[发明专利]采用主动调相机构的多级脉管制冷机系统及其调节方法

说明书

本发明涉及采用主动调相机构的多级脉管制冷机系统及其调节方法，多级脉管制冷机系统包括主动调相机构与多级脉管制冷机单元，主动调相机构由阶梯活塞体、阶梯活塞气缸体以及驱动机构组成，阶梯活塞体与驱动机构相连，阶梯活塞体与阶梯活塞气缸体之间形成多个工作腔，多级脉管制冷机单元包括压缩机、换热器和多级冷头，每级冷头均包括回热器与脉管，冷头的级数与主动调相机构中工作腔个数相同，每级冷头的脉管分别与其中一个工作腔相连，压缩机与每一级冷头的冷却器连接。本发明通过驱动机构来驱动阶梯活塞体的运动，进而通过产生压力波动来控制每一级冷头内冷端换热器部分压力波和质量流的相位，提高多级脉管制冷机的工作效率。

技术领域

本发明属于低温制冷机领域，尤其是涉及一种采用主动调相机构的多级脉管制冷机系统及其调节方法。

背景技术

脉管制冷机是20世纪60年代由美国的Gifford和Longthworth共同提出的，有广泛的应用前景。脉管制冷机的发展经历了基本型脉管制冷机、小孔型脉管制冷机以及之后的双向进气型、惯性管型、四阀型和双活塞型脉管制冷机等几个发展阶段。现在所使用的脉管制冷机大部分为双向进气型、惯性管型以及两者的混合。

但是在斯特林型脉管制冷机领域，由于惯性管结构在低温小冷量下调相不足，导致回热器效率过低。另外适宜惯性管工作的压比过低。因此，在20K以下温区，尚未有高效率的斯特林型多级脉管制冷机报道出来。为解决这一问题，Raytheon公司提出了斯特林和脉管的混合结构，第一级采用斯特林，第二级采用脉管来避免斯特林制冷机制造工艺复杂的问题。但这样采用两种调相方式系统比较复杂。而LocKheed Martin公司则将后级脉管的惯性管让前级冷却使后级惯性管在低温下工作以获得足够的调相效果从而获得更低温度，这样，后级脉管的膨胀功也变成热散到前级，理论效率低。如果采用阶梯推移活塞，则由于不可避免的间隙密封问题而带来复杂的直流分量问题。同时，是被动调相，一旦制造完成，压缩功到各级的分配就定下了，各级制冷量也就定了，无法改变，这无法满足制冷量要求可变的情况。

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采用主动调相机构的多级脉管制冷机系统及其调节方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

采用主动调相机构的多级脉管制冷机系统，包括：

主动调相机构：由阶梯活塞体、阶梯活塞气缸体以及驱动机构组成，所述的阶梯活塞体设在阶梯活塞气缸体内，并与驱动机构相连，阶梯活塞体与阶梯活塞气缸体之间形成多个工作腔；

多级脉管制冷机单元：包括压缩机、换热器和多级冷头，每级冷头均包括回热器与脉管；

冷头的级数与主动调相机构中工作腔个数相同，每级冷头的脉管分别与其中一个工作腔相连，压缩机与每一级冷头的冷却器连接；压缩机用于产生压力波动驱动冷头。

所述的阶梯活塞体与阶梯活塞气缸体之间为间隙密封，形成工作腔。

所述的阶梯活塞体上开有凹槽，用以保证阶梯活塞体和阶梯活塞气缸体之间的间隙密封长度不变。可将活塞体和活塞气缸体之间的漏气消除或控制在一定的范围内。

所述的阶梯活塞体和阶梯活塞气缸体的级数不少于两级，形成至少两个工作腔。

阶梯活塞体与阶梯活塞气缸体之间形成的工作腔上连接气库与调节阀门，用以调节各级冷头的气流分配。

阶梯活塞体与阶梯活塞气缸体之间形成的工作腔与每一级冷头的脉管之间连接管上设置有气库，该气库不同于阶梯活塞体与阶梯活塞气缸体之间形成的工作腔的余隙。通过增加气库的办法来调节其调相能力。

还可以通过增大阶梯活塞体与阶梯活塞气缸体之间形成的工作腔的余隙容积，或采用脉管与工作腔间的容积来调节主动调相机构的调相能力。