CN106091460B - 用于低温制冷机的压差驱动式膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于低温制冷机的压差驱动式膨胀机及其制备方法，它包括电机、配气结构、进排气座（1）、气缸组件（2）、活塞组件、冷腔（3）和冷头换热器（4），进排气座与活塞组件之间固接有波形弹簧（5），波形弹簧将进排气座和活塞组件之间的空间分隔成内腔（6）和外腔（7），活塞组件将内腔与冷腔以及冷腔与外腔连通，进排气座位于内腔部分开设有主进排气口（8），进排气座位于外腔部分开设有副进排气口（9）。本发明的有益效果是采用压差式进气来推动活塞组件进行膨胀做功，无需曲轴连杆机构，大大减少电机的负荷，从而简化结构，可靠性也更高。

Description

用于低温制冷机的压差驱动式膨胀机

技术领域

本发明涉及低温制冷机，尤其涉及用于低温制冷机的膨胀机。

背景技术

随着现代信息技术、空间技术、超导电子学、红外探测、低温生物医学、气体液化等行业飞速发展，尤其是低温电子学器件及低温超导磁体在各领域的推广应用，以及液化天然气的大规模使用，极大促进了相关低温制冷机行业的发展。

在小型低温制冷机领域，主要实现方式为回热式热机，包括G-M制冷机、G-M型脉冲管制冷机、斯特林制冷机以及斯特林型脉冲管制冷机。G-M制冷机与G-M型脉冲管制冷机采用油润滑压缩机产生高压氦气，利用旋转阀产生周期性高低压气体，进而产生制冷效应，其缺点在于运行频率低，体积大，需要定期维护，并且由于旋转阀等不可逆损失，导致系统效率较低。斯特林制冷机利用压缩机活塞的直线运动产生高频率周期性压力波动，具有结构紧凑、效率高的明显优势；其缺点在于在低温区采用了排出器作为运动部件，来调节整机声场分布，由此会引起较大的振动，同时低温区下存在的运动部件也降低了系统可靠性。斯特林型脉冲管制冷机与斯特林制冷机可采用同类型压缩机，但相比于斯特林制冷机，去除了排出器结构，在冷端采用脉冲管结构，在脉冲管的热端利用了具有一定长度的惯性管调整回热器内声场分布，由于去除了排出器等运动部件，因此具有结构简单、振动小、可靠性高和寿命长等优点。

现有的低温制冷机的膨胀机主要采用的结构是：活塞与低速电机的曲轴连杆机构相连，同时电机轴上安装有配气阀，以控制活塞的进排气。曲轴连杆机构和配气阀在低速电机的带动下，按一定期相角进行进排气及活塞的上下移动。曲轴连杆机构和配气阀固定的气缸的法兰上，和气缸一起组成一个封闭的空间，里面填充有高纯氦气环境。这种结构主要缺陷是：活塞的驱动力来源于电机，当制冷机的功率较大时，活塞尺寸比较大，电机的驱动力随之增大，导致电机体积变大，驱动杆变粗，设备变得庞大。

中国发明专利申请号CN201410747859.9公开了一种低振动大冷量的自由活塞式斯特林制冷机膨胀机，其包括蓄冷器外壳、气缸、热端换热器、蓄冷器、排出器、冷端换热器和排出器支撑弹簧。该膨胀机通过连管与压缩机相连，振荡的工质气体通过连管进入膨胀机热端腔体，部分振荡工质经热端换热器进入蓄冷器，通过冷端换热器与膨胀腔内的气体实现换热；部分作用于排出器推动其往复运动，在膨胀腔实现制冷。其缺陷是总有部分高压氦气不能用来制冷而是用来驱动排出器运动，高压氦气的损失量较大；经过膨胀做功后的低压氦气与进入膨胀机的高压氦气共用一个通道，给排出器的往复运动带来阻碍，降低能源利用率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的用于低温制冷机的膨胀机要么单纯靠电机驱动导致设备庞大臃肿，要么采用气压制动时高压氦气的损失量较大，能源利用率不高，为此提供用于低温制冷机的压差驱动式膨胀机及其制备方法。

