用于低溫制冷機(jī)的壓差驅(qū)動(dòng)式膨脹機(jī)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了用于低溫制冷機(jī)的壓差驅(qū)動(dòng)式膨脹機(jī)及其制備方法，它包括電機(jī)、配氣結(jié)構(gòu)、進(jìn)排氣座（1）、氣缸組件（2）、活塞組件、冷腔（3）和冷頭換熱器（4），進(jìn)排氣座與活塞組件之間固接有波形彈簧（5），波形彈簧將進(jìn)排氣座和活塞組件之間的空間分隔成內(nèi)腔（6）和外腔（7），活塞組件將內(nèi)腔與冷腔以及冷腔與外腔連通，進(jìn)排氣座位于內(nèi)腔部分開(kāi)設(shè)有主進(jìn)排氣口（8），進(jìn)排氣座位于外腔部分開(kāi)設(shè)有副進(jìn)排氣口（9）。本發(fā)明的有益效果是采用壓差式進(jìn)氣來(lái)推動(dòng)活塞組件進(jìn)行膨脹做功，無(wú)需曲軸連桿機(jī)構(gòu)，大大減少電機(jī)的負(fù)荷，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可靠性也更高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
用于低溫制冷機(jī)的壓差驅(qū)動(dòng)式膨脹機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及低溫制冷機(jī)，尤其涉及用于低溫制冷機(jī)的膨脹機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、空間技術(shù)、超導(dǎo)電子學(xué)、紅外探測(cè)、低溫生物醫(yī)學(xué)、氣體液化等行業(yè)飛速發(fā)展，尤其是低溫電子學(xué)器件及低溫超導(dǎo)磁體在各領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，以及液化天然氣的大規(guī)模使用，極a大促進(jìn)了相關(guān)低溫制冷機(jī)行業(yè)的發(fā)展。
[0003]在小型低溫制冷機(jī)領(lǐng)域，主要實(shí)現(xiàn)方式為回?zé)崾綗釞C(jī)，包括G-M制冷機(jī)、G-M型脈沖管制冷機(jī)、斯特林制冷機(jī)以及斯特林型脈沖管制冷機(jī)。G-M制冷機(jī)與G-M型脈沖管制冷機(jī)采用油潤(rùn)滑壓縮機(jī)產(chǎn)生高壓氦氣，利用旋轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生周期性高低壓氣體，進(jìn)而產(chǎn)生制冷效應(yīng)，其缺點(diǎn)在于運(yùn)行頻率低，體積大，需要定期維護(hù)，并且由于旋轉(zhuǎn)閥等不可逆損失，導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低。斯特林制冷機(jī)利用壓縮機(jī)活塞的直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生高頻率周期性壓力波動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的明顯優(yōu)勢(shì);其缺點(diǎn)在于在低溫區(qū)采用了排出器作為運(yùn)動(dòng)部件，來(lái)調(diào)節(jié)整機(jī)聲場(chǎng)分布，由此會(huì)引起較大的振動(dòng)，同時(shí)低溫區(qū)下存在的運(yùn)動(dòng)部件也降低了系統(tǒng)可靠性。斯特林型脈沖管制冷機(jī)與斯特林制冷機(jī)可采用同類(lèi)型壓縮機(jī)，但相比于斯特林制冷機(jī)，去除了排出器結(jié)構(gòu)，在冷端采用脈沖管結(jié)構(gòu)，在脈沖管的熱端利用了具有一定長(zhǎng)度的慣性管調(diào)整回?zé)崞鲀?nèi)聲場(chǎng)分布，由于去除了排出器等運(yùn)動(dòng)部件，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、振動(dòng)小、可靠性高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]現(xiàn)有的低溫制冷機(jī)的膨脹機(jī)主要采用的結(jié)構(gòu)是:活塞與低速電機(jī)的曲軸連桿機(jī)構(gòu)相連，同時(shí)電機(jī)軸上安裝有配氣閥，以控制活塞的進(jìn)排氣。