一种多级斯特林型脉管制冷机制造技术

本发明专利技术涉及一种多级阶梯活塞式脉管制冷机，包括压缩机、n级冷头及n级阶梯推移活塞系统，其中，n为大于1的整数，冷头包括冷却器、回热器、冷量换热器及脉管，第n级冷头中的冷量换热器作为第n级冷量输出端，压缩机的压缩腔与冷头中的冷却器连接，n级阶梯推移活塞系统的推移活塞工作腔分别与脉管连接，n级阶梯推移活塞系统的推移活塞背工作腔与压缩机的压缩腔连通，其特征在于，至少一级冷头中的脉管和与其相连的阶梯推移活塞工作腔之间连接有调整腔。与现有技术相比，本发明专利技术能够通过调节调整腔的容积从而使脉管冷端的气体的流量与压力工作在最佳相位角，同时兼顾各级的输入功的分配，并且，膨胀功可回收，理论效率与卡诺机一样。

【技术实现步骤摘要】
一种多级斯特林型脉管制冷机
本专利技术涉及一种脉管制冷机，尤其是涉及一种多级斯特林型脉管制冷机。
技术介绍
斯特林型脉管制冷机没有低温下的运动部件，其压缩机可采用直线电机和片弹簧悬浮，从而压缩机的寿命很长，效率很高。在77K制冷温区，在现有的小型低温制冷机中，斯特林型脉管制冷机的寿命最高，效率也最高。为获得低温，如20-4K制冷温度，多级脉管制冷机是必须的。目前，双级斯特林型脉管制冷机在35K温区已实用化。在20K温区遇到了温度很难降低，效率很难提高的困难。20K是液氢温区，有很重要的用途，如用于氢液化，低温泵等。在脉管制冷机的脉管的热端有相移器，其作用是让脉管冷端的气体的流量与压力有一个最佳相位角，从而使回热器效率最高，进而使制冷机的效率最高。现有的多级脉管制冷机中，相移器一般是双向进气型或惯性管型，其效果在更低温度下并不好，不能让脉管冷端的气体的流量与压力工作在最佳相位角。而在更低低温下，相移器非常重要，这就是为什么现在20K以下制冷温度的斯特林型脉管制冷机开发进展缓慢的原因。在阶梯推移活塞型多级脉管制冷机中，有一阶梯推移活塞做相移器，由阶梯推移活塞所形成的各阶梯推移活塞工作腔分别与各级脉管的热端相连接。各阶梯推移活塞工作腔回收膨胀功，理论效率和卡诺效率一样。因此看起来是一个最佳的相移器。但缺陷是由阶梯推移活塞所形成的各阶梯推移活塞工作腔的扫气容积的比例决定了压缩机向各级的输入功。对于不同的用途，各级制冷温度和制冷量是设计值。制冷量与输入功有关，因而各阶梯推移活塞工作腔的扫气容积的比例基本由制冷量决定。而每一级的脉管由于工作温度不同，调相所需的扫气容积有一个最佳值。因而，在调相与输入功分配之间，现有的阶梯推移活塞式相移器不能同时兼顾。
技术实现思路
本专利技术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多级斯特林型脉管制冷机。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种多级阶梯活塞式脉管制冷机，包括压缩机、n级冷头及n级阶梯推移活塞系统，其中，n为大于1的整数，冷头由冷却器、回热器、冷量换热器、脉管、脉管热端气体均匀器及脉管连接管连接组成，第n级冷头中的冷量换热器作为第n级的冷量输出端，所述的压缩机的压缩腔与冷头中的冷却器通过连接管连接，所述的n级阶梯推移活塞系统的推移活塞工作腔分别与脉管通过脉管连接管连接，所述的n级阶梯推移活塞系统的推移活塞背工作腔与压缩机的压缩腔连通，至少一级冷头中的脉管和与其相连接的推移活塞工作腔之间连接有调整腔。压缩腔容积呈周期性变化，从而使气体压力基本呈正弦波变化，气体在压缩腔、各级冷头及推移活塞工作腔之间往复流动，流动速度基本呈正弦波，通过调节调整腔的容积，使脉管冷端的气体流动与压力变化的相位差达到最佳值。n级冷头之间为预冷式连接或耦合式连接。n级冷头之间为预冷式连接时，第n级冷头含有n个回热器、n-1个预冷换热器、一个冷量换热器、一个脉管、一个脉管热端气体均匀器及一个脉管连接管，所述的回热器及预冷换热器依次交替连接在冷却器与冷量换热器之间，冷量换热器、脉管、脉管热端气体均匀器、脉管连接管依次相连，预冷换热器与同级的冷量换热器之间通过热桥连接；所述的压缩机的压缩腔分别与每一级冷头中的冷却器通过连接管连接。n级冷头之间为耦合式连接时，所述的压缩机的压缩腔与第一级冷头中的冷却器通过连接管连接，第一级冷头中的回热器与第二级冷头中的回热器连接，第二级冷头中的回热器器与第三级冷头中的回热器连接，直到第n-1级冷头中的回热器与第n级冷头中的回热器接。进一步地，有n-1级冷头中的脉管和与其相连的阶梯推移活塞工作腔之间连接有调整腔。更近一步地，每一级冷头中的脉管和与其相连的阶梯推移活塞工作腔之间均连接有调整腔。所述的调整腔为相当于调整腔容积的推移活塞工作腔的死容积。所述的调整腔为相当于调整腔容积的连接管道。作为优选，n＝2或3。与现有技术相比，本专利技术的多级斯特林型脉管制冷机能够通过调节调整腔的容积从而使脉管冷端的气体的流量与压力工作在最佳相位角，同时兼顾各级的输入功的分配，并且，膨胀功可回收，理论效率与卡诺机一样。附图说明图1为实施例1的结构示意图；图2为实施例2的结构示意图；图3为实施例3的结构示意图；图4为实施例4的结构示意图。图中，1a为三级预冷式冷头，1b为二级预冷式冷头，1c为三级耦合式冷头，1d为二级耦合式冷头，11为第一级冷头，101为第一级连接管，102为第一级冷却器，103为第一级回热器，111为第一级冷量换热器，112为第一级脉管，113为第一级脉管热端气体均匀器，114为第一级脉管连接管，115为第一级调整腔，12为第二级冷头，12b为第二级耦合冷头，13为第三级冷头，13b为第三级耦合冷头，201为第二级连接管，202为第二级冷却器，203为第二级第一回热器，204为第二级预冷换热器，205为第二级热桥，206为第二级第二回热器，211为第二级冷量换热器，212为第二级脉管，213为第二级脉管热端气体均匀器，214为第二级脉管连接管，215为第二级调节腔，221为第二级冷连接管，222为第二级第二回热器气体均匀器，301为第三级连接管，302为第三级冷却器，303为第三级第一回热器，304为第三级第一预冷换热器，305为第三级第一热桥，306为第三级第二回热器，307为第三级第二二预冷换热器，308为第三级第二热桥，309为第三级第三回热器，311为第三级冷量换热器，312为第三级脉管，313为第三级脉管热端气体均匀器，314为第三级脉管连接管，315为第三级调节腔，321为第三级冷连接管，322为第三级第三回热器气体均匀器，4a为三级阶梯推移活塞系统，4b为二级阶梯推移活塞系统，41为推移活塞第一工作腔，42为推移活塞第二工作腔，43为推移活塞第三工作腔，44为推移活塞背工作腔，45为推移活塞气库空间，461为三级阶梯推移活塞，462为三级阶梯气缸，461b为二级阶梯推移活塞，462b为二级阶梯气缸，463为推移活塞杆，464为后盖，465为片弹簧，466为推移活塞气库，47为推移活塞背工作腔连接管，5为压缩机，51为压缩腔，521为压缩活塞，522为压缩气缸，53为直线电机，54为压缩机连接管。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1三级阶梯活塞预冷式脉管制冷机，结构如图1所示，包括三级阶梯推移活塞系统4a、压缩机5及三级预冷式冷头1a。三级预冷式冷头1a包括第一级冷头11、第一级冷头12及第三级冷头13。第一级冷头11由第一级连接管101、第一级冷却器102、第一级回热器103、第一级冷量换热器111、第一级脉管112、第一级脉管热端气体均匀器113及第一级脉管连接管114顺此连结而成，第一级脉管连接管114上有第一级调整腔115。气体可在各部件间往复流动。第二级冷头12由第二级连接管201、第二级冷却器202、第二级第一回热器203、第二级预冷换热器204、第二级第二回热器206、第二级冷量换热器211、第二级脉管212、第二级脉管热端气体均匀器213及第二级脉管连接管214顺次连结而成，第二级脉管连接管214上连接有第二级调整腔215。气体可在各部件间往复流动。第三级冷头13由第三级连接管301、第三级冷却器302、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多级阶梯活塞式脉管制冷机，包括压缩机、n级冷头及n级阶梯推移活塞系统，其中，n为大于1的整数，冷头包括冷却器、回热器、冷量换热器及脉管，第n级冷头中的冷量换热器作为第n级冷量输出端，所述的压缩机的压缩腔与冷头中的冷却器连接，所述的n级阶梯推移活塞系统的推移活塞工作腔分别与脉管连接，所述的n级阶梯推移活塞系统的推移活塞背工作腔与压缩机的压缩腔连通，其特征在于，至少一级冷头中的脉管和与其相连的阶梯推移活塞工作腔之间连接有调整腔。

