用于低溫制冷機(jī)的壓差驅(qū)動式膨脹機(jī)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于低溫制冷機(jī)的壓差驅(qū)動式膨脹機(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)腔部分開設(shè)有主進(jìn)排氣口（8），進(jìn)排氣座位于外腔部分開設(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)氣來推動活塞組件進(jìn)行膨脹做功，無需曲軸連桿機(jī)構(gòu)，大大減少電機(jī)的負(fù)荷，從而簡化結(jié)構(gòu)，可靠性也更高。
【專利說明】
用于低溫制冷機(jī)的壓差驅(qū)動式膨脹機(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、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)動產(chǎn)生高頻率周期性壓力波動，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的明顯優(yōu)勢;其缺點(diǎn)在于在低溫區(qū)采用了排出器作為運(yùn)動部件，來調(diào)節(jié)整機(jī)聲場分布，由此會引起較大的振動，同時低溫區(qū)下存在的運(yùn)動部件也降低了系統(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度的慣性管調(diào)整回?zé)崞鲀?nèi)聲場分布，由于去除了排出器等運(yùn)動部件，因此具有結(jié)構(gòu)簡單、振動小、可靠性高和壽命長等優(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)的帶動下，按一定期相角進(jìn)行進(jìn)排氣及活塞的上下移動。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)動力來源于電機(jī)，當(dāng)制冷機(jī)的功率較大時，活塞尺寸比較大，電機(jī)的驅(qū)動力隨之增大，導(dǎo)致電機(jī)體積變大，驅(qū)動桿變粗，設(shè)備變得龐大。
[0005]中國發(fā)明專利申請?zhí)朇N201410747859.9公開了一種低振動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)通過連管與壓縮機(jī)相連，振蕩的工質(zhì)氣體通過連管進(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其往復(fù)運(yùn)動，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制冷而是用來驅(qū)動排出器運(yùn)動，高壓氦氣的損失量較大;經(jīng)過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通道，給排出器的往復(fù)運(yùn)動帶來阻礙，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)動導(dǎo)致設(shè)備龐大臃腫，要么采用氣壓制動時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)腔部分開設(shè)有主進(jìn)排氣口，所述進(jìn)排氣座位于外腔部分開設(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)可自由上下移動的上端蓋和下端蓋，所述上端蓋和下端蓋上分別開設(shè)有上通氣口和下通氣口，所述上端蓋和下端蓋通過彈簧連接，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，高壓氦氣依次穿過內(nèi)腔和活塞組件充滿冷腔，此時外腔處于低壓狀態(tài)，活塞組件向進(jìn)排氣座移動波形彈簧壓縮;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活塞組件、內(nèi)腔和主進(jìn)排氣口對外放氣，同時向副進(jìn)排氣口通入高壓氦氣，使得高壓氦氣通過外腔向活塞組件施加向冷頭換熱器移動的推力，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)氣來推動活塞組件進(jìn)行膨脹做功，無需曲軸連桿機(jī)構(gòu)，活塞的驅(qū)動力來源于進(jìn)排氣的高低壓差，電機(jī)只需要用來配氣，大大減少電機(jī)的負(fù)荷，從而簡化結(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，縮短制冷時間，加大制冷量。
【附圖說明】
[0011 ]圖1是本發(fā)明的壓差驅(qū)動式膨脹機(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)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0013]如圖1所示，本發(fā)明的壓差驅(qū)動式膨脹機(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)腔部分開設(shè)有主進(jìn)排氣口 8，所述進(jìn)排氣座位于外腔部分開設(shè)有副進(jìn)排氣口 9。
[0014]壓差驅(qū)動式膨脹機(jī)的使用方法如下:電機(jī)通過配氣結(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，高壓氦氣依次穿過內(nèi)腔和活塞組件充滿冷腔，此時外腔處于低壓狀態(tài)，活塞組件向進(jìn)排氣座移動使得波形彈簧壓縮;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活塞組件、內(nèi)腔和主進(jìn)排氣口對外放氣，同時電機(jī)驅(qū)動配氣結(jié)構(gòu)向副進(jìn)排氣口通入高壓氦氣，使得高壓氦氣通過外腔向活塞組件施加向冷頭換熱器移動的推力，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將受到波形彈簧的拉力從而減緩沖擊力，由此完成一個驅(qū)動循環(huán)。
[0015]為了進(jìn)一步提高對活塞組件的利用率，在不增加設(shè)備體積的前提下可以對活塞組件進(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)可自由上下移動的上端蓋15和下端蓋16，所述上端蓋和下端蓋上分別開設(shè)有上通氣口和下通氣口，所述上端蓋和下端蓋通過彈簧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)排氣口通過內(nèi)腔進(jìn)入活塞組件內(nèi)的引入腔時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)動力，將推動上端蓋向下端蓋移動，上端蓋壓縮彈簧使其發(fā)生形變，壓縮彈簧給下端蓋一個向下的驅(qū)動力，當(dāng)下端蓋與壓縮腔的底部接觸時受到反作用力和彈簧的恢復(fù)形變的力將向上運(yùn)動，推動彈簧和上端蓋向上運(yùn)動，當(dāng)上端蓋與壓縮腔的頂部接觸時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，如此反復(fù)，對經(jīng)過的高壓氦氣進(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，避免對活塞組件產(chǎn)生上下的氣流擾動。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.用于低溫制冷機(jī)的壓差驅(qū)動式膨脹機(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)腔部分開設(shè)有主進(jìn)排氣口(8)，所述進(jìn)排氣座位于外腔部分開設(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)可自由上下移動的上端蓋(15)和下端蓋(16)，所述上端蓋和下端蓋上分別開設(shè)有上通氣口和下通氣口，所述上端蓋和下端蓋通過彈簧(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，高壓氦氣依次穿過內(nèi)腔和活塞組件充滿冷腔，此時外腔處于低壓狀態(tài)，活塞組件向進(jìn)排氣座移動波形彈簧壓縮;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活塞組件、內(nèi)腔和主進(jìn)排氣口對外放氣，同時向副進(jìn)排氣口通入高壓氦氣，使得高壓氦氣通過外腔向活塞組件施加向冷頭換熱器移動的推力，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將受到波形彈簧的拉力從而減緩沖擊力。
【文檔編號】F25B9/06GK106091460SQ201610406210
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】陳家富, 王勝原, 方霞
【申請人】銅陵?？其J科技有限公司