CN213020385U - 用于脉冲管制冷机的功回收装置和脉冲管制冷机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于脉冲管制冷机的功回收装置和脉冲管制冷机系统，包括气缸、活塞和第一板簧，所述活塞插设在所述气缸内，并与所述气缸间隙配合；所述活塞包括依次设置的第一活塞部、第二活塞部和第三活塞部，且所述活塞将气缸依次分割为膨胀腔、压缩腔和背压腔；所述第一活塞部与所述第二活塞部连接的端面相比于所述第一活塞部的游离端面的面积减小；所述第一板簧和所述第三活塞部连接。本实用新型利用独立分体设置的功回收装置，提高制冷机的适应性。

Description

用于脉冲管制冷机的功回收装置和脉冲管制冷机系统

技术领域

本实用新型涉及脉冲管制冷机系统领域，具体涉及一种用于脉冲管制冷机的功回收装置和脉冲管制冷机系统。

背景技术

脉冲管制冷机冷端无运动部件，系统运行时具有较高的稳定性和较低的振动性，在航空航天、高温超导、红外探测、生物医药领域有着广泛的应用。脉冲管制冷机的制冷相位调节通常有被动和主动两种方式。被动方式通常采用惯性管加气库方式进行调相，使制冷机的压力波和质量流满足一定的相位分布以达到制冷目的。但同时，惯性管调相的方式会导致制冷机的一部分能量在调相装置中耗散，造成脉冲管制冷机的制冷效率低下；作为常用被动调相方式之一的功回收活塞调相机构不仅能够提供需要的压力波和质量流相位差，也可以将脉冲管冷指热端的声功部分回收，从而使制冷机效率提高。而现有的采用功回收调相结构的脉冲管制冷机通常为集成式或者半集成式结构，即与压缩机或脉冲管冷指进行了一定程度上的结构共用，当制冷机工况改变，需要不同的制冷相位，以工作在不同的制冷温区，并获得新的制冷要求时，导致无法更换已有的功回收调相结构，使得制冷机适应性较差。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于脉冲管制冷机的功回收装置和脉冲管制冷机系统，其利用独立分体设置的功回收装置，提高制冷机的适应性。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种用于脉冲管制冷机的功回收装置，包括气缸、活塞和第一板簧，所述活塞插设在所述气缸内，并与所述气缸间隙配合；所述活塞包括依次设置的第一活塞部、第二活塞部和第三活塞部，且所述活塞将气缸依次分割为膨胀腔、压缩腔和背压腔；所述第一活塞部与所述第二活塞部连接的端面相比于所述第一活塞部的游离端面的横截面积减小；所述第一板簧和所述第三活塞部连接。

进一步的，所述第一活塞部的长径比为0.9:1～1.5:1。

进一步的，所述第二活塞部的长径比为1.5:1～2:1。

进一步的，功回收装置还包括减振组件，所述减振组件包括配重块和与所述配重块连接的第二板簧，所述减振组件和所述气缸连接。

进一步的，所述气缸包括腔盖，所述腔盖上设置有凸出部；所述凸出部伸入所述膨胀腔中，并与所述膨胀腔的内壁贴合。

进一步的，所述气缸的内壁设置有第一衬套，所述第一衬套和所述气缸过盈配合或过渡配合。

进一步的，所述活塞的外部套设有第二衬套，所述第二衬套和所述活塞过盈配合或过渡配合。

进一步的，套设在所述第一活塞部上的第二衬套与套设在所述第二活塞部的第二衬套间的同轴度小于0.01mm。

进一步的，所述气缸的外壁开设有槽道。

本实用新型的另一目的在于提供一种脉冲管制冷机系统，包括所述用于脉冲管制冷机的功回收装置，还包括脉冲管冷指和压缩机，所述压缩机和所述脉冲管冷指连通，且所述脉冲管冷指和所述气缸连通。