本发明的技术方案是：用于低温制冷机的压差驱动式膨胀机，它包括电机、配气结构、进排气座、气缸组件、活塞组件、冷腔和冷头换热器，所述进排气座与活塞组件之间固接有波形弹簧，所述波形弹簧将进排气座和活塞组件之间的空间分隔成内腔和外腔，所述活塞组件将内腔与冷腔以及冷腔与外腔连通，所述进排气座位于内腔部分开设有主进排气口，所述进排气座位于外腔部分开设有副进排气口。

上述方案的改进是活塞组件包括圆柱形活塞本体和位于圆柱形活塞本体内的引入腔、压缩腔和引出腔，所述圆柱形活塞本体与气缸之间充填有回热材料，所述引入腔一端与内腔连通另一端与压缩腔连通，且所述引入腔沿内腔至压缩腔方向内径逐渐收缩，所述压缩腔包括适配于压缩腔内可自由上下移动的上端盖和下端盖，所述上端盖和下端盖上分别开设有上通气口和下通气口，所述上端盖和下端盖通过弹簧连接，所述引出腔一端与压缩腔连通另一端与冷腔连通，且所述引出腔沿压缩腔至冷腔方向直径逐渐扩大。

用于低温制冷机的压差驱动式膨胀机的使用方法，它包括以下步骤：向主进排气口通入高压氦气，高压氦气依次穿过内腔和活塞组件充满冷腔，此时外腔处于低压状态，活塞组件向进排气座移动波形弹簧压缩；停止向主进排气口通入高压氦气，使得冷腔中的高压氦气通过活塞组件、内腔和主进排气口对外放气，同时向副进排气口通入高压氦气，使得高压氦气通过外腔向活塞组件施加向冷头换热器移动的推力，冷腔内的气体逐渐排空，当活塞组件与冷头换热器接触时将受到波形弹簧的拉力从而减缓冲击力。

本发明的有益效果是采用压差式进气来推动活塞组件进行膨胀做功，无需曲轴连杆机构，活塞的驱动力来源于进排气的高低压差，电机只需要用来配气，大大减少电机的负荷，从而简化结构，设备更精致，可靠性也更高；高压氦气的进气与低压氦气的排气使用不同的通道，提高活塞组件的做功利用率；活塞组件内置引入腔、压缩腔和引出腔对高压氦气进行二次膨胀做功，提高活塞组件的膨胀效率，缩短制冷时间，加大制冷量。

附图说明

图1是本发明的压差驱动式膨胀机示意图；

图中，1、进排气座，2、气缸组件，3、冷腔，4、冷头换热器，5、波形弹簧，6、内腔，7、外腔，8、主进排气口，9、副进排气口，10、圆柱形活塞本体，11、引入腔，12、压缩腔，13、引出腔，14、回热材料，15、上端盖，16、下端盖，17、弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的压差驱动式膨胀机，它包括电机、配气结构、进排气座1、气缸组件2、活塞组件、冷腔3和冷头换热器4，所述进排气座与活塞组件之间固接有波形弹簧5，所述波形弹簧将进排气座和活塞组件之间的空间分隔成内腔6和外腔7，所述活塞组件将内腔与冷腔以及冷腔与外腔连通，所述进排气座位于内腔部分开设有主进排气口8，所述进排气座位于外腔部分开设有副进排气口9。

压差驱动式膨胀机的使用方法如下：电机通过配气结构与主进排气口接通，向主进排气口通入高压氦气，高压氦气依次穿过内腔和活塞组件充满冷腔，此时外腔处于低压状态，活塞组件向进排气座移动使得波形弹簧压缩；停止向主进排气口通入高压氦气，使得冷腔中的高压氦气通过活塞组件、内腔和主进排气口对外放气，同时电机驱动配气结构向副进排气口通入高压氦气，使得高压氦气通过外腔向活塞组件施加向冷头换热器移动的推力，冷腔内的气体逐渐排空，当活塞组件与冷头换热器接触时将受到波形弹簧的拉力从而减缓冲击力，由此完成一个驱动循环。

