一种膨胀机单元及脉管型自由活塞斯特林制冷机制造技术

根据本实用新型专利技术的膨胀机单元及脉管型自由活塞斯特林制冷机，膨胀机单元包括膨胀活塞、膨胀活塞弹簧、膨胀活塞杆、一级热端换热器、二级热端换热器、回热器、脉冲管以及冷端换热器，膨胀活塞管为直管用于连接制冷机的脉冲管，膨胀活塞管内具有柱形的热交换腔和柱形的膨胀活塞腔，压缩活塞管为直管，压缩活塞管内具有柱形压缩活塞腔，压缩活塞腔与膨胀活塞腔同轴线且相连通，平行于压缩活塞腔轴线，圆盘上设置有多个连通压缩活塞腔与外部的通孔，压缩活塞腔的内径大于膨胀活塞腔的内径，膨胀活塞腔的内径大于热交换腔的内径，热交换腔的内径与脉冲管的内径相同，膨胀活塞在膨胀活塞管中，压缩活塞、膨胀活塞、压缩活塞腔以及膨胀活塞腔构成压缩腔。

【技术实现步骤摘要】
一种膨胀机单元及脉管型自由活塞斯特林制冷机
本技术属于制冷领域，具体涉及一种膨胀机单元及脉管型自由活塞斯特林制冷机。
技术介绍
低温制冷机制冷作为一种重要的获取低温的方法，其广泛应用于航空、军事、超导、通信、电子、冶金、工业气体液化以及生物医疗等领域。特别是近年来，我国航天事业的蓬勃发展，使得低温制冷机在航空航天的应用需求越来越明显，低温制冷机在超导、红外探测器以及气体低温液化方面的应用也越来越广泛。GLACIER(GeneralLaboratoryActiveCryogenicISSExperimentRefrigerator)是NASA研制的第一台可同时用于空间站及飞船两个平台的-80℃低温存储装置，采用自由活塞斯特林制冷机制冷，在风模式下，可实现4℃至-95℃的制冷温度；在水冷却模式下，可实现4℃至-160℃的低温存储。为进一步提高在轨及上、下行过程中低温存储能力，NASA与阿拉巴马大学伯明翰分校合作开发了单模块单元尺寸(273x460x522mm)的低温存储产品Polar。该装置同样采用了自由活塞斯特林制冷机作为冷源，可实现-80℃低温存储及样本运输，最大保存容积为12.7L。由于空间制冷对能耗有严格的要求，因此提高制冷机的效率一直就是空间制冷机的主流研究方向，目前主流的空间制冷机主要是斯特林制冷机和脉管制冷机，比较二者的理论制冷效率，从热力学角度而言，同温限工作下的脉管制冷机效率总是低于斯特林制冷机的。脉管制冷机的效率之所以低于斯特林制冷机，主要是因为脉管制冷机不像斯特林制冷机有膨胀活塞这样的结构将气体的膨胀功“反馈”至压缩腔，脉管热端的膨胀功主要以热量的形式通过调相机构如惯性管和小孔等耗散至环境中，造成脉管制冷机效率较低。
技术实现思路
为了在保证脉管制冷机自身优点的同时，提高其制冷效率，声功回收型脉管制冷机应运而生。对于小冷量需求的场合，脉管制冷机在调相机构中耗散的声功非常小，声功回收的意义并不十分显著，而对于在中高温区制冷的大功率脉管制冷机而言，其热端耗散的声功十分可观，对这部分声功的有效回收有望大幅提高其制冷效率。因此，声功回收型脉管制冷机在中温区大冷量方面具有较高研究价值。本技术的目的之一在于提供一种用于自由活塞斯特林制冷机的新型膨胀机单元及脉管型自由活塞斯特林制冷机。本技术提供了一种膨胀机单元，设置在机架上，其特征在于，包括膨胀活塞、膨胀活塞弹簧、膨胀活塞杆、一级热端换热器、二级热端换热器、回热器、脉冲管以及冷端换热器，其中，机架包括法兰、膨胀活塞管、压缩活塞管以及底座，法兰呈圆盘形状，该法兰的一侧面设置有同心的圆盘，另一侧面与底座相连，底座呈筒状，一端与法兰相连，另一端为自由端，底座的中心线与法兰的中心线重合，膨胀活塞管为直管，一端与圆盘相连，另一端为自由端，用于连接制冷机的脉冲管，膨胀活塞管内具有柱形的热交换腔和柱形的膨胀活塞腔，热交换腔连通脉冲管，脉冲管、热交换腔以及膨胀活塞腔同轴线且相连通，压缩活塞管为直管，设置在底座中，一端与法兰相连，另一端为自由端，压缩活塞管内具有柱形压缩活塞腔，压缩活塞腔与膨胀活塞腔同轴线且相连通，平行于压缩活塞腔轴线，圆盘上设置有多个连通压缩活塞腔与外部的通孔，压缩活塞腔的内径大于膨胀活塞腔的内径，膨胀活塞腔的内径大于热交换腔的内径，热交换腔的内径与脉冲管的内径相同，一级热端换热器呈圆筒状，套在膨胀活塞管的外壁上且设置在小圆盘的端面上，脉冲管的一端与膨胀活塞管相连，另一端与冷端换热器相连，回热器呈圆筒状，设置在脉冲管的外侧，一端与冷端换热器相连，另一端与一级热端换热器相连，膨胀活塞在膨胀活塞管中，膨胀活塞弹簧通过连接件与机架固定连接，膨胀活塞杆的一端与膨胀活塞相连，另一端与膨胀活塞弹簧相连，压缩活塞、膨胀活塞、压缩活塞腔以及膨胀活塞腔构成压缩腔。