專利名稱：帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的g-m制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種低溫制冷機(jī)，尤其是一種回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)，具體地說是一 種帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的G-M制冷機(jī)。
背景技術(shù)：
G-M制冷循環(huán)是由吉福特(Gifford)和麥克馬洪(Mcmahon)共同實(shí)用新型的，其原 理是利用絕熱氣體放氣制冷。目前，G-M制冷機(jī)已廣泛應(yīng)用于低溫泵和冷卻多種超導(dǎo)磁體。 在應(yīng)用時(shí)，一般使用制冷機(jī)冷頭直接接觸或者使用高導(dǎo)熱率的材料作為熱橋來實(shí)現(xiàn)冷卻作用。目前，普遍使用的G-M制冷機(jī)的汽缸壁和活塞之間存在縫隙，制冷機(jī)中壓力作周 期性變化，縫隙會(huì)造成泵氣損失。在活塞和氣缸的熱端有密封環(huán)封死，而冷端是開放的。當(dāng) 冷腔處于低壓時(shí)，間隙中氣量最少，當(dāng)壓力升高時(shí)，便有一些冷氣進(jìn)入間隙中，并從氣缸壁 和活塞吸收熱量，直至達(dá)到最高壓力，然后在下一個(gè)周期壓力下降時(shí)，這些氣體返回冷腔， 于是就把剛才吸收的熱量帶到冷腔，造成冷量損失。另外，密封環(huán)隨活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，密封環(huán)與氣缸之間以及密封環(huán)與活塞 之間密封不嚴(yán)，熱腔內(nèi)高溫氣體通過密封環(huán)漏到冷腔，冷腔中的低溫氣體通過密封環(huán)漏到 熱腔，均會(huì)引起冷量損失，這部分損失稱為漏氣損失。隨著制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，密封環(huán) 的磨損會(huì)逐漸增大，密封環(huán)與氣缸和活塞的密封會(huì)越來越松，通過密封環(huán)的漏氣量就會(huì)越 來越大，產(chǎn)生的冷量損失也會(huì)越來越大。此外，密封環(huán)在氣缸內(nèi)的滑動(dòng)密封產(chǎn)生的摩擦熱也 會(huì)引起冷量損失。這些冷量損失嚴(yán)重影響制冷機(jī)的性能，難以滿足低溫超導(dǎo)的試驗(yàn)與應(yīng)用要求。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是通過引入調(diào)相機(jī)構(gòu)，提供一種帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的G-M制冷機(jī)。解 決了以下技術(shù)問題改變G-M制冷機(jī)的活塞與氣缸之間間隙內(nèi)氣體的工作過程，充分利用 該部分氣體膨脹做功，并阻止通過密封環(huán)的漏氣損失，從而使G-M制冷機(jī)獲得更好的性能。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的G-M制冷機(jī)，其特征是包括壓縮機(jī)、進(jìn)氣閥、排氣閥、回?zé)崞?、?缸、活塞、熱腔、冷腔、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、環(huán)形間隙和換熱器，所述壓縮機(jī)的出氣端連接進(jìn)氣閥，壓縮 機(jī)的進(jìn)氣端連接排氣閥，進(jìn)氣閥、排氣閥與回?zé)崞魅哌B通連接，回?zé)崞髋c氣缸連通連接， 回?zé)崞髋c氣缸之間設(shè)有換熱器；氣缸內(nèi)設(shè)有活塞，活塞下方為冷腔，活塞上方為熱腔，活塞 與氣缸內(nèi)壁之間為環(huán)形間隙，活塞上連接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；環(huán)形間隙與調(diào)相機(jī)構(gòu)連通。所述環(huán)形間隙可分為熱端氣體、氣體活塞和冷端氣體。