采用主动调相机构的多级脉管制冷机系统及其调节方法与流程

本发明属于低温制冷机领域，尤其是涉及一种采用主动调相机构的多级脉管制冷机系统及其调节方法。

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。

但是在斯特林型脉管制冷机领域，由于惯性管结构在低温小冷量下调相不足，导致回热器效率过低。另外适宜惯性管工作的压比过低。因此，在20k以下温区，尚未有高效率的斯特林型多级脉管制冷机报道出来。为解决这一问题，raytheon公司提出了斯特林和脉管的混合结构，第一级采用斯特林，第二级采用脉管来避免斯特林制冷机制造工艺复杂的问题。但这样采用两种调相方式系统比较复杂。而lockheedmartin公司则将后级脉管的惯性管让前级冷却使后级惯性管在低温下工作以获得足够的调相效果从而获得更低温度，这样，后级脉管的膨胀功也变成热散到前级，理论效率低。如果采用阶梯推移活塞，则由于不可避免的间隙密封问题而带来复杂的直流分量问题。同时，是被动调相，一旦制造完成，压缩功到各级的分配就定下了，各级制冷量也就定了，无法改变，这无法满足制冷量要求可变的情况。

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采用主动调相机构的多级脉管制冷机系统及其调节方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

采用主动调相机构的多级脉管制冷机系统，包括：

主动调相机构：由阶梯活塞体、阶梯活塞气缸体以及驱动机构组成，所述的阶梯活塞体设在阶梯活塞气缸体内，并与驱动机构相连，阶梯活塞体与阶梯活塞气缸体之间形成多个工作腔；

多级脉管制冷机单元：包括压缩机、换热器和多级冷头，每级冷头均包括回热器与脉管；

冷头的级数与主动调相机构中工作腔个数相同，每级冷头的脉管分别与其中一个工作腔相连，压缩机与每一级冷头的冷却器连接；压缩机用于产生压力波动驱动冷头。

所述的阶梯活塞体与阶梯活塞气缸体之间为间隙密封，形成工作腔。

所述的阶梯活塞体上开有凹槽，用以保证阶梯活塞体和阶梯活塞气缸体之间的间隙密封长度不变。可将活塞体和活塞气缸体之间的漏气消除或控制在一定的范围内。

所述的阶梯活塞体和阶梯活塞气缸体的级数不少于两级，形成至少两个工作腔。

阶梯活塞体与阶梯活塞气缸体之间形成的工作腔上连接气库与调节阀门，用以调节各级冷头的气流分配。

阶梯活塞体与阶梯活塞气缸体之间形成的工作腔与每一级冷头的脉管之间连接管上设置有气库，该气库不同于阶梯活塞体与阶梯活塞气缸体之间形成的工作腔的余隙。通过增加气库的办法来调节其调相能力。

还可以通过增大阶梯活塞体与阶梯活塞气缸体之间形成的工作腔的余隙容积，或采用脉管与工作腔间的容积来调节主动调相机构的调相能力。

本发明所述的冷头为双级、三级或更多级数结构，每级冷头均包括冷却器、回热器、冷端换热器和脉管，主动调相机构的工作腔与脉管连接。

各级冷头之间可为热耦合或气耦合结构，所述的热耦合结构为脉管制冷机各级冷头之间通过热桥相连，只有热量交换，无气流混合；所述的气耦合结构为来自压缩机的气流同时通过某一级冷头的回热器后再分配到各级冷头的脉管；热耦合与气耦合结构可在一个多级脉管制冷机系统内同时存在。

所述的阶梯活塞体可以通过板弹簧或螺旋弹簧支撑，所述的驱动机构包括直线电机、旋转电机、热声机或其他可带动压缩机活塞做往复运动的动力形式驱动。所述的驱动机构用于控制阶梯活塞体的运动和消耗脉管热端的剩余膨胀功。

本发明采用调整主动调相机构活塞与压缩机活塞运动的相位角的方法调节冷量。当采用直线电机时，可对压缩机与调相机构供不同相位角的电流，从而改变压缩机与调相机构之间的相位差，各级冷头之间的制冷量与相位差的关系不相同，进而可以调节各级的冷量。同时，当采用小孔气库作为调相机构时，该种制冷机的冷量基本不会随相位角改变，因此，将主动调相机构应用在有小孔气库机构的制冷机上时，也可以调节冷量。