本实用新型的有益效果：

第一活塞部与第二活塞部连接的端面相比于第一活塞部的游离端面的面积较小，能够实现膨胀腔和压缩腔之间的气动力的差值，使得上述气动力的差值能够抵消第一板簧的作用；同时，利用第一活塞面和第二活塞面的差值配合具有一定轴向刚度的第一板簧，通过调整第一板簧的型线或者刚度，能够实现对不同脉冲管制冷机的压力波和质量流相位角的调节功能，达到声功回收的效果；且能够提升制冷机的制冷性能。

附图说明

图1是本实用新型中功回收装置的剖视图；

图2是本实用新型中气缸的剖视图；

图3是本实用新型中活塞的剖视图；

图4是本实用新型中减振组件的剖视图；

图5是本实用新型中脉冲管制冷机系统的示意图。

图中标号说明：1、气缸；11、膨胀腔；12、压缩腔；13、背压腔；2、腔盖；14、槽道；2、腔盖；21、凸出部；3、背压腔盖体；31、凸起；4、第一衬套；5、活塞；51、第一活塞部；52、第二活塞部；53、第三活塞部；6、第二衬套；7、第一板簧；81、配重块；82、第二板簧；83、固定扣；91、压缩机； 92、脉冲管冷指。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

参照图1-图5所示，本实用新型的用于脉冲管制冷机的功回收装置的一实施例，包括气缸1、活塞5和第一板簧7，其中活塞5插设在气缸1的内部，并且活塞5和气缸1之间留有一定的间隙，使得活塞5和气缸1间隙配合，实现活塞5相对于气缸1的无摩擦运动。本实施例中，为了实现功回收装置的轻量化设计，气缸1的材质优选铝合金，使得气缸1既能够保证使用性能，也能够减小气缸1的重量。

活塞5包括依次设置的第一活塞5部、第二活塞5部和第三活塞5部，本实施例中第一活塞5部、第二活塞5部和第三活塞5部的直径依次较小，实现了活塞5的变截面设计。第一活塞5部与第二活塞5部连接的端面相比于第一活塞5部的游离端面的面积减小，即预设第一活塞5部的游离面为第一活塞5 面，第一活塞5部和第二活塞5部连接处的面积差为第二活塞5面，第一活塞 5面的面积大于第二活塞5面的面积。同时，第一板簧7位于第三活塞5的游离端，因而利用第一活塞5面和第二活塞5面之间的面积差带来的气动力差可以减小第一板簧7轴向的刚度要求，能够减轻第一板簧7的厚度，有利于实现功回收装置的轻量化设计。

当将活塞5插设进气缸1内部时，活塞5能够将气缸1依次分割为膨胀腔 11、压缩腔12和背压腔13，同时第一板簧7的侧边和气缸1的内壁接触。本实施例中第一活塞5面和气缸1之间形成有膨胀腔11、第二活塞5面和气缸1 之间形成有压缩腔12、第一板簧7和气缸1之间形成有背压腔13。利用前述的第一活塞5面和第二活塞5面的面积差能够实现膨胀腔11和压缩腔12之间的气动力的差值，使得上述气动力的差值能够抵消第一板簧7的作用。同时，利用第一活塞5面和第二活塞5面的差值配合具有一定轴向刚度的第一板簧7，通过调整第一板簧7的型线或者刚度，能够实现对不同脉冲管制冷机的压力波和质量流相位角的调节功能，达到声功回收的效果；且能够提升制冷机的制冷性能。

第三活塞5部上设置有外螺纹，以便于第一板簧7和第三活塞5连接，同时第一板簧7的两端部均通过螺栓与气缸1连接，以保证功回收装置的使用性能。利用螺纹连接实现第三活塞5部和第一板簧7的装配，便于根据脉冲管制冷机系统中相位的要求更换不同型线或者不同厚度的第一板簧7，通过改变第一板簧7的刚度，实现在不同脉冲管制冷机系统中的调节相位的作用。