所述調(diào)相機(jī)構(gòu)包括小孔閥和氣庫(kù)，環(huán)形間隙通過小孔閥與氣庫(kù)連通；所述的活塞 與氣缸之間位于環(huán)形間隙上方位置設(shè)有密封環(huán)。所述的調(diào)相機(jī)構(gòu)為與氣缸熱端連通的小孔氣庫(kù)結(jié)構(gòu)或雙向進(jìn)氣機(jī)構(gòu)或四閥機(jī)構(gòu)或其他更有效的調(diào)相機(jī)構(gòu)。所述的調(diào)相機(jī)構(gòu)可內(nèi)置，包括內(nèi)置小孔閥和氣庫(kù)，內(nèi)置小孔閥置于活塞熱端的環(huán) 形間隙內(nèi)，熱腔作為調(diào)相機(jī)構(gòu)的氣庫(kù)。所述的進(jìn)氣閥和排氣閥都處在室溫下。所述的回?zé)崞鲀?nèi)裝有回?zé)崽盍?。所述的活塞上連接的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括活塞桿、連桿 和曲柄。本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型通過引入調(diào)相機(jī)構(gòu)，改變了環(huán)形間隙內(nèi)氣體的工作過程，能夠充分利 用該部分氣體膨脹做功，并阻止了通過密封環(huán)的漏氣損失，從而使G-M制冷機(jī)獲得更好的 性能。

圖1是本實(shí)用新型的帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的G-M制冷機(jī)系統(tǒng)原理圖。圖2是將調(diào)相機(jī)構(gòu)引入G-M制冷機(jī)后環(huán)形間隙內(nèi)氣體工作過程圖之一。圖3是將調(diào)相機(jī)構(gòu)引入G-M制冷機(jī)后環(huán)形間隙內(nèi)氣體工作過程圖之二。圖4是將調(diào)相機(jī)構(gòu)引入G-M制冷機(jī)后環(huán)形間隙內(nèi)氣體工作過程圖之三。圖5是調(diào)相機(jī)構(gòu)內(nèi)置的G-M制冷機(jī)系統(tǒng)圖。圖6是將調(diào)相機(jī)構(gòu)引入兩級(jí)G-M制冷機(jī)第二級(jí)的系統(tǒng)圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。如圖1所示。一種帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的G-M制冷機(jī)，包括壓縮機(jī)1、進(jìn)氣閥2、排氣閥3、 回?zé)崞?、氣缸5、活塞6、熱腔7、冷腔8、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、環(huán)形間隙13和換熱器14，所述壓縮機(jī)1 的出氣端連接進(jìn)氣閥2，壓縮機(jī)1的進(jìn)氣端連接排氣閥3，進(jìn)氣閥2、排氣閥3與回?zé)崞?三 者連通連接，回?zé)崞?與氣缸5連通連接，回?zé)崞?與氣缸5之間設(shè)有換熱器14 ；氣缸5內(nèi) 設(shè)有活塞6，活塞6下方為冷腔8，活塞6上方為熱腔7，活塞6與氣缸5內(nèi)壁之間為環(huán)形間 隙13，活塞6上連接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；環(huán)形間隙13與調(diào)相機(jī)構(gòu)連通。環(huán)形間隙13內(nèi)的氣體可分為熱端氣體20、氣體活塞21和冷端氣體22。氣體活塞 21上方為熱端氣體，氣體活塞21下方為冷端氣體。調(diào)相機(jī)構(gòu)包括小孔閥18和氣庫(kù)19，通過小孔閥18將環(huán)形間隙13與氣庫(kù)19連通； 所述的活塞6與氣缸5之間位于環(huán)形間隙13上方位置設(shè)有密封環(huán)9，即所述的環(huán)形間隙13 由氣缸5內(nèi)壁、活塞6外壁，密封環(huán)9等封閉而成。用來調(diào)節(jié)環(huán)形間隙13內(nèi)工作氣體的相 位關(guān)系，從而提高G-M制冷機(jī)的性能。本實(shí)用新型的調(diào)相機(jī)構(gòu)還可以為與氣缸6熱端連通的雙向進(jìn)氣機(jī)構(gòu)或四閥機(jī)構(gòu) 或其他更有效的調(diào)相機(jī)構(gòu)?；钊?上連接的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括活塞桿10、連桿11 和曲柄12。如圖5，為本實(shí)用新型的另一種實(shí)施方式，為調(diào)相機(jī)構(gòu)內(nèi)置的G-M制冷機(jī)系統(tǒng)圖。