曲軸連桿機(jī)構(gòu)和配氣閥在低速電機(jī)的帶動(dòng)下，按一定期相角進(jìn)行進(jìn)排氣及活塞的上下移動(dòng)。曲軸連桿機(jī)構(gòu)和配氣閥固定的氣缸的法蘭上，和氣缸一起組成一個(gè)封閉的空間，里面填充有高純氦氣環(huán)境。這種結(jié)構(gòu)主要缺陷是:活塞的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于電機(jī)，當(dāng)制冷機(jī)的功率較大時(shí)，活塞尺寸比較大，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力隨之增大，導(dǎo)致電機(jī)體積變大，驅(qū)動(dòng)桿變粗，設(shè)備變得龐大。
[0005]中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朇N201410747859.9公開(kāi)了一種低振動(dòng)大冷量的自由活塞式斯特林制冷機(jī)膨脹機(jī)，其包括蓄冷器外殼、氣缸、熱端換熱器、蓄冷器、排出器、冷端換熱器和排出器支撐彈簧。該膨脹機(jī)通過(guò)連管與壓縮機(jī)相連，振蕩的工質(zhì)氣體通過(guò)連管進(jìn)入膨脹機(jī)熱端腔體，部分振蕩工質(zhì)經(jīng)熱端換熱器進(jìn)入蓄冷器，通過(guò)冷端換熱器與膨脹腔內(nèi)的氣體實(shí)現(xiàn)換熱;部分作用于排出器推動(dòng)其往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在膨脹腔實(shí)現(xiàn)制冷。其缺陷是總有部分高壓氦氣不能用來(lái)制冷而是用來(lái)驅(qū)動(dòng)排出器運(yùn)動(dòng)，高壓氦氣的損失量較大;經(jīng)過(guò)膨脹做功后的低壓氦氣與進(jìn)入膨脹機(jī)的高壓氦氣共用一個(gè)通道，給排出器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)阻礙，降低能源利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有的用于低溫制冷機(jī)的膨脹機(jī)要么單純靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備龐大臃腫，要么采用氣壓制動(dòng)時(shí)高壓氦氣的損失量較大，能源利用率不高，為此提供用于低溫制冷機(jī)的壓差驅(qū)動(dòng)式膨脹機(jī)及其制備方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:用于低溫制冷機(jī)的壓差驅(qū)動(dòng)式膨脹機(jī)，它包括電機(jī)、配氣結(jié)構(gòu)、進(jìn)排氣座、氣缸組件、活塞組件、冷腔和冷頭換熱器，所述進(jìn)排氣座與活塞組件之間固接有波形彈簧，所述波形彈簧將進(jìn)排氣座和活塞組件之間的空間分隔成內(nèi)腔和外腔，所述活塞組件將內(nèi)腔與冷腔以及冷腔與外腔連通，所述進(jìn)排氣座位于內(nèi)腔部分開(kāi)設(shè)有主進(jìn)排氣口，所述進(jìn)排氣座位于外腔部分開(kāi)設(shè)有副進(jìn)排氣口。
[0008]上述方案的改進(jìn)是活塞組件包括圓柱形活塞本體和位于圓柱形活塞本體內(nèi)的引入腔、壓縮腔和引出腔，所述圓柱形活塞本體與氣缸之間充填有回?zé)岵牧?，所述引入腔一端與內(nèi)腔連通另一端與壓縮腔連通，且所述引入腔沿內(nèi)腔至壓縮腔方向內(nèi)徑逐漸收縮，所述壓縮腔包括適配于壓縮腔內(nèi)可自由上下移動(dòng)的上端蓋和下端蓋，所述上端蓋和下端蓋上分別開(kāi)設(shè)有上通氣口和下通氣口，所述上端蓋和下端蓋通過(guò)彈簧連接，所述引出腔一端與壓縮腔連通另一端與冷腔連通，且所述引出腔沿壓縮腔至冷腔方向直徑逐漸擴(kuò)大。
