一种推移活塞多级脉管制冷机的制作方法

本发明涉及一种脉管制冷机装置，尤其是涉及一种利用推移活塞调相的多级脉管制冷机装置。

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。

另一种方案是采用阶梯推移活塞，但是阶梯推移活塞结构制造要比单级推移活塞难度更大，成本更高。

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成本低、难度小的推移活塞多级脉管制冷机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种推移活塞多级脉管制冷机，包括调相机构(1)，压缩机(2)和冷头(3)，所述的调相机构(1)为推移活塞，其特征在于，所述的推移活塞有一个以上的膨胀腔，所述的冷头(3)为多级冷头，一个膨胀腔连接多级冷头。

所述的调相机构(1)为推移活塞，推移活塞主要由活塞与气缸组成，活塞将气缸分为背腔和膨胀腔，其中背腔连接压缩机(2)的压缩腔，压缩腔连接多级冷头，多个冷头连接至所述膨胀腔。

所述的推移活塞与冷头之间设有通过阀门和其他调节机构来调节各级之间的质量流量和控制直流，所述的其他调节机构包括阀门，弹性薄膜或毛细管。

所述的推移活塞为两级或者两级以上，其中至少有一级推移活塞的膨胀腔连接有多个冷头。

所述的冷头为多级，各级冷头为气耦合或者热耦合或者气耦合与热耦合相结合的结构。

所述的各级冷头包括依次连接的冷却器、回热器、冷端换热器和脉管，相邻冷头之间通过热桥进行热耦合，或通过气体管路进行气耦合，或两者相结合。

所述的多级脉管制冷机的级数为两级以上。

所述的推移活塞由电机驱动。

所述的压缩机由直线电机，旋转式电机或者热声机，斯特林发动机，脉管发动机或其他动力源驱动。

与现有技术相比，本发明调相机构为推移活塞，推移活塞可以有一个或多个膨胀腔。其中，一个膨胀腔可以通过管路连接多个冷头，管路上设置调节机构，如针阀/弹性薄膜等，调节各冷头之间的流量分配。

附图说明

图1为实施例1的示意图；

图2为实施例2的示意图；

图3为实施例3的示意图；

图4为实施例4的示意图；

图5为实施例5的示意图；

图6为实施例6的示意图；

图7为实施例7的示意图；

其中，1为推移活塞，1b为阶梯推移活塞，11为活塞，11b为阶梯活塞，12为膨胀腔，12b为膨胀腔b，13为背腔，14为驱动机构；

2为压缩机，21为压缩活塞，22为压缩腔；

3为脉管制冷机冷头部分，31为第一级冷头，311为第一级冷却器，312为第一级回热器，313为第一级冷端换热器，314为第一级脉管，314a为第一级脉管冷端气体均匀器，314b为第一级脉管热端气体均匀器，32为第二级冷头，321为第二级冷却器，322为第二级回热器，323为第二级冷端换热器，324为第二级脉管，324a为第二级脉管冷端气体均匀器，324b为第二级脉管热端气体均匀器，33为第三级冷头，331为第三级冷却器，332为第三级回热器，333为第三级冷端换热器，334为第三级脉管，334a为第三级冷端气体均匀器a，334b为第三级热端气体均匀器b。341为热桥a，342为热桥b，343为热桥c，41、42、42a、42b、43、44、45和46均为连接管，51、52和53为流量调节机构。

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

一种双级脉管制冷机装置，其结构如图1所示，包括推移活塞1，压缩机2，冷头3，连接管和调节机构。

其中推移活塞1包括气缸和活塞11，活塞11将气缸分为背腔13和膨胀腔12；

压缩机2包括气缸和压缩活塞21，压缩活塞21端头为压缩腔22，压缩腔22通过连接管46连接背腔13，通过连接管41连接冷头3。

冷头3包括第一级冷头31和第二级冷头32，其中第一级冷头31包括依次连接的第一级冷却器311，第一级回热器312，第一级冷端换热313和第一级脉管314，其中，第一级脉管314前的第一级脉管冷端气体均匀器314a通过连接管42连接第一级冷端换热313，第一级脉管314后的第一级脉管热端气体均匀器314b通过连接管43连接膨胀腔12，并在连接管43上设有流量调节机构51(本实施例中为调节阀)；第二级冷头32包括第一级冷端换热313后依次连接的第二级冷却器321，第二级回热器322，第二级冷端换热器323，第二级脉管冷端气体均匀器324a，第二级脉管324，第二级脉管热端气体均匀器324b，第二级脉管热端气体均匀器324b通过连接管44连接膨胀腔12，并在连接管44上设有流量调节机构51(本实施例中为针阀)。

压缩机2通过压缩腔22输出膨胀功，通过连接管41，功进入第一级冷头31，在第一级冷端换热器313处获得冷量，然后一部分气体进入第二级冷头32，另一部分气体进入第一级脉管314。

进入第一级脉管314的气体，通过连接管43，以及流量调节机构51后进入推移活塞膨胀腔12，回收膨胀功。进入第二级冷头32的气体，在第二级冷端换热器323处膨胀制冷，剩余膨胀功通过连接管44以及流量调节机构52后，同样在膨胀腔12处回收，然后回收的膨胀功通过推移活塞背腔13以及连接管46，与来自压缩腔22的功一起传输至冷头3，驱动制冷机冷头。

