一种由弹簧连接压缩机活塞的活塞调相型脉管制冷机的制作方法

本发明涉及低温制冷机技术领域，特别涉及一种由弹簧连接压缩机活塞的活塞调相型脉管制冷机。

背景技术

随着现代科学技术的发展，低温技术的应用需求持续增长，尤其在空间技术、超导电力、红外探测、医疗仪器等领域。脉管制冷机因其冷端无运动部件，具有结构简单紧凑、振动小、可靠性高和寿命长等优点，已成为最具有应用前景并被广泛研究的低温制冷机。

研究表明，脉管制冷机中压力波与工质体积流的相位差对制冷机的制冷性能十分重要。当回热器中部附近压力波与体积流同相时，回热器损失最小，脉管制冷机制冷性能较高。因此，需要在脉管热端使压力波的相位领先体积流大约60°，并且在一定的压力波幅值下，体积流达到一定的范围。相比于g-m制冷机和斯特林制冷机，脉管制冷机没有排出器结构，需要通过小孔气库、双向进气、惯性管等额外的调相机构进行调相。但是，以上调相机构无法回收脉管中的膨胀功，该部分的膨胀功将以热量的形式在脉管热端和调相机构中耗散，使得脉管制冷机的效率小于斯特林制冷机。此外，对于工作在低温下的小功率脉管制冷机，采用小孔气库、双向进气与惯性管等方式能提供的惯性过小，而粘性阻力损失较大，难以达到所需的相角。并且以上调相机构引入气库等部件，增大了制冷机体积和用气量。

例如公告号为cn103047789b，cn106568222a和cn106440448a的专利文献公开了带动质量模块或推移活塞调相装置的脉管制冷机，原理是依靠动质量模块或推移活塞进行调相，形成较高相角，提高制冷性能。

但是上述结构有脉管制冷机额外的部件引入，使得系统更加复杂，且动质量模块或推移活塞的运动形式通过气体压缩和膨胀来驱动，难以控制或调节。

技术实现要素：

本发明提供了一种由弹簧连接压缩机活塞的活塞调相型脉管制冷机，采用弹簧连接压缩机活塞与调相活塞，通过运行时压缩机活塞的往复运动控制调相活塞进行往复运动，调整压力波与体积流之间的相位差，优化调相，回收脉管热端声功，提高脉管制冷机的制冷性能。

一种由弹簧连接压缩机活塞的活塞调相型脉管制冷机，包括压缩机模块、脉管制冷模块以及调相模块，所述压缩机模块包括背压腔、压缩机活塞和压缩腔，所述脉管制冷模块包括依次连通的回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管和脉管热端换热器，所述压缩腔与回热器热端换热器连通，所述调相模块包括：

膨胀腔，一部分与所述压缩腔连通，另一部分与所述脉管热端换热器连通；

调相活塞，安装在所述膨胀腔内，与所述膨胀腔内壁之间设有密封间隙；

弹性连接件，两端分别连接压缩机活塞和调相活塞以使压缩机活塞驱动调相活塞。

上述结构中，所述调相活塞置于膨胀腔内，与膨胀腔内壁之间有密封间隙，该间隙同时起到密封作用和隔绝调相活塞两侧气体的作用，调相活塞一侧为膨胀腔，另一侧为压缩腔。

弹性连接件可以采用具有弹性的多种材料，为了便于调节和控制，优选的，所述弹性连接件为弹簧。弹簧结构简单，变形量容易测量和计算，同时便于调节和控制。

为了使制冷机的结构更简单，便于制造，优选的，所述压缩机模块采用线性压缩机，所述压缩机活塞进行线性往复运动并驱动调相活塞进行线性往复运动。线性运动更便于制造，也更容易控制和调节。

