本發(fā)明涉及低溫制冷機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種冷端換熱器運(yùn)動(dòng)的G-M制冷機(jī)和方法。

背景技術(shù)：

G-M制冷機(jī)是一種利用壓縮氣體絕熱放氣制冷的小型低溫制冷機(jī)。它采用普通制冷機(jī)用的標(biāo)準(zhǔn)壓縮機(jī)，成本低，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)在現(xiàn)代科技、醫(yī)學(xué)和低溫物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

G-M制冷機(jī)分為壓縮機(jī)和膨脹機(jī)兩大部分，其中壓縮部分多采用普通制冷壓縮機(jī)并配以專門(mén)的氣體凈化系統(tǒng)，從而使成本降低。膨脹機(jī)部分如圖1所示，包括進(jìn)氣閥1、排氣閥2、回?zé)崞?、氣缸5和冷端換熱器7?；?zé)崞?置于排出器內(nèi)，在機(jī)械驅(qū)動(dòng)或氣壓驅(qū)動(dòng)的作用下，在氣缸中按一定的時(shí)序運(yùn)動(dòng)，并配以適時(shí)的進(jìn)排氣，以實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。冷端換熱器和氣缸底部做成一體，被冷卻器件接在冷端換熱器外壁上。

然而制冷機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件，即回?zé)崞鞯馁|(zhì)量很大，需要耗費(fèi)很多的輸入功來(lái)驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，并且該運(yùn)動(dòng)給制冷機(jī)帶來(lái)很大的震動(dòng)，影響冷端換熱器與被冷卻器件的熱量傳輸。減小功耗和震動(dòng)成為G-M制冷機(jī)研究的熱點(diǎn)。一些研究者們通過(guò)減小排出器質(zhì)量和增加防震裝置的辦法來(lái)解決這些問(wèn)題，但回?zé)崞鞯馁|(zhì)量限制了這些方法的有效性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種冷端換熱器運(yùn)動(dòng)的G-M制冷機(jī)，其震動(dòng)小，功耗低，制冷效率高。

一種冷端換熱器運(yùn)動(dòng)的G-M制冷機(jī)，包括帶有進(jìn)氣閥和排氣閥的氣缸，還包括：

回?zé)崞鳎惭b在所述氣缸內(nèi)；

冷端換熱器，與所述氣缸的制冷端通過(guò)動(dòng)密封連接；

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于驅(qū)動(dòng)冷端換熱器按制冷機(jī)的運(yùn)行頻率進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)以改變所述氣缸的制冷端容積。

為了穩(wěn)定支撐冷端換熱器的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同位置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與冷端換熱器的連接，優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：連接冷端換熱器的連接件和驅(qū)動(dòng)連接件的動(dòng)力源。所述動(dòng)力源為機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、凸輪或偏心輪等構(gòu)成。氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)閥和氣動(dòng)腔、推移活塞構(gòu)成。

優(yōu)選的，所述動(dòng)力源布置在所述冷端換熱器背向所述氣缸的一側(cè)，所述連接件為第一連桿。冷端換熱器與連桿直接連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。

優(yōu)選的，所述動(dòng)力源布置在所述氣缸遠(yuǎn)離所述冷端換熱器一端，所述連接件為自所述氣缸遠(yuǎn)離所述冷端換熱器一端延伸至冷端換熱器并連接的第二連桿。將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置于熱端，減小系統(tǒng)漏熱，保證制冷機(jī)穩(wěn)定，且安裝簡(jiǎn)便。

為了穩(wěn)定支撐冷端換熱器的運(yùn)動(dòng)，優(yōu)選的，所述第二連桿設(shè)有多根，圍繞氣缸分布。

為了減小額外的電機(jī)輸入，優(yōu)選的，所述動(dòng)力源采用氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括：

恒壓源；

氣動(dòng)腔，與恒壓源連接；

推移活塞，安裝在氣動(dòng)腔內(nèi)將其分隔為與恒壓源連通的恒壓腔以及與氣缸的進(jìn)出氣管路連通的變壓腔，所述推移活塞位于變壓腔的側(cè)面與連接件固定。