[0009]用于低溫制冷機(jī)的壓差驅(qū)動(dòng)式膨脹機(jī)的使用方法，它包括以下步驟:向主進(jìn)排氣口通入高壓氦氣，高壓氦氣依次穿過(guò)內(nèi)腔和活塞組件充滿冷腔，此時(shí)外腔處于低壓狀態(tài)，活塞組件向進(jìn)排氣座移動(dòng)波形彈簧壓縮;停止向主進(jìn)排氣口通入高壓氦氣，使得冷腔中的高壓氦氣通過(guò)活塞組件、內(nèi)腔和主進(jìn)排氣口對(duì)外放氣，同時(shí)向副進(jìn)排氣口通入高壓氦氣，使得高壓氦氣通過(guò)外腔向活塞組件施加向冷頭換熱器移動(dòng)的推力，冷腔內(nèi)的氣體逐漸排空，當(dāng)活塞組件與冷頭換熱器接觸時(shí)將受到波形彈簧的拉力從而減緩沖擊力。
[0010]本發(fā)明的有益效果是采用壓差式進(jìn)氣來(lái)推動(dòng)活塞組件進(jìn)行膨脹做功，無(wú)需曲軸連桿機(jī)構(gòu)，活塞的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于進(jìn)排氣的高低壓差，電機(jī)只需要用來(lái)配氣，大大減少電機(jī)的負(fù)荷，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，設(shè)備更精致，可靠性也更高；高壓氦氣的進(jìn)氣與低壓氦氣的排氣使用不同的通道，提高活塞組件的做功利用率;活塞組件內(nèi)置引入腔、壓縮腔和引出腔對(duì)高壓氦氣進(jìn)行二次膨脹做功，提高活塞組件的膨脹效率，縮短制冷時(shí)間，加大制冷量。
【附圖說(shuō)明】
[0011 ]圖1是本發(fā)明的壓差驅(qū)動(dòng)式膨脹機(jī)示意圖；
圖中，1、進(jìn)排氣座，2、氣缸組件，3、冷腔，4、冷頭換熱器，5、波形彈簧，6、內(nèi)腔，7、外腔，8、主進(jìn)排氣口，9、副進(jìn)排氣口，10、圓柱形活塞本體，11、引入腔，12、壓縮腔，13、引出腔，14、回?zé)岵牧希?5、上端蓋，16、下端蓋，17、彈簧。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0013]如圖1所示，本發(fā)明的壓差驅(qū)動(dòng)式膨脹機(jī)，它包括電機(jī)、配氣結(jié)構(gòu)、進(jìn)排氣座1、氣缸組件2、活塞組件、冷腔3和冷頭換熱器4，所述進(jìn)排氣座與活塞組件之間固接有波形彈簧5，所述波形彈簧將進(jìn)排氣座和活塞組件之間的空間分隔成內(nèi)腔6和外腔7，所述活塞組件將內(nèi)腔與冷腔以及冷腔與外腔連通，所述進(jìn)排氣座位于內(nèi)腔部分開(kāi)設(shè)有主進(jìn)排氣口 8，所述進(jìn)排氣座位于外腔部分開(kāi)設(shè)有副進(jìn)排氣口 9。
[0014]壓差驅(qū)動(dòng)式膨脹機(jī)的使用方法如下:電機(jī)通過(guò)配氣結(jié)構(gòu)與主進(jìn)排氣口接通，向主進(jìn)排氣口通入高壓氦氣，高壓氦氣依次穿過(guò)內(nèi)腔和活塞組件充滿冷腔，此時(shí)外腔處于低壓狀態(tài)，活塞組件向進(jìn)排氣座移動(dòng)使得波形彈簧壓縮;停止向主進(jìn)排氣口通入高壓氦氣，使得冷腔中的高壓氦氣通過(guò)活塞組件、內(nèi)腔和主進(jìn)排氣口對(duì)外放氣，同時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)配氣結(jié)構(gòu)向副進(jìn)排氣口通入高壓氦氣，使得高壓氦氣通過(guò)外腔向活塞組件施加向冷頭換熱器移動(dòng)的推力，冷腔內(nèi)的氣體逐漸排空，當(dāng)活塞組件與冷頭換熱器接觸時(shí)將受到波形彈簧的拉力從而減緩沖擊力，由此完成一個(gè)驅(qū)動(dòng)循環(huán)。
[0015]為了進(jìn)一步提高對(duì)活塞組件的利用率，在不增加設(shè)備體積的前提下可以對(duì)活塞組件進(jìn)行改造，活塞組件包括圓柱形活塞本體10和位于圓柱形活塞本體內(nèi)的引入腔11、壓縮腔12和引出腔13，所述圓柱形活塞本體與氣缸之間充填有回?zé)岵牧?4，所述引入腔一端與內(nèi)腔連通另一端與壓縮腔連通，且所述引入腔沿內(nèi)腔至壓縮腔方向內(nèi)徑逐漸收縮，所述壓縮腔包括適配于壓縮腔內(nèi)可自由上下移動(dòng)的上端蓋15和下端蓋16，所述上端蓋和下端蓋上分別開(kāi)設(shè)有上通氣口和下通氣口，所述上端蓋和下端蓋通過(guò)彈簧17連接，所述引出腔一端與壓縮腔連通另一端與冷腔連通，且所述引出腔沿壓縮腔至冷腔方向直徑逐漸擴(kuò)大。