为了使制冷机的结构更紧凑，优选的，所述脉管与回热器同轴布置。上述设置可以减小横向的体积，使结构紧凑。

为了进一步使制冷机的结构更紧凑，优选的，所述回热器热端换热器为环状结构，环内安装所述膨胀腔。将膨胀腔布置在所述回热器热端换热器中，减小整体体积，更紧凑。

为了进一步使制冷机的结构更紧凑，优选的，所述回热器为环状结构，环内安装所述脉管。

为了进一步使制冷机的结构更紧凑，优选的，所述压缩机活塞与调相活塞的运动轨迹同轴。上述设置不需额外的连管，结构紧凑。

所述压缩机模块可以采用单缸压缩机，包含单个背压腔、压缩机活塞，调相模块包含单个调相活塞，膨胀腔可直接安装在脉管热端换热器上。

为了便于制造和安装，优选的，所述脉管与回热器平行布置。没有相互嵌套，制造更简单，安装更方便。

为了减小工作时的振动，优选的，所述压缩机模块采用对置双活塞压缩结构，两个活塞相对布置。对置双活塞压缩结构的两个压缩机活塞同时工作，可以相互抵消部分振动。

为了进一步简化结构，使制冷机更紧凑，优选的，所述调相模块包括：

单个膨胀腔，具有与两个压缩腔连通的第一膨胀段和第二膨胀段；

两个调相活塞，分别安装在第一膨胀段和第二膨胀段中，并分别通过弹性连接件与对应的压缩机活塞连接。压缩腔和膨胀腔通过连管分别与回热器热端换热器和脉管热端换热器连接。

当本发明的脉管制冷机工作时，压缩机模块运行，压缩机活塞作线性往复运动，并不断压缩和拉伸弹簧，通过弹簧连接的调相活塞在密封壁面内同时作线性往复运动，因弹簧与调相活塞产生阻抗：

式中r、m、k、ω、a分别为机械阻尼、调相活塞质量、弹簧刚度、角频率以及调相活塞面积。δp为压缩腔与膨胀腔的压力差，δu为压缩腔与膨胀腔内工质的体积流率之差。因此，通过弹簧连接的压缩机活塞与调相活塞的运动使得压缩腔和膨胀腔内的压力波与质量流相位差不同。通过改变弹簧的刚度和阻尼、调相活塞质量和面积，可以大范围的调节该阻抗，从而调节压力波与质量流的相位差，满足脉管制冷机的调相要求。

脉管制冷机的效率cop为冷端换热器的制冷量qc与压缩机模块的输入功wcomp之比。现有技术的无膨胀功回收的脉管制冷机，膨胀功将在脉管热端换热器和调相机构(小孔阀或惯性管和气库)以热量的形式耗散，因此脉管制冷机的本征效率为：

式中tc为制冷温度，th为环境温度。

而本发明的由弹簧连接压缩机活塞的活塞调相型脉管制冷机，弹簧与调相活塞可以在脉管内气体压缩阶段将压缩功通过形变储存，在脉管内气体膨胀阶段将储存的压缩功释放，从而实现脉管内膨胀功的回收利用，与含有低温排出器的斯特林制冷机类似，脉管制冷机的本征效率可提高为：

本发明的有益效果：

(1)采用弹性连接件连接压缩机活塞和调相活塞，利用压缩机活塞驱动调相活塞，并用弹性连接件控制调相活塞的相位，实现主动调相，增大调相范围，提高脉管制冷机的制冷性能。

(2)调相模块与压缩机模块直接连接，去除了现有技术中的惯性管、双向进气、小孔和气库等调相机构，且低温下无运动部件，使得脉管制冷机更加紧凑，体积小。

(3)弹性连接件和调相活塞的运动和形变可实现脉管内膨胀功的回收而不增加低温运动部件，提高脉管制冷机的效率并保持可靠性和长寿命。

附图说明

图1为实施例1的由弹簧连接压缩机活塞的活塞调相同轴型脉管制冷机的结构示意图。

图2为实施例1的压缩机模块与调相模块连接的结构示意图。

图3为实施例2的由弹簧连接压缩机活塞的活塞调相u型脉管制冷机的结构示意图。

图4为实施例3的由弹簧连接压缩机活塞的活塞调相同轴型脉管制冷机的结构示意图。

图5为实施例4的由弹簧连接压缩机活塞的活塞调相u型脉管制冷机的结构示意图。

其中：1、压缩机模块，2、调相模块，3、回热器热端换热器，4、脉管热端换热器，5、回热器，6、脉管，7、冷端换热器，8、背压腔，9、压缩机活塞，10、压缩腔，11、膨胀腔，12、调相活塞，13、密封间隙，14、弹簧，15、连管。