【技术特征摘要】
1.一种多级阶梯活塞式脉管制冷机，包括压缩机、n级冷头及n级阶梯推移活塞系统，其中，n为大于1的整数，冷头包括冷却器、回热器、冷量换热器及脉管，第n级冷头中的冷量换热器作为第n级冷量输出端，所述的压缩机的压缩腔与冷头中的冷却器连接，所述的n级阶梯推移活塞系统的推移活塞工作腔分别与脉管连接，所述的n级阶梯推移活塞系统的推移活塞背工作腔与压缩机的压缩腔连通，其特征在于，至少一级冷头中的脉管和与其相连的阶梯推移活塞工作腔之间连接有调整腔，通过调节调整腔的容积，使脉管冷端的气体流动与压力变化的相位差达到最佳值。2.根据权利要求1所述的一种多级阶梯活塞式脉管制冷机，其特征在于，压缩腔容积呈周期性变化，从而使气体压力基本呈正弦波变化，气体在压缩腔、各级冷头及推移活塞工作腔之间往复流动，流动速度基本呈正弦波，通过调节调整腔的容积，使脉管冷端的气体流动与压力变化的相位差达到最佳值。3.根据权利要求1所述的一种多级阶梯活塞式脉管制冷机，其特征在于，n级冷头之间为预冷式连接或耦合式连接。4.根据权利要求3所述的一种多级阶梯活塞式脉管制冷机，其特征在于，n级冷头之间为预冷式连接时，第n级冷头含有n个回热器、n-1个预冷换热器、一个冷量换热器、一个脉管、一个脉管热端气体均匀器及一个脉管连接管，所述的回热器及预冷换...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱绍伟，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31