采用这种结构的双级脉管制冷机，一个推移活塞膨胀腔可以同时与两个冷头相连。同时调节两个冷头的相位，其中流量调节机构所起到的作用就是分配各级之间的流量，并且抑制直流。

实施例2

一种双级脉管制冷机装置，其结构如图2所示，包括推移活塞1，压缩机2，冷头3，连接管和调节机构。

与实施例1不同之处在于，该实施例中的两级冷头之间的耦合方式为热耦合，即通过热桥341连接第一级冷端换热器313和第二级冷头32的中间冷却器323a。

具体来说，从压缩腔22引出的连接管41分成并联的两路，其中一路连接管41a连接第一级冷头31的第一级冷端换热器313，然后依次连接第一级回热器312，第一级冷端换热313、第一级脉管冷端气体均匀器314a、第一级脉管314和第一级脉管热端气体均匀器314b；另一路连接管41b依次连接第二级冷却器321a，第二级中间回热器322a，第二级中间冷却器323a，第二级回热器322b，第二级冷端换热器323b,第二级脉管冷端气体均匀器324a，第二级脉管324，第二级脉管热端气体均匀器324b。

其他结构与实施例1相同。

实施例3

一种三级脉管制冷机装置，其结构如图3所示，包括推移活塞1，压缩机2，冷头3，连接管和调节机构。

与实施例1的区别在于，该实施例中的冷头为3级结构，在第二级冷头32后又连接了第三级冷头33。三级冷头共用一个推移活塞膨胀腔调相。通过流量调节机构51、52和53来调节各级冷头的流量分配(本实施例中流量调节机构为弹性薄膜)。

具体来说，第一级冷头31的第一级冷端换热313通过连接管42a第一级脉管314前的第一级脉管冷端气体均匀器314a，第二级冷头32的第二级冷端换热器323通过连接管42b连接第二级脉管324前的第二级脉管冷端气体均匀器324a，第三级冷头33包括依次连接的第三级冷却器331，第三级回热器332，第三级冷端换热器333，第三级脉管334，第三级脉管热端气体均匀器334b，第三级脉管热端气体均匀器334b通过连接管45连接膨胀腔12，并在连接管45上设有流量调节机构53。

其他结构与实施例1相同。

实施例4

一种三级脉管制冷机装置，其结构如图4所示，包括推移活塞1，压缩机2，冷头3，连接管和调节机构。

与实施例2的区别在于，该实施例中的冷头为3级结构，在冷头32后又连接了冷头33。三级冷头共用一个推移活塞膨胀腔调相。通过流量调节机构51/52和53来调节各级冷头的流量分配。

具体来说，从压缩腔22引出的连接管41分成并联的三路，其中一路连接管41a连接第一级冷头31；第二路连接管41b依次连接第二级冷头32，第三路连接管41c连接第三级冷头33，第三级冷头包括依次连接的第三级前冷却器331a，第三级前回热器332a，第三级前冷却器333a，第三级中间冷却器331b、第三级中间回热器332b，第三级中间换热器333b，第三级后冷却器331c、第三级后回热器332c，第三级后换热器333c，第三级脉管334，第三级脉管热端气体均匀器334b，第三级脉管热端气体均匀器334b通过连接管45连接膨胀腔12，并在连接管45上设有流量调节机构53。

其中第一级冷端换热313与第二级冷端换热器323a之间通过热桥341连接，第二级冷端换热器323a与第三级前冷却器333a之间通过热桥342连接，第二级冷端换热器323b与第三级中间换热器333b之间通过热桥343连接。

其他结构与实施例2相同。

实施例5

一种三级脉管制冷机装置，其结构如图5所示，包括推移活塞1，压缩机2，冷头3，连接管和调节机构。

与实施例3的区别在于，该实施例中的推移活塞1b为阶梯结构，阶梯活塞11b将气缸分为两个膨胀腔：膨胀腔12和膨胀腔b12b。其中第一级冷头31和第二级冷头32连接到膨胀腔12，第三级冷头33连接到膨胀腔b12b。这样可以用两级阶梯推移活塞来调节三个冷头的相位。

实施例6

一种三级脉管制冷机装置，其结构如图6所示，包括推移活塞1，压缩机2，冷头3，连接管和调节机构。

与实施例4的区别在于，该实施例中的推移活塞1b为阶梯结构，阶梯活塞11b将气缸分为两个膨胀腔：膨胀腔12和膨胀腔b12b。其中第一级冷头31连接到膨胀腔12，第二级冷头32和第三级冷头33连接到膨胀腔b12b。这样可以用两级阶梯推移活塞来调节三个冷头的相位。

实施例7

一种双级脉管制冷机装置，其结构如图7所示，包括推移活塞1，压缩机2，冷头3，连接管和调节机构(本实施例中流量调节机构51和52为隔膜阀)。

与实施例1不同之处在于，该实施例中的推移活塞1c包含驱动机构14。没有连接管路连接推移活塞背腔和压缩机的压缩腔。

同样的结构可以用于3级甚至3级以上脉管制冷机。