本技术提供了一种脉管型自由活塞斯特林制冷机，具有这样的特征，包括膨胀机单元，膨胀机单元为上述的膨胀机单元。另外，在本技术提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于，还包括二级热端换热器，设置在热交换腔内，膨胀活塞、二级热端换热器、热交换腔以及膨胀活塞腔构成膨胀腔，膨胀腔与压缩腔同轴布置。另外，在本技术提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于，还包括设置在脉冲管一端且位于脉冲管内的导流器。另外，在本技术提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于，还包括设置在机架外部的壳体和设置在膨胀机单元外部的冷指壳。另外，在本技术提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于，还包括位于一级热端换热器的外侧且设置在冷指壳上的散热器。另外，在本技术提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于：其中，回热器呈筒状，采用聚酯类薄膜制成。另外，在本技术提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于：在冷端换热器和回热器还设置有第一滤层，第一滤层呈筒状，采用不锈钢丝网制成。另外，在本技术提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机中，其特征在于：在以及热端换热器和冷端换热器还设置有第二滤层，第二滤层呈筒状，采用脱脂羊毛制成。技术的作用与效果根据本技术所涉及的同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机，包括驱动单元、压缩单元、膨胀机单元。本技术的同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机取消了传统自由活塞斯特林制冷机较长的低温膨胀活塞，以较短室温区工作的功回收膨胀活塞代替。自由活塞斯特林制冷机的膨胀气缸变成了脉管冷指的脉冲管，脉冲管冷端布置有层流化的导流器，热端设有二级热端换热器。这种改变结合了自由活塞斯特林制冷机和脉管制冷机的优点，通过取消在冷热端高频运动的膨胀活塞，消除了低温膨胀活塞带来的泵气损失、穿梭损失以及轴向导热损失。通过热端设置较短的室温膨胀活塞解决了脉管制冷机的声功回收问题，因此，当完全回收冷端声功时，该新型脉管型自由活塞斯特林制冷机理论效率为卡诺循环效率。同时，取消低温膨胀活塞降低了制冷机制造难度，减小了整机质量。附图说明图1是本技术的实施例一中脉管型自由活塞斯特林制冷机剖面示意图；图2是本技术的实施例中机架的立体示意图；图3是图2中A向视图；图4是图3中C-C剖视图；图5是本技术的实施例一中机架的立体剖视示意图；图6是本技术的实施例二中脉管型自由活塞斯特林制冷机剖面示意图；图7是本技术的实施例二中机架的立体示意图；图8是图7中B向视图；图9是图8中D-D剖视图；图10是实施例四中一体式机架剖视示意图；图11是实施例五中一体式机架剖视示意图；图12是本技术的实施例六中脉管型自由活塞斯特林制冷机剖面示意图；图13是本技术的实施例六中机架的立体剖视示意图；图14是本技术的实施例中机架的剖视示意图；以及图15是本技术的实施例中具有分段式回热器的脉管型自由活塞斯特林制冷机剖面示意图。具体实施方式为了使本技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本技术的同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机作具体阐述。