[0016]其工作原理如下:當(dāng)高壓氦氣由主進(jìn)排氣口通過(guò)內(nèi)腔進(jìn)入活塞組件內(nèi)的引入腔時(shí)由于引入腔的逐漸收窄的結(jié)構(gòu)給高壓氦氣更大的驅(qū)動(dòng)力，將推動(dòng)上端蓋向下端蓋移動(dòng)，上端蓋壓縮彈簧使其發(fā)生形變，壓縮彈簧給下端蓋一個(gè)向下的驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)下端蓋與壓縮腔的底部接觸時(shí)受到反作用力和彈簧的恢復(fù)形變的力將向上運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)彈簧和上端蓋向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)上端蓋與壓縮腔的頂部接觸時(shí)上端蓋受到反作用力和彈簧的恢復(fù)形變的力將向下運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)，對(duì)經(jīng)過(guò)的高壓氦氣進(jìn)行膨脹做功;高壓氦氣由上通氣口進(jìn)入再由下通氣口排出，然后由引出腔將經(jīng)過(guò)膨脹做功的氦氣引入冷腔，再次進(jìn)行膨脹做功成為低壓氦氣，進(jìn)一步提高制冷效率和制冷量，本發(fā)明在同等條件下可以得到溫度更低的低壓氦氣，進(jìn)而提高冷頭換熱器的輸出冷量，低壓氦氣最后由圓柱形活塞本體與氣缸之間向副進(jìn)排氣口排出，使得高壓氦氣的引入和低壓氦氣的排出互不影響，提高熱交換效率，避免對(duì)活塞組件產(chǎn)生上下的氣流擾動(dòng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.用于低溫制冷機(jī)的壓差驅(qū)動(dòng)式膨脹機(jī)，它包括電機(jī)、配氣結(jié)構(gòu)、進(jìn)排氣座(I)、氣缸組件(2)、活塞組件、冷腔(3)和冷頭換熱器(4)，其特征是所述進(jìn)排氣座與活塞組件之間固接有波形彈簧(5)，所述波形彈簧將進(jìn)排氣座和活塞組件之間的空間分隔成內(nèi)腔(6)和外腔(7)，所述活塞組件將內(nèi)腔與冷腔以及冷腔與外腔連通，所述進(jìn)排氣座位于內(nèi)腔部分開(kāi)設(shè)有主進(jìn)排氣口(8)，所述進(jìn)排氣座位于外腔部分開(kāi)設(shè)有副進(jìn)排氣口(9)。2.如權(quán)利要求1所述的用于低溫制冷機(jī)的壓差驅(qū)動(dòng)式膨脹機(jī)，其特征是活塞組件包括圓柱形活塞本體(10)和位于圓柱形活塞本體內(nèi)的引入腔(11)、壓縮腔(12)和引出腔(13)，所述圓柱形活塞本體與氣缸之間充填有回?zé)岵牧?14)，所述引入腔一端與內(nèi)腔連通另一端與壓縮腔連通，且所述引入腔沿內(nèi)腔至壓縮腔方向內(nèi)徑逐漸收縮，所述壓縮腔包括適配于壓縮腔內(nèi)可自由上下移動(dòng)的上端蓋(15)和下端蓋(16)，所述上端蓋和下端蓋上分別開(kāi)設(shè)有上通氣口和下通氣口，所述上端蓋和下端蓋通過(guò)彈簧(17)連接，所述引出腔一端與壓縮腔連通另一端與冷腔連通，且所述引出腔沿壓縮腔至冷腔方向直徑逐漸擴(kuò)大。3.如權(quán)利要求1所述的用于低溫制冷機(jī)的壓差驅(qū)動(dòng)式膨脹機(jī)的使用方法，其特征是它包括以下步驟:向主進(jìn)排氣口通入高壓氦氣，高壓氦氣依次穿過(guò)內(nèi)腔和活塞組件充滿冷腔，此時(shí)外腔處于低壓狀態(tài)，活塞組件向進(jìn)排氣座移動(dòng)波形彈簧壓縮;停止向主進(jìn)排氣口通入高壓氦氣，使得冷腔中的高壓氦氣通過(guò)活塞組件、內(nèi)腔和主進(jìn)排氣口對(duì)外放氣，同時(shí)向副進(jìn)排氣口通入高壓氦氣，使得高壓氦氣通過(guò)外腔向活塞組件施加向冷頭換熱器移動(dòng)的推力，冷腔內(nèi)的氣體逐漸排空，當(dāng)活塞組件與冷頭換熱器接觸時(shí)將受到波形彈簧的拉力從而減緩沖擊力。
【文檔編號(hào)】F25B9/06GK106091460SQ201610406210
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】陳家富, 王勝原, 方霞
【申請(qǐng)人】銅陵?？其J科技有限公司