為了減小漏熱，所述連桿用絕熱且導(dǎo)熱系數(shù)低的材料制成，優(yōu)選的，所述連接件的材質(zhì)為木材或者塑料。

本發(fā)明還提供了一種冷端換熱器運(yùn)動(dòng)的G-M制冷方法，使用上述的冷端換熱器運(yùn)動(dòng)的G-M制冷機(jī)，包括以下步驟：

(1)循環(huán)開(kāi)始時(shí)，所述冷端換熱器位于其運(yùn)動(dòng)行程最靠近回?zé)崞鞯奈恢?，所述氣缸?nèi)容積為最小值，進(jìn)氣閥1打開(kāi)，排氣閥2關(guān)閉，高壓氣體充入氣缸、回?zé)崞骱屠涠藫Q熱器中的空隙；

(2)進(jìn)氣閥保持打開(kāi)，當(dāng)壓力平衡后，動(dòng)力源通過(guò)連接件驅(qū)動(dòng)冷端換熱器向遠(yuǎn)離氣缸方向運(yùn)動(dòng)，氣缸容積增大，高壓氣體通過(guò)回?zé)崞鬟M(jìn)入氣缸，氣體在通過(guò)回?zé)釙r(shí)，向回?zé)崽盍戏艧幔瑲怏w的溫度降低；

(3)當(dāng)冷端換熱器運(yùn)動(dòng)至其最遠(yuǎn)離氣缸的位置，氣缸內(nèi)容積達(dá)到其最大值時(shí)，關(guān)閉進(jìn)氣閥，打開(kāi)排氣閥，氣缸內(nèi)高壓氣體經(jīng)回?zé)崞飨蚺艢忾y放氣，氣體膨脹過(guò)程產(chǎn)生的制冷量從冷端換熱器輸出；

(4)保持排氣閥開(kāi)啟，動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)冷端換熱器向靠近氣缸方向運(yùn)動(dòng)，氣體從氣缸中通過(guò)回?zé)崞饔膳艢忾y排出，氣體由下而上經(jīng)過(guò)回?zé)崞鲿r(shí)，從回?zé)崽盍衔鼰?，填料的溫度下降，氣體的溫度升高，冷端換熱器達(dá)到起始位置時(shí)，關(guān)閉排氣閥，完成一個(gè)制冷循環(huán)。

本發(fā)明還提供了一種冷端換熱器運(yùn)動(dòng)的G-M制冷方法，使用上述的冷端換熱器運(yùn)動(dòng)的G-M制冷機(jī)，包括以下步驟：

(1)循環(huán)開(kāi)始時(shí)，所述冷端換熱器位于其運(yùn)動(dòng)行程最靠近回?zé)崞鞯奈恢?，所述氣缸?nèi)容積為最小值，進(jìn)氣閥1打開(kāi)，排氣閥2關(guān)閉，高壓氣體充入氣缸、回?zé)崞骱屠涠藫Q熱器之間的空隙以及氣動(dòng)腔；

(2)進(jìn)氣閥保持打開(kāi)，當(dāng)壓力平衡后，推移活塞通過(guò)連接件驅(qū)動(dòng)冷端換熱器向遠(yuǎn)離氣缸方向運(yùn)動(dòng)，氣缸容積增大，高壓氣體通過(guò)回?zé)崞鬟M(jìn)入氣缸，氣體在通過(guò)回?zé)釙r(shí)，向回?zé)崽盍戏艧幔瑲怏w的溫度降低；

(3)當(dāng)冷端換熱器運(yùn)動(dòng)至其最遠(yuǎn)離氣缸的位置，氣缸內(nèi)容積達(dá)到其最大值時(shí)，關(guān)閉進(jìn)氣閥，打開(kāi)排氣閥，氣缸內(nèi)高壓氣體經(jīng)回?zé)崞飨蚺艢忾y放氣，氣體膨脹過(guò)程產(chǎn)生的制冷量從冷端換熱器輸出；