实施例一如图1所示，同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机包括直线电机1、压缩单元、膨胀机单元、无阻尼动力吸振单元4、机架50、以及外壳60。如图2、3、4、5所示，机架50包括法兰52、设置在法兰52中的活塞管51本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种膨胀机单元，设置在机架上，其特征在于，包括：膨胀活塞、膨胀活塞弹簧、膨胀活塞杆、一级热端换热器、二级热端换热器、回热器、脉冲管以及冷端换热器，其中，所述机架包括法兰、膨胀活塞管、压缩活塞管以及底座，所述法兰呈圆盘形状，该法兰的一侧面设置有同心的圆盘，另一侧面与所述底座相连，所述底座呈筒状，一端与法兰相连，另一端为自由端，所述底座的中心线与所述法兰的中心线重合，所述膨胀活塞管为直管，一端与所述圆盘相连，另一端为自由端，用于连接制冷机的脉冲管，所述膨胀活塞管内具有柱形的热交换腔和柱形的膨胀活塞腔，所述热交换腔连通所述脉冲管，所述脉冲管、所述热交换腔以及所述膨胀活塞腔同轴线且相连通，所述压缩活塞管为直管，设置在所述底座中，一端与所述法兰相连，另一端为自由端，所述压缩活塞管内具有柱形压缩活塞腔，所述压缩活塞腔与所述膨胀活塞腔同轴线且相连通，平行于所述压缩活塞腔轴线，所述圆盘上设置有多个连通所述压缩活塞腔与外部的通孔，所述压缩活塞腔的内径大于所述膨胀活塞腔的内径，所述膨胀活塞腔的内径大于所述热交换腔的内径，所述热交换腔的内径与所述脉冲管的内径相同，所述一级热端换热器呈圆筒状，套在所述膨胀活塞管的外壁上且设置在所述圆盘的端面上，所述脉冲管的一端与所述膨胀活塞管相连，另一端与所述冷端换热器相连，所述回热器呈圆筒状，设置在所述脉冲管的外侧，一端与所述冷端换热器相连，另一端与所述一级热端换热器相连，所述膨胀活塞在所述膨胀活塞管中，所述膨胀活塞弹簧通过连接件与所述机架固定连接，所述膨胀活塞杆的一端与所述膨胀活塞相连，另一端与所述膨胀活塞弹簧相连，所述压缩活塞、所述膨胀活塞、所述压缩活塞腔以及所述膨胀活塞腔构成压缩腔。...

【技术特征摘要】
1.一种膨胀机单元，设置在机架上，其特征在于，包括：膨胀活塞、膨胀活塞弹簧、膨胀活塞杆、一级热端换热器、二级热端换热器、回热器、脉冲管以及冷端换热器，其中，所述机架包括法兰、膨胀活塞管、压缩活塞管以及底座，所述法兰呈圆盘形状，该法兰的一侧面设置有同心的圆盘，另一侧面与所述底座相连，所述底座呈筒状，一端与法兰相连，另一端为自由端，所述底座的中心线与所述法兰的中心线重合，所述膨胀活塞管为直管，一端与所述圆盘相连，另一端为自由端，用于连接制冷机的脉冲管，所述膨胀活塞管内具有柱形的热交换腔和柱形的膨胀活塞腔，所述热交换腔连通所述脉冲管，所述脉冲管、所述热交换腔以及所述膨胀活塞腔同轴线且相连通，所述压缩活塞管为直管，设置在所述底座中，一端与所述法兰相连，另一端为自由端，所述压缩活塞管内具有柱形压缩活塞腔，所述压缩活塞腔与所述膨胀活塞腔同轴线且相连通，平行于所述压缩活塞腔轴线，所述圆盘上设置有多个连通所述压缩活塞腔与外部的通孔，所述压缩活塞腔的内径大于所述膨胀活塞腔的内径，所述膨胀活塞腔的内径大于所述热交换腔的内径，所述热交换腔的内径与所述脉冲管的内径相同，所述一级热端换热器呈圆筒状，套在所述膨胀活塞管的外壁上且设置在所述圆盘的端面上，所述脉冲管的一端与所述膨胀活塞管相连，另一端与所述冷端换热器相连，所述回热器呈圆筒状，设置在所述脉冲管的外侧，一端与所述冷端换热器相连，另一端与所述一级热端换热器相连，所述膨胀活塞在所述膨胀活塞管中，所述膨胀活塞弹簧通过连接件与所述机架...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈曦，崔浩，卢莎，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：新型
国别省市：上海,31