具体实施方式

实施例1

如图1和2所示，本实施例的由弹簧连接压缩机活塞的活塞调相同轴型脉管制冷机包括依次连通的压缩机模块1、回热器热端换热器3、回热器5、冷端换热器7、脉管6、脉管热端换热器4和调相模块2。

其中，压缩机模块1包括背压腔8、压缩机活塞9和压缩腔10。调相模块2包括膨胀腔11、调相活塞12、密封间隙13和弹簧14。压缩腔10与回热器热端换热器3连通，膨胀腔11与脉管热端换热器4连通。弹簧14位于压缩腔10内，连接压缩机活塞9和调相活塞12。

调相活塞12置于膨胀腔11内，与膨胀腔11的壁面之间有密封间隙13，用于降低摩擦，并形成密封，隔绝膨胀腔11内的气体与压缩腔10内的气体。

本实施例中压缩机模块1、调相模块2、脉管6与回热器5同轴布置。回热器5和回热器热端换热器3为环状，回热器热端换热器3的环内为膨胀腔11。回热器5的环内脉管6。

实施例2

如图3所示，本实施例的由弹簧连接压缩机活塞的活塞调相u型脉管制冷机，回热器5与脉管6平行布置，通过冷端换热器7连通，膨胀腔11与脉管热端换热器4连通，压缩腔10通过连管15与回热器热端换热器3连通。其余结构都与实施例1相同。

实施例3

如图4所示，本实施例的由弹簧连接压缩机活塞的活塞调相同轴型脉管制冷机，回热器5与脉管6同轴布置。压缩机模块1含有两个背压腔8和两个压缩机活塞9，并对称布置。调相模块2含有两个调相活塞12，通过弹簧14分别与两个压缩机活塞9连接。压缩腔10与回热器热端换热器3连通，膨胀腔11通过连管15与脉管热端换热器4连通。其余都与实施例1相同。

实施例4

如图5所示，本实施例的由弹簧连接压缩机活塞的活塞调相u型脉管制冷机，回热器5与脉管6平行布置，压缩机模块1含有两个背压腔8和两个压缩机活塞9，并对称布置。调相模块2含有两个调相活塞12，通过弹簧14分别与两个压缩机活塞9连接。压缩腔10通过连管15与回热器热端换热器3连通，膨胀腔11通过连管15与脉管热端换热器4连通。其余都与实施例1相同。

上述的制冷机运行时，压缩机活塞9进行线性往复运动，产生压力波和往复运动的质量流。气体工质在脉管6中进行压缩和膨胀，在冷端换热器7处产生制冷量。

压缩机活塞的运动使得弹簧14进行压缩和拉伸，带动调相活塞12在膨胀腔11内进行往复运动，改变膨胀腔内的压力波和质量流。由于弹簧14和调相活塞12产生阻抗:

式中r、m、k、ω、a分别为机械阻尼、调相活塞质量、弹簧刚度、角频率以及调相活塞面积。δp为压缩腔与膨胀腔的压力差，δu为压缩腔与膨胀腔内工质的体积流率之差。

因此，通过弹簧14连接的压缩机活塞9与调相活塞12的运动使得压缩腔10和膨胀腔11内的压力波与质量流之间的相位差不同。通过改变弹簧14的刚度和阻尼、调相活塞12质量和面积，可以大范围的调节该阻抗，从而调节压力波与质量流的相位差，满足脉管制冷机的相位要求，提高制冷性能。

同时，弹簧14与调相活塞12可以在脉管6内气体压缩阶段将压缩功通过形变储存，在脉管6内气体膨胀阶段将储存的压缩功释放，从而实现脉管内膨胀功的回收，脉管制冷机的本征效率可由无回收功时的增加至式中tc为制冷温度，th为环境温度。

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。