(4)保持排氣閥開(kāi)啟，推移活塞驅(qū)動(dòng)冷端換熱器向靠近氣缸方向運(yùn)動(dòng)，氣體從氣缸中通過(guò)回?zé)崞饔膳艢忾y排出，氣體由下而上經(jīng)過(guò)回?zé)崞鲿r(shí)，從回?zé)崽盍衔鼰?，填料的溫度下降，氣體的溫度升高，冷端換熱器達(dá)到起始位置時(shí)，關(guān)閉排氣閥，完成一個(gè)制冷循環(huán)。

本發(fā)明的有益效果：

(1)排出器運(yùn)動(dòng)改為冷端換熱器運(yùn)動(dòng)，減小了運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，從而減小了制冷機(jī)的震動(dòng)，增強(qiáng)了制冷機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。

(2)排出器運(yùn)動(dòng)改為冷端換熱器運(yùn)動(dòng)，減小了運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，從而減小其運(yùn)動(dòng)所需的功耗，提高制冷機(jī)的效率。

(3)冷端換熱器運(yùn)動(dòng)，氣體工質(zhì)與冷端換熱器相對(duì)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，邊界層換熱加強(qiáng)，提高了冷端換熱器的換熱效率，從而提高制冷機(jī)效率。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的G-M制冷機(jī)膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是實(shí)施例1的G-M制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是實(shí)施例2的G-M制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是實(shí)施例3的G-M制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是實(shí)施例4的G-M制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：

1、進(jìn)氣閥，2、排氣閥，3、連桿，4、動(dòng)密封，5、氣缸，6、回?zé)崞鳎?、冷端換熱器，8、電機(jī)，9、推移活塞，10、氣動(dòng)腔，11、恒壓源。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖2所示，本實(shí)施例的冷端換熱器運(yùn)動(dòng)的GM制冷機(jī)，包括進(jìn)氣閥1、排氣閥2、第一連桿3、動(dòng)密封4、氣缸5、回?zé)崞?、冷端換熱器7、電機(jī)8。各部件之間的連接關(guān)系為：進(jìn)氣閥1、排氣閥2與G-M制冷機(jī)的壓縮機(jī)連接，并與氣缸5頂部連通?；?zé)崞?固定于氣缸5內(nèi)上部。冷端換熱器6卡套于氣缸5下端，并與氣缸5壁面之間加入動(dòng)密封7，可在密封條件下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)行程如圖中箭頭所示。連桿8連接冷端換熱器6底端和電機(jī)8。連桿3采用低導(dǎo)熱率的塑料制作。

按上述流程及要求安裝系統(tǒng)，并對(duì)制冷機(jī)內(nèi)工質(zhì)進(jìn)行純化處理后，打開(kāi)進(jìn)氣閥1和排氣閥2的控制電源，使其按G-M制冷機(jī)工作頻率運(yùn)行，打開(kāi)G-M制冷機(jī)壓縮機(jī)的電源，為制冷機(jī)輸送高壓氣體，打開(kāi)電機(jī)8電源，控制冷端換熱器7的運(yùn)動(dòng)。G-M制冷機(jī)開(kāi)始工作。冷端換熱器運(yùn)動(dòng)的G-M制冷機(jī)一個(gè)制冷循環(huán)的工作過(guò)程如下：

(1)增壓過(guò)程。循環(huán)開(kāi)始時(shí)，冷端換熱器7位于其運(yùn)動(dòng)行程的頂部，氣缸5內(nèi)容積為最小值。進(jìn)氣閥1打開(kāi)，排氣閥2關(guān)閉，來(lái)自GM制冷機(jī)壓縮機(jī)的高壓氣體充入氣缸5、回?zé)崞?和冷端換熱器7中的空隙。

(2)充氣過(guò)程。進(jìn)氣閥1依然打開(kāi)，當(dāng)壓力平衡后，電機(jī)8通過(guò)連桿3驅(qū)動(dòng)冷端換熱器7向下運(yùn)動(dòng)，氣缸5容積增大，高壓氣體通過(guò)回?zé)崞?進(jìn)入氣缸5。氣體在通過(guò)回?zé)崞?時(shí)，向回?zé)崽盍戏艧?，氣體的溫度降低。