本发明通过驱动机构来驱动阶梯活塞体的运动，进而通过产生压力波动来控制每一级冷头内冷端换热器部分压力波和质量流的相位，提高多级脉管制冷机的工作效率。

本发明的多级脉管制冷机系统工作过程如下。

压缩机用来驱动脉管制冷机冷头。压缩机产生压力波，依次经过多级脉管制冷机各级冷头的冷却器、回热器、冷端换热器、冷端气体均匀器、脉管、热端气体均匀器，最后到主动调相机构的工作腔。主动调相机构可以调整各级脉管冷端换热器处压力波和质量流之间的相位差，当相位差合适时，可以在脉管制冷机的冷端换热器处获得制冷量。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下方面：

(1)采用阶梯活塞作为调相机构，可以自由控制各级脉管制冷机工作的压比和冷端换热器内部压力波和质量流的相位，从而可调整各级的制冷量；

(2)阶梯活塞的级数可根据需求增加，相比于惯性管型脉管制冷机只引入了一个运动部件；

(3)阶梯活塞机构处在室温下，相比多级斯特林制冷机可靠性更高，系统更加简单。

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；

图7为实施例7的结构示意图；

图8为实施例8的结构示意图。

其中，1为双级主动调相机构，11为第一驱动机构，12为双级阶梯活塞系统，121为双级阶梯活塞体，121a为凹槽a，1211为间隙密封，1212为间隙密封，122为双级阶梯活塞气缸体，122a为工作腔a，122b为工作腔b，1231为第一调节阀门，1232为第二调节阀门，1241为第一气库，1242为第二气库，13为第一驱动轴，2为三级主动调相机构，21为第二驱动机构，22为三级阶梯活塞系统，221为三级阶梯活塞体，221a为凹槽a，221b为凹槽b，222为双级阶梯活塞气缸，222a为工作腔a，222b为工作腔b，222c为工作腔c，23为第二驱动轴，3为压缩机，4为脉管制冷机冷头部分，41为第一级冷头，411为第一级冷却器，412为第一级回热器，413为第一级冷端换热器，414为第一级脉管，414a为第一级脉管冷端气体均匀器，414b为第一级脉管热端气体均匀器，42为第二级冷头，421为第二级冷却器，422为第二级回热器，423为第二级冷端换热器，424为第二级脉管，424a为第二级脉管冷端气体均匀器，424b为第二级脉管热端气体均匀器，43为第三级冷头，431为第三级冷却器，432为第三级回热器，433为第三级冷端换热器，434为第三级脉管，434a为第三级冷端气体均匀器a，434b为第三级热端气体均匀器b。51、51a、51b、51c、52、52a、52b、53、54和55均为连接管，61和62为调相气库。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的双级主动调相机构1为双级阶梯活塞主动调相器，其包括第一驱动机构11、第一驱动轴13及双级阶梯活塞系统12，双级阶梯活塞系统12包括双级阶梯活塞体121、双级阶梯活塞气缸体122，其中双级阶梯活塞体121设在双级阶梯活塞气缸体122内，并通过第一驱动轴13与第一驱动机构11连接。双级阶梯活塞体121在双级阶梯活塞气缸体122内形成有两个工作腔，分别是工作腔a122a、工作腔b122b，双级阶梯活塞体121上开有凹槽a121a，其作用是保证双级阶梯活塞体121和双级阶梯活塞气缸体122之间的间隙密封1211的长度不变，有利于消除直流或者将直流控制在可控范围内。

其中第一驱动机构11可为直线电机、旋转电机或者热声机等可以带动活塞做往复运动的机构。

在第一驱动机构11的驱动下，双级阶梯活塞系统的工作腔a和工作腔b的容积不断变化。

本实施例的附图中没有示出热端换热器，热端换热器既可以和冷头在一起；也可以和压缩机在一起；也可以成为一个单独的单元，这时冷头不包括热端换热器，冷头通过热端换热器与压缩机相连，换热效果是一样的。在制冷效率要求不高的情况下，热端换热器仅仅是压缩机出口处的连接管，或气缸壁直接散热。