4調(diào)相機(jī)構(gòu)包括內(nèi)置小孔閥23和氣庫(kù)，內(nèi)置小孔閥23置于活塞6熱端的環(huán)形間隙13內(nèi)，熱 腔7作為調(diào)相機(jī)構(gòu)的氣庫(kù)。進(jìn)氣閥2和排氣閥3都處在室溫下。由機(jī)械控制其開啟和關(guān)閉，用來控制通過回 熱器4和氣缸5的氣流和循環(huán)的壓力及容積?；?zé)崞?內(nèi)裝有回?zé)崽盍稀＠錈釟饬鹘惶娴牧鬟^它，起著儲(chǔ)存和回收冷量的作用。 通過該作用達(dá)到冷熱氣流間換熱的目的，并建立室溫和制冷機(jī)冷端之間的巨大溫差。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使活塞6在氣缸5內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖1中雙向箭頭所示。所述的活 塞6置于氣缸5內(nèi)部；所述的活塞6由曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，在氣缸5內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖 6中雙向箭頭所示，造成氣缸兩端的兩個(gè)有效容積熱腔7和冷腔8。二者由密封環(huán)9、活塞6 和氣缸5隔開。所述的熱腔7處于室溫下，而冷腔8處于低溫下。因而活塞6和氣缸5都承受著 巨大的縱向溫度梯度，所以都是用導(dǎo)熱性能差的材料制成。所述的氣缸5的材料一般選用 不銹鋼，它具有足夠的強(qiáng)度及低的熱導(dǎo)率；而活塞6的材料一般選用膠木，它可減少導(dǎo)熱損 失，因比重較不銹鋼小，活塞6質(zhì)量輕，可減小往復(fù)慣性力，而且膠木硬度小，不會(huì)劃傷氣缸 5內(nèi)壁。G-M制冷機(jī)的工作工程簡(jiǎn)述如下開始時(shí)，控制機(jī)構(gòu)使活塞6處于氣缸5底部，與 此同時(shí)打開進(jìn)氣閥2。來自壓縮機(jī)1的高壓氣體進(jìn)入回?zé)崞?，回?zé)崞?的壓力增高。當(dāng)壓 力平衡后，活塞從氣缸5底部向上移動(dòng)，與此同時(shí)，經(jīng)回?zé)崞?冷卻的高壓氣體進(jìn)入冷腔8。 活塞6移動(dòng)到氣缸5頂部，進(jìn)氣閥關(guān)閉。打開排氣閥，使冷腔8的氣體經(jīng)換熱器14和回?zé)?器4與低壓端連通。這時(shí)，冷腔中的高壓氣體向低壓側(cè)放氣，獲得冷量，冷量由換熱器14傳 出。氣體經(jīng)回?zé)崞?加熱后回到壓縮機(jī)。同時(shí)，活塞6重新回到氣缸5底部，排氣閥關(guān)閉。 這樣，周而復(fù)始，整個(gè)系統(tǒng)就能連續(xù)工作，連續(xù)不斷地獲取冷量。在脈管制冷機(jī)中，小孔氣庫(kù)等調(diào)相結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)工作氣體的質(zhì)量流與壓力波之間 的相位關(guān)系，能夠改善脈管制冷機(jī)的性能。本實(shí)用新型將調(diào)相機(jī)構(gòu)引入G-M制冷機(jī)，如圖2、圖3、圖4所示，來調(diào)節(jié)環(huán)形間隙 13內(nèi)工作氣體的工作過程?？蓪h(huán)形間隙13中的氣體分成三個(gè)部分，熱端氣體20，氣體活 塞21和冷端氣體22。當(dāng)環(huán)形間隙13內(nèi)的氣體被壓縮時(shí)，熱端氣體20通過氣體活塞21被 壓入氣庫(kù)19，壓縮結(jié)束時(shí)刻氣體活塞21的位置如圖2所示；同理，膨脹制冷階段，冷端氣體 22在冷腔8中膨脹，膨脹結(jié)束時(shí)刻氣體活塞21的位置如圖4所示；圖3為氣體活塞21在壓 縮或膨脹過程中的平衡位置。