[发明专利]一种多级斯特林型脉管制冷机

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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，本发明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。