实施例2：

如图2所示，本实施例的三级主动调相机构2为三级阶梯活塞主动调相器，其包括第二驱动机构21、第二驱动轴23及三级阶梯活塞系统22，三级阶梯活塞系统22包括三级阶梯活塞体221、三级阶梯活塞气缸体222，其中三级阶梯活塞体221设在三级阶梯活塞气缸体222内，并通过第二驱动轴23与第二驱动机构21连接。三级阶梯活塞体221在三级阶梯活塞气缸体222内形成有三个工作腔，分别是工作腔a222a、工作腔b222b、工作腔c222c，三级阶梯活塞体221上开有凹槽a221a和凹槽b221b，其作用是保证三级阶梯活塞体221和三级阶梯活塞气缸体222之间的间隙密封1211和间隙密封1212的长度不变，有利于消除直流或者将直流控制在可控范围内。

其中第二驱动机构21可为直线电机、旋转电机或者热声机等可以带动活塞做往复运动的机构。

在第二驱动机构21的驱动下，三级阶梯活塞系统的工作腔a、工作腔b、工作腔c的容积不断变化。

实施例3：

本实施例提供的双级主动调相机构1如图3所示，在实施例1的基础上增加第一调节阀门1231、第二调节阀门1232、第一气库1241、第二气库1242，其中第一气库1241连接在工作腔b122b上，第一调节阀门1231设置在第一气库1241与工作腔b122b之间，第二气库1242连接在工作腔a122a上，第二调节阀门1232设置在第二气库1242与工作腔a122a之间。

增加第一调节阀门1231、第二调节阀门1232、第一气库1241、第二气库1242的作用是通过调节阀门开度大小来调节各级之间的气流流量分配。

本实施例给出的阀门气库机构是应用在双级主动调相机构上的，同理还可以在实施例2所示的三级主动调相机构甚至更多级数的阶梯活塞主动调相机构上设置阀门与气库结构。

实施例4：

如图4所示，本实施例提供一种采用如实施例1所示双级主动调相机构的双级脉管制冷机，各级冷头之间的耦合方式为气耦合。其中，第一级冷头41由第一级冷却器411、第一级回热器412、第一级冷端换热器413、第一级脉管414和第一级脉管414两端的第一级脉管冷端气体均匀器414a和第一级脉管热端气体均匀器414b依次连接而成；第二级冷头42由第二级冷却器421、第二级回热器422、第二级冷端换热器423、第二级脉管424和第二级脉管424两端的第二级脉管冷端气体均匀器424a和第二级脉管热端气体均匀器424b依次连接而成。其中第二级冷却器421与第一级冷端换热器413连接。第一级冷却器411通过连接管51与压缩机3相连。第一级脉管热端气体均匀器414b通过连接管53与实施例1所示双级主动调相机构的工作腔b122b相连，第二级脉管热端气体均匀器424b通过连接管54实施例1所示双级主动调相机构的工作腔a122a相连。

压缩机3的作用是输入功从而产生压力波动，气流在第一级冷端换热器413处和第二级冷端换热器423处获得制冷量。并且，在该结构中，气流在第一级冷端换热器413处一分为二，一部分通过第一级脉管414到达主动调相机构的工作腔b122b，另一部分通过第二级脉管424到达双级主动调相机构的工作腔a。

双级主动调相机构1的结构如实施例1所述。其作用是调相，使第一级冷端换热器413和第二级冷端换热器423中压力波和质量流之间的相位达到最佳而且可以调整流经第一级脉管414和第二级脉管424的气体流量，以获得最佳制冷效果。

本实施例的双级主动调相机构1中的第一驱动机构11可为直线电机、旋转电机或者热声机等可以带动活塞做往复运动的机构。直线电机驱动容易获得长寿命，也可由其他形式驱动机构驱动。

实施例5：

如图5所示，本实施例在实施例4的基础上增加了两个调相气库，分别是第一调相气库61和第二调相气库62，第一调相气库61设置在第二级脉管热端气体均匀器424b与双级主动调相机构的工作腔a122a之间，第二调相气库62设置在第一级脉管热端气体均匀器414b与双级主动调相机构的工作腔b122b之间。

通过改变第一调相气库61和第二调相气库62的大小，可以改变阶梯活塞主动调相器的调相能力。

主动调相气库的功能也可以通过在阶梯活塞主动调相机构的工作腔中设置死容积来实现。

其余结构与工作方式与实施例4相同。

实施例6：

本实施例提供一种采用如实施例2所示三级主动调相机构的三级脉管制冷机，各级冷头之间的耦合方式为气耦合。与实施例4相比，该实施例的三级脉管制冷机在两级冷头的基础上增加了第三级冷头43，由第三级冷却器431、第三级回热器432、第三级冷端换热器433、第三级脉管434和第三级脉管434两端的第三级脉管冷端气体均匀器434a、第三级脉管热端气体均匀器434b依次连接而成。