上述環(huán)形間隙13的工作過程與帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的脈管制冷相同， 環(huán)形間隙13內(nèi)的工作氣體便由原來造成冷量損失轉(zhuǎn)而膨脹做功產(chǎn)生冷效應(yīng)，從而使G-M制 冷機(jī)獲得更好的性能。此外，氣體活塞21也阻止了通過密封環(huán)9的漏氣損失。圖6是將調(diào)相機(jī)構(gòu)引入兩級(jí)G-M制冷機(jī)第二級(jí)的系統(tǒng)圖。一種將調(diào)相機(jī)構(gòu)引入第二級(jí)的兩級(jí)G-M制冷機(jī)，包括壓縮機(jī)1、進(jìn)氣閥2、排氣閥3、 一級(jí)氣缸24、一級(jí)活塞25、一級(jí)密封環(huán)26、一級(jí)冷腔27、二級(jí)氣缸28、二級(jí)活塞29、二級(jí)冷 腔30。所述的一級(jí)冷腔27可視為二級(jí)熱腔和二級(jí)氣庫(kù)。所述的壓縮機(jī)1用來提供高壓氣體制冷劑，如高壓氦氣。所述的進(jìn)氣閥2和排氣閥3都處在室溫下，由機(jī)械控制其開啟和關(guān)閉，用來控制通 過一級(jí)活塞25、二級(jí)活塞29和一級(jí)氣缸24、二級(jí)氣缸28的氣流和循環(huán)的壓力及容積。[0042]所述的一級(jí)氣缸24和二級(jí)氣缸28材料為不銹鋼，一級(jí)氣缸24和二級(jí)氣缸28可 為整體結(jié)構(gòu)。所述的二級(jí)活塞29包括頂蓋31、底蓋32、二級(jí)活塞筒33、二級(jí)回?zé)崽盍?4、硬質(zhì) 絲網(wǎng)35-36以及毛氈37等；所述的二級(jí)活塞29與二級(jí)氣缸28壁之間為間隙配合，間隙為 0. 01-0. 03 mm，這個(gè)間隙即能保證活塞在氣缸內(nèi)自由往復(fù)運(yùn)動(dòng)，又能阻止二級(jí)冷腔30氣體 直接進(jìn)入二級(jí)熱腔27 ；所述的二級(jí)活塞29與二級(jí)氣缸28的長(zhǎng)度相同。所述的底蓋32上有連通二級(jí)活塞29內(nèi)部和二級(jí)冷腔30的流道38，底蓋32的外 徑小于二級(jí)活塞29的外徑約0. 05 mm，這樣在頂蓋32和二級(jí)氣缸28壁之間便形成了一個(gè) 間隙，使工作氣體可以進(jìn)出二級(jí)冷腔30和二級(jí)活塞29內(nèi)部。所述的頂蓋31和一級(jí)活塞25上有通道39連通一級(jí)冷腔27和二級(jí)活塞29內(nèi)部， 并連接至一級(jí)活塞25，隨一級(jí)活塞25做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；所述的活塞筒33開有螺旋槽40，螺旋槽40從活塞筒33底端開始，延伸至距離頂 蓋31頂端約30 mm處，經(jīng)螺旋槽40末端至頂蓋31頂端開有直槽41。所述的二級(jí)回?zé)崽盍?4，比如鉛球，裝在二級(jí)活塞29內(nèi)部，底端用硬質(zhì)絲網(wǎng)35_36 和毛氈37封牢，頂端采用同樣的方式封牢；所述的二級(jí)回?zé)崽盍?4也可為其他回?zé)崽盍希?比如磁性回?zé)崽盍系?，也可為多層不同回?zé)崽盍?。具體工作時(shí)，所述的直槽41可視為小孔閥18 ；所述的一級(jí)冷腔27可視為氣庫(kù)19 ； 二級(jí)活塞筒33和二級(jí)氣缸28壁之間圍成的體積可視為脈管17 ；這樣便把調(diào)相機(jī)構(gòu)引入了 兩級(jí)G-M制冷機(jī)的第二級(jí)，同時(shí)去除了二級(jí)密封環(huán)，將環(huán)形間隙13的工作過程改變?yōu)閹д{(diào) 相機(jī)構(gòu)的脈管制冷機(jī)的工作過程，充分利用該部分氣體膨脹產(chǎn)生冷效應(yīng)，并消除了通過密 封環(huán)的漏氣損失和摩擦損失，從而提高G-M制冷機(jī)的性能。本實(shí)施例只是簡(jiǎn)單引入小孔氣庫(kù)結(jié)構(gòu)的調(diào)相方式，為獲得更好的性能，可對(duì)小孔 和氣庫(kù)的尺寸進(jìn)行精確地計(jì)算，或者引入其他更有效的調(diào)相方式，比如雙向進(jìn)氣、四閥結(jié)構(gòu)寸寸。