[發明專利]采用主動調相機構的多級脈管制冷機系統及其調節方法

有效

• 申請號: 201710053283.X
• 申請日: 2017-01-22
• 公開（公告）號: CN107328130B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 林玉哲;朱紹偉
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 褚明偉

本發明涉及采用主動調相機構的多級脈管制冷機系統及其調節方法，多級脈管制冷機系統包括主動調相機構與多級脈管制冷機單元，主動調相機構由階梯活塞體、階梯活塞氣缸體以及驅動機構組成，階梯活塞體與驅動機構相連，階梯活塞體與階梯活塞氣缸體之間形成多個工作腔，多級脈管制冷機單元包括壓縮機、換熱器和多級冷頭，每級冷頭均包括回熱器與脈管，冷頭的級數與主動調相機構中工作腔個數相同，每級冷頭的脈管分別與其中一個工作腔相連，壓縮機與每一級冷頭的冷卻器連接。本發明通過驅動機構來驅動階梯活塞體的運動，進而通過產生壓力波動來控制每一級冷頭內冷端換熱器部分壓力波和質量流的相位，提高多級脈管制冷機的工作效率。

技術領域

本發明屬于低溫制冷機領域，尤其是涉及一種采用主動調相機構的多級脈管制冷機系統及其調節方法。

背景技術

脈管制冷機是20世紀60年代由美國的Gifford和Longthworth共同提出的，有廣泛的應用前景。脈管制冷機的發展經歷了基本型脈管制冷機、小孔型脈管制冷機以及之后的雙向進氣型、慣性管型、四閥型和雙活塞型脈管制冷機等幾個發展階段。現在所使用的脈管制冷機大部分為雙向進氣型、慣性管型以及兩者的混合。

但是在斯特林型脈管制冷機領域，由于慣性管結構在低溫小冷量下調相不足，導致回熱器效率過低。另外適宜慣性管工作的壓比過低。因此，在20K以下溫區，尚未有高效率的斯特林型多級脈管制冷機報道出來。為解決這一問題，Raytheon公司提出了斯特林和脈管的混合結構，第一級采用斯特林，第二級采用脈管來避免斯特林制冷機制造工藝復雜的問題。但這樣采用兩種調相方式系統比較復雜。而LocKheed Martin公司則將后級脈管的慣性管讓前級冷卻使后級慣性管在低溫下工作以獲得足夠的調相效果從而獲得更低溫度，這樣，后級脈管的膨脹功也變成熱散到前級，理論效率低。如果采用階梯推移活塞，則由于不可避免的間隙密封問題而帶來復雜的直流分量問題。同時，是被動調相，一旦制造完成，壓縮功到各級的分配就定下了，各級制冷量也就定了，無法改變，這無法滿足制冷量要求可變的情況。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種采用主動調相機構的多級脈管制冷機系統及其調節方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

采用主動調相機構的多級脈管制冷機系統，包括：

主動調相機構：由階梯活塞體、階梯活塞氣缸體以及驅動機構組成，所述的階梯活塞體設在階梯活塞氣缸體內，并與驅動機構相連，階梯活塞體與階梯活塞氣缸體之間形成多個工作腔；

多級脈管制冷機單元：包括壓縮機、換熱器和多級冷頭，每級冷頭均包括回熱器與脈管；

冷頭的級數與主動調相機構中工作腔個數相同，每級冷頭的脈管分別與其中一個工作腔相連，壓縮機與每一級冷頭的冷卻器連接；壓縮機用于產生壓力波動驅動冷頭。

所述的階梯活塞體與階梯活塞氣缸體之間為間隙密封，形成工作腔。

所述的階梯活塞體上開有凹槽，用以保證階梯活塞體和階梯活塞氣缸體之間的間隙密封長度不變。可將活塞體和活塞氣缸體之間的漏氣消除或控制在一定的范圍內。

所述的階梯活塞體和階梯活塞氣缸體的級數不少于兩級，形成至少兩個工作腔。

階梯活塞體與階梯活塞氣缸體之間形成的工作腔上連接氣庫與調節閥門，用以調節各級冷頭的氣流分配。

階梯活塞體與階梯活塞氣缸體之間形成的工作腔與每一級冷頭的脈管之間連接管上設置有氣庫，該氣庫不同于階梯活塞體與階梯活塞氣缸體之間形成的工作腔的余隙。通過增加氣庫的辦法來調節其調相能力。

還可以通過增大階梯活塞體與階梯活塞氣缸體之間形成的工作腔的余隙容積，或采用脈管與工作腔間的容積來調節主動調相機構的調相能力。