其中第二级冷却器421与第一级冷端换热器413连接。第三级冷却器431与第二级冷端换热器413连接。第一级冷却器411通过连接管51与压缩机3相连。第一级脉管热端气体均匀器414b通过连接管53与实施例2所示三级主动调相机构的工作腔c222c相连，第二级脉管热端气体均匀器424b通过连接管54与实施例2所示三级主动调相机构的工作腔b222b相连，第三级脉管热端气体均匀器434b通过连接管55与实施例2所示三级主动调相机构的工作腔a222a相连。

其工作过程与实施例4相同。三级阶梯活塞主动调相机构的三个工作腔分别与三级脉管的热端相连，控制各级脉管之间气流分布和脉管冷端质量流和压力波的相位，来获得最佳制冷效果。

与实施例5相似，该实施例也可以通过在脉管热端和阶梯活塞主动调相器之间增加调相气库的方式来调整其调相效果。

实施例7：

如图7所示，采用阶梯活塞主动调相机构的双级脉管制冷机。耦合方式为热耦合。与实施例4不同之处在于，该结构中，两级冷头之间的气流各自独立，没有混合，两级冷头分别通过连接管51a和51b与压缩机3相连。第一级冷头41与第二级冷头42之间通过热桥441连接。从压缩机3出来的气流，分为两路，一路进入第一级冷头41，在第一级冷端换热器413处获得制冷量，然后通过第一级脉管414后到达阶梯活塞主动调相机构的工作腔b122b。这部分冷量用于冷却第二级冷头42的第二级预冷换热器423a。另一路气流进入第二级冷头后被第二级回热器预冷段422a预冷，经过第二级回热器422b后在第二级冷端换热器423b处获得更低温度，实现制冷效果，然后经过第二级脉管424到达阶梯活塞主动调相器工作腔122a。

阶梯活塞主动调相器的结构与实施例1相同，其作用是调节各级冷头的冷端换热器处的质量流和压力波之间的相位，以获得最佳制冷效果。

与实施例5相同，该实施例也可以通过在脉管热端和阶梯活塞主动调相器之间增加调相气库的方式来调整其调相效果。

实施例8：

如图8所示，采用阶梯活塞主动调相机构的三级脉管制冷机。其耦合形式为气耦合。与实施例7相比，该实施例在两级冷头的基础上增加了第三级冷头43，第三级冷头43包括第一预冷冷却器431a、第一预冷回热器432a、第一预冷换热器431b、第二预冷回热器432b、第三预冷换热器431c、第三级回热器432c、第三级冷端换热器433c、第三级脉管434、第三级脉管热端气体均匀器434b依次连接而成。并通过连接管55与三级阶梯活塞主动调相器工作腔222a相连。

第二级冷却器421b通过热桥442与第三级冷头43的第一预冷换热器431b相连。第二级冷端换热器423b通过热桥443与第三级冷头43的第二预冷换热器431c相连。第一级冷头41的冷端换热器413为第二级冷头42的预冷换热器421b和第三级冷头的第一预冷换热器431b提供预冷冷量。第二级冷头42的预冷端换热器423b为第三级冷头的第二预冷换热器431c提供预冷冷量。以此，可以在第三级冷端换热器433c处获得更低温度。

其工作过程与实施例7相同。三级阶梯活塞主动调相机构的三个工作腔分别与三级脉管的热端相连，控制各级脉管之间气流分布和脉管冷端质量流和压力波的相位，来获得最佳制冷效果。

与实施例5相同，该实施例也可以通过在脉管热端和阶梯活塞主动调相器之间增加调相气库的方式来调整其调相效果。

在上述实施例中没有示出热端换热器，热端换热器既可以和冷头在一起；也可以和压缩机在一起；也可以成为一个单独的单元，这时冷头不包括热端换热器，冷头通过热端换热器与压缩机相连，换热效果是一样的。在制冷效率要求不高的情况下，热端换热器仅仅是压缩机出口处的连接管，或气缸壁直接散热。

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。