为了进一步提高对活塞组件的利用率，在不增加设备体积的前提下可以对活塞组件进行改造，活塞组件包括圆柱形活塞本体10和位于圆柱形活塞本体内的引入腔11、压缩腔12和引出腔13，所述圆柱形活塞本体与气缸之间充填有回热材料14，所述引入腔一端与内腔连通另一端与压缩腔连通，且所述引入腔沿内腔至压缩腔方向内径逐渐收缩，所述压缩腔包括适配于压缩腔内可自由上下移动的上端盖15和下端盖16，所述上端盖和下端盖上分别开设有上通气口和下通气口，所述上端盖和下端盖通过弹簧17连接，所述引出腔一端与压缩腔连通另一端与冷腔连通，且所述引出腔沿压缩腔至冷腔方向直径逐渐扩大。

其工作原理如下：当高压氦气由主进排气口通过内腔进入活塞组件内的引入腔时由于引入腔的逐渐收窄的结构给高压氦气更大的驱动力，将推动上端盖向下端盖移动，上端盖压缩弹簧使其发生形变，压缩弹簧给下端盖一个向下的驱动力，当下端盖与压缩腔的底部接触时受到反作用力和弹簧的恢复形变的力将向上运动，推动弹簧和上端盖向上运动，当上端盖与压缩腔的顶部接触时上端盖受到反作用力和弹簧的恢复形变的力将向下运动，如此反复，对经过的高压氦气进行膨胀做功；高压氦气由上通气口进入再由下通气口排出，然后由引出腔将经过膨胀做功的氦气引入冷腔，再次进行膨胀做功成为低压氦气，进一步提高制冷效率和制冷量，本发明在同等条件下可以得到温度更低的低压氦气，进而提高冷头换热器的输出冷量，低压氦气最后由圆柱形活塞本体与气缸之间向副进排气口排出，使得高压氦气的引入和低压氦气的排出互不影响，提高热交换效率，避免对活塞组件产生上下的气流扰动。

Claims (3)

1.用于低温制冷机的压差驱动式膨胀机，它包括电机、配气结构、进排气座（1）、气缸组件（2）、活塞组件、冷腔（3）和冷头换热器（4），其特征是：所述进排气座与活塞组件之间固接有波形弹簧（5），所述波形弹簧将进排气座和活塞组件之间的空间分隔成内腔（6）和外腔（7），所述活塞组件将内腔与冷腔以及冷腔与外腔连通，所述进排气座位于内腔部分开设有主进排气口（8），所述进排气座位于外腔部分开设有副进排气口（9）。

2.如权利要求1所述的用于低温制冷机的压差驱动式膨胀机，其特征是：活塞组件包括圆柱形活塞本体（10）和位于圆柱形活塞本体内的引入腔（11）、压缩腔（12）和引出腔（13），所述圆柱形活塞本体与气缸之间充填有回热材料（14），所述引入腔一端与内腔连通，另一端与压缩腔连通，且所述引入腔沿内腔至压缩腔方向内径逐渐收缩，所述压缩腔包括适配于压缩腔内可自由上下移动的上端盖（15）和下端盖（16），所述上端盖和下端盖上分别开设有上通气口和下通气口，所述上端盖和下端盖通过弹簧（17）连接，所述引出腔一端与压缩腔连通，另一端与冷腔连通，且所述引出腔沿压缩腔至冷腔方向直径逐渐扩大。

3.如权利要求1所述的用于低温制冷机的压差驱动式膨胀机的使用方法，其特征是：它包括以下步骤：向主进排气口通入高压氦气，高压氦气依次穿过内腔和活塞组件充满冷腔，此时外腔处于低压状态，活塞组件向进排气座移动波形弹簧压缩；停止向主进排气口通入高压氦气，使得冷腔中的高压氦气通过活塞组件、内腔和副进排气口对外放气，同时向副进排气口通入高压氦气，使得高压氦气通过外腔向活塞组件施加向冷头换热器移动的推力，冷腔内的气体逐渐排空，当活塞组件与冷头换热器接触时将受到波形弹簧的拉力，从而减缓冲击力。