第一活塞5部的长径比为0.9:1～1.5:1，即第一活塞5部的轴向长度与直径的比值为0.9:1～1.5:1，从而便于第一活塞5部和气缸1的安装与配合，即便于活塞5的安装同时也能够保证安装后的间隙密封泄漏量的要求。当第一活塞5部的长径比过大时，第一活塞5部和气缸1间隙密封处易卡嵌，因而对第一活塞5部的工艺要求较高。当第一活塞5部的长径比过小时，不易保证第一活塞5部和气缸1之间的气密性能的要求，膨胀腔11和压缩腔12易发生漏气。

同理，第二活塞5部的长径比为1.5:1～2:1，即第二活塞5部的轴向长度与直径的比值为1.5:1～2:1，从而便于第二活塞5部和气缸1的安装与配合，既便于活塞5的安装同时也能够保证安装后的间隙密封泄漏量的要求。当第二活塞5部的长径比过大时，第二活塞5部和气缸1间隙密封处易卡嵌，因而对第二活塞5部的工艺要求较高。当第二活塞5部的长径比过小时，不易保证第二活塞5部和气缸1之间的气密性能的要求，压缩腔12易发生漏气。

功回收装置还包括减振组件，其中减振组件包括配重块81和第二板簧82，其中配重块81和第二板簧82固定连接，配重块81和气缸1连接。本实施例中配重块81通过固定扣83和第二板簧82连接，先将配重块81和第二板簧82 通过周向穿孔连接后，再与固定扣83螺纹连接，然后再将固定扣83和气缸1 连接即可。气缸1的一端连接有背压腔盖体3，背压腔盖体3通过橡胶密封圈以及紧固螺钉与气缸1连接，本实施例中背压腔盖体3的材质优选铝合金。其中背压腔盖体3的端面设置有凸起31，上述凸起31能够和固定扣83螺纹连接，以实现减振组件和气缸1的连接。利用与气缸1连接的减振组件，用于减弱活塞5相对于气缸1往复运动时的振动，以增大功回收装置的使用性能。

气缸1包括位于其端部的腔盖22，上述腔盖22和气缸1用于形成膨胀腔 11。腔盖22的内壁设置有凸出部21，上述凸出部21能够插进膨胀腔11内部，并且与膨胀腔11的内壁贴合。本实施例中凸出部21、气缸1以及第一活塞5 面共同形成了膨胀腔11，当调整凸出部21插设在气缸1内部的深度时，能够改变膨胀腔11的体积，从而改变第一板簧7的刚度，实现在不同的脉冲管制冷机系统中调节相位的作用。本实施例中腔盖22通过橡胶密封圈以及紧固螺钉与气缸1可拆卸连接，既便于调整腔盖22以及凸出部21相对于气缸1的位置，也能够保证膨胀腔11的密封性。

此外，在优选的另一实施例中，气缸1的内壁设置有第一衬套4，并且第一衬套4和气缸1过盈配合或过渡配合。本实施例中第一衬套4和气缸1过盈配合，第一衬套4的材料优选不锈钢。利用第一衬套4能够减小活塞5相对于气缸1运动时，对气缸1的磨损，因而对气缸1具有一定的保护作用。本实施例中为了便于第一衬套4和气缸1的配合，膨胀腔11的内壁和压缩腔12的内壁均设置有上述第一衬套4；为了降低加工要求，上述两第一衬套4独立设置。

在优选的另一实施例中，活塞5的外部套设有第二衬套6，第二衬套6和活塞5过盈配合或过渡配合。本实施例中活塞5为实心结构，并且根据调相的要求，可以对活塞5的材质做预先的选择。第二衬套6位于活塞5的外部可以通过胶结等方式固定连接。本申请中，在第二衬套6和活塞5固定的过程中，先将第二衬套6预留一定的加工余量，然后通过胶结等方式将套设在活塞5外部的第二衬套6与活塞5固定。然后将粘接完成后的第二衬套6置于精密车床上进行加工，以保证第二衬套6的尺寸达到要求的尺寸。本实施例中第一活塞 5部和第二活塞5部上均套设有第二衬套6，并且两第二衬套6的同轴度小于 0.01mm，以保证活塞5运动时的精度要求。

