压缩腔a 16分别通过管路c 102和管路b 101与第一脉管单元2和第二脉管单元3连接，并且两个脉管单元共用一根惯性管b 38和气库b 39，气库b39通过管路e 30与膨胀腔a 13连接，回收膨胀功。

其余与实施例1相同。

实施例3：

如图3所示，双级脉管制冷机，在实施例1基础上取消第二级脉管单元3的预冷部，第一级脉管单元2与第二级脉管单元3通过气体管路211相连，即第一级冷端换热器23与第二级回热器34通过气体管路211相连，由压缩腔a 16驱动。两个脉管单元的膨胀功分别通过膨胀腔a 13和膨胀腔b 15回收。

其余同实施例1。

实施例4：

如图4所示，双级脉管制冷机，在实施例2的基础上，将第一级脉管单元2的冷端换热器23通过气体管路211与气体均匀器d 37相连，气体均匀器d 37还与第二级脉管36相连，这样第二级脉管单元3的气流经过第二级脉管36后与第一级脉管单元2的气流共同流经脉管361，气体均匀器d 37的另一端通过脉管361和惯性管b 38与气库b 39相连，第一级脉管单元的冷端换热器23通过热桥210与第二级脉管单元的预冷部冷端换热器33相连。

其余同实施例2。

实施例5：

如图5所示，双级脉管制冷机，该结构为同轴型结构。将脉管单元的各部件与脉管同轴设置，这样可以使脉管制冷机的结构更加紧凑。其原理与实施例4相同。

其余同实施例4。

实施例6：

如图6所示，双级脉管制冷机，结构为同轴型。压缩腔a 16产生的压力波在流经第一级室温换热器21、第一级回热器22和第一级冷端换热器23后一部分进入第二级脉管单元3，后经过第二级脉管36后与另一部分直接流入脉管361的气体一起通过惯性管b 38，膨胀功被膨胀腔a 13回收。其原理与实施例3类似。

气库可为膨胀腔死容积的一部分。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，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。