(3)膨脹過(guò)程。當(dāng)冷端換熱器7運(yùn)動(dòng)至其運(yùn)動(dòng)行程的底部，氣缸5內(nèi)容積達(dá)到其最大值時(shí)，關(guān)閉進(jìn)氣閥1，打開(kāi)排氣閥2，氣缸5內(nèi)高壓氣體經(jīng)回?zé)崞?向排氣閥2接通的低壓回路放氣。氣體膨脹過(guò)程產(chǎn)生制冷效應(yīng)，制冷量從冷端換熱器7輸出。

(4)排氣過(guò)程。保持排氣閥2開(kāi)啟，冷端換熱器7向上運(yùn)動(dòng)，氣體從氣缸5中通過(guò)回?zé)崞?由排氣閥2排出。氣體由下而上經(jīng)過(guò)回?zé)崞?時(shí)，從回?zé)崽盍衔鼰幔盍系臏囟认陆?，氣體的溫度升高。冷端換熱器7達(dá)到其運(yùn)動(dòng)行程的頂部時(shí)，關(guān)閉排氣閥2，一個(gè)制冷循環(huán)結(jié)束。

冷端換熱器運(yùn)動(dòng)的G-M制冷機(jī)工作過(guò)程即上述循環(huán)過(guò)程的和疊加。

實(shí)施例2

如圖3所示，本實(shí)施例的冷端換熱器運(yùn)動(dòng)的G-M制冷機(jī)，結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于連桿3和電機(jī)8的布置。本實(shí)施例的連桿3為多根，通過(guò)氣缸5四周，連接冷端換熱器7上端和電機(jī)8，電機(jī)8位于氣缸5頂端。

本實(shí)施例的工作過(guò)程與實(shí)施例1一致。

實(shí)施例3

如圖4所示，本實(shí)施例的冷端換熱器運(yùn)動(dòng)的G-M制冷機(jī)，結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于冷端換熱器7的運(yùn)動(dòng)采用氣壓驅(qū)動(dòng)。連桿3連接冷端換熱器7與推移活塞9，推移活塞9置于氣動(dòng)腔10內(nèi)，并與氣動(dòng)腔10內(nèi)壁密封。氣動(dòng)腔10內(nèi)推移活塞9上部的變壓腔與進(jìn)氣閥1、排氣閥2連通，下部的恒壓腔與恒壓源11連通。

本實(shí)施例的工作過(guò)程與實(shí)施例1基本一致。其不同之處在于，冷端換熱器7的運(yùn)動(dòng)由氣動(dòng)腔10內(nèi)推移活塞9兩側(cè)的壓差驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)腔10內(nèi)推移活塞9上方隨進(jìn)氣閥1、排氣閥2的開(kāi)關(guān)在高壓和低壓之間變化，推移活塞9下方壓力與恒壓源11保持一致并恒定不變。當(dāng)推移活塞9上方壓力高于下方時(shí)，推移活塞9通過(guò)連桿3帶動(dòng)冷端換熱器向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)推移活塞9下方壓力高于上方時(shí)，推移活塞9通過(guò)連桿3帶動(dòng)冷端換熱器向上運(yùn)動(dòng)。冷端換熱器在G-M制冷機(jī)一個(gè)制冷循環(huán)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)與實(shí)施例1一致。

實(shí)施例4

如圖5所示，本實(shí)施例的冷端換熱器運(yùn)動(dòng)的G-M制冷機(jī)，結(jié)構(gòu)與實(shí)施例3基本相同，其不同之處在于連桿3、推移活塞9與氣動(dòng)腔10的布置。本實(shí)施例的連桿3為多根，通過(guò)氣缸5四周，連接冷端換熱器7上端和推移活塞9，氣動(dòng)腔10位于氣缸5頂端。

本實(shí)施例的工作過(guò)程與實(shí)施例1一致。

這里，上下僅僅是對(duì)附圖而言，為了描述方便，實(shí)際的制冷機(jī)可在任何方向放置。

本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。