在优选的另一实施例中，气缸1的外壁开设有若干槽道14。沿气缸1周向开设的若干平行设置的槽道14能够增大散热面积，以提高功回收装置的散热效果。

一种脉冲管制冷机系统，用于脉冲管制冷机的功回收装置，还包括脉冲管冷指92和压缩机91，压缩机91和脉冲管冷指92连通，且脉冲管冷指92和气缸1连通。

当压缩机91的活塞5进行压缩时，高温高压气体经过压缩机91的压缩腔 12进入脉冲管冷指92内部。即先通过脉冲管冷指92的热端换热器进行冷却放热，然后再进入回热器内部经蓄热介质进一步放热，然后再进入冷端换热器的腔体中进行膨胀并吸收热量，再进入脉冲管中进行泵功过程并逐渐吸热，最后进入功能回收装置的膨胀腔11中。由于压缩机91以及脉冲管冷指92的结构均位于现有技术，因而在此不做赘述。

利用独立外置的功回收装置替代现有技术中的惯性管调相装置，使得脉冲管制冷机系统在实现调相的过程中，达到声功回收的效果。同时相对于压缩机 91和脉冲管冷指92独立外置的功回收装置，便于进行替代和更换，以匹配不同的制冷需求；同时便于拆卸、装配以及维修，从而提高了脉冲管制冷机系统的实用性能。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种用于脉冲管制冷机的功回收装置，其特征在于，包括气缸、活塞和第一板簧，所述活塞插设在所述气缸内，并与所述气缸间隙配合；所述活塞包括依次设置的第一活塞部、第二活塞部和第三活塞部，且所述活塞将气缸依次分割为膨胀腔、压缩腔和背压腔；所述第一活塞部与所述第二活塞部连接的端面相比于所述第一活塞部的游离端面的面积减小；所述第一板簧和所述第三活塞部连接。

2.如权利要求1所述的用于脉冲管制冷机的功回收装置，其特征在于，所述第一活塞部的长径比为0.9:1～1.5:1。

3.如权利要求1所述的用于脉冲管制冷机的功回收装置，其特征在于，所述第二活塞部的长径比为1.5:1～2:1。

4.如权利要求1所述的用于脉冲管制冷机的功回收装置，其特征在于，功回收装置还包括减振组件，所述减振组件包括配重块和与所述配重块连接的第二板簧，所述减振组件和所述气缸连接。

5.如权利要求1所述的用于脉冲管制冷机的功回收装置，其特征在于，所述气缸包括腔盖，所述腔盖上设置有凸出部；所述凸出部伸入所述膨胀腔中，并与所述膨胀腔的内壁贴合。

6.如权利要求1所述的用于脉冲管制冷机的功回收装置，其特征在于，所述气缸的内壁设置有第一衬套，所述第一衬套和所述气缸过盈配合或过渡配合。

7.如权利要求1所述的用于脉冲管制冷机的功回收装置，其特征在于，所述活塞的外部套设有第二衬套，所述第二衬套和所述活塞过盈配合或过渡配合。

8.如权利要求7所述的用于脉冲管制冷机的功回收装置，其特征在于，套设在所述第一活塞部上的第二衬套与套设在所述第二活塞部的第二衬套间的同轴度小于0.01mm。

9.如权利要求1所述的用于脉冲管制冷机的功回收装置，其特征在于，所述气缸的外壁开设有槽道。

10.一种脉冲管制冷机系统，其特征在于，包括权利要求1-9中任一权利要求所述的用于脉冲管制冷机的功回收装置，还包括脉冲管冷指和压缩机，所述压缩机和所述脉冲管冷指连通，且所述脉冲管冷指和所述气缸连通。

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