本實(shí)用新型未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求一種帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的G M制冷機(jī)，其特征是包括壓縮機(jī)(1)、進(jìn)氣閥(2)、排氣閥(3)、回?zé)崞?4)、氣缸(5)、活塞(6)、熱腔(7)、冷腔(8)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、環(huán)形間隙(13)和換熱器(14)，所述壓縮機(jī)(1)的出氣端連接進(jìn)氣閥(2)，壓縮機(jī)(1)的進(jìn)氣端連接排氣閥(3)，進(jìn)氣閥(2)、排氣閥(3)與回?zé)崞?4)三者連通連接，回?zé)崞?4)與氣缸(5)連通連接，回?zé)崞?4)與氣缸(5)之間設(shè)有換熱器(14)；氣缸(5)內(nèi)設(shè)有活塞(6)，活塞(6)下方為冷腔(8)，活塞(6)上方為熱腔(7)，活塞(6)與氣缸(5)內(nèi)壁之間為環(huán)形間隙(13)，活塞(6)上連接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；環(huán)形間隙(13)與調(diào)相機(jī)構(gòu)連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的G-M制冷機(jī)，其特征是所述環(huán)形間隙(13) 可分為熱端氣體(20)、氣體活塞(21)和冷端氣體(22)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的G-M制冷機(jī)，其特征是所述調(diào)相機(jī)構(gòu)包括 小孔閥(18 )和氣庫(kù)(19 )，環(huán)形間隙(13 )通過小孔閥(18 )與氣庫(kù)(19 )連通；所述的活塞(6 ) 與氣缸(5)之間位于環(huán)形間隙(13)上方位置設(shè)有密封環(huán)(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的G-M制冷機(jī)，其特征是所述的調(diào)相機(jī)構(gòu)為 與氣缸(6)熱端連通的小孔氣庫(kù)結(jié)構(gòu)或雙向進(jìn)氣機(jī)構(gòu)或四閥機(jī)構(gòu)或其他更有效的調(diào)相機(jī) 構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的G-M制冷機(jī)，其特征是所述的調(diào)相機(jī)構(gòu)可 內(nèi)置，包括內(nèi)置小孔閥(23)和氣庫(kù)，內(nèi)置小孔閥(23)置于活塞(6)熱端的環(huán)形間隙(13)內(nèi)， 熱腔(7)作為調(diào)相機(jī)構(gòu)的氣庫(kù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的G-M制冷機(jī)，其特征是所述的進(jìn)氣閥(2) 和排氣閥(3)都處在室溫下。
專利摘要一種帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的G-M制冷機(jī)，包括壓縮機(jī)(1)、進(jìn)氣閥(2)、排氣閥(3)、回?zé)崞?4)、氣缸(5)、活塞(6)、熱腔(7)、冷腔(8)、密封環(huán)(9)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(10-12)、環(huán)形間隙(13)、換熱器(14)、小孔閥(18)和氣庫(kù)(19)。通過引入調(diào)相機(jī)構(gòu)，如小孔閥(18)和氣庫(kù)(19)等，將環(huán)形間隙(13)內(nèi)的氣體的工作方式改變?yōu)榕c帶調(diào)相機(jī)構(gòu)的脈管制冷機(jī)相同，充分利用該部分氣體膨脹做功產(chǎn)生冷效應(yīng)，并消除通過密封環(huán)(9)的漏氣損失，從而提高G-M制冷機(jī)的性能。
文檔編號(hào)F25B9/00GK201764746SQ20102051110
公開日2011年3月16日 申請(qǐng)日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者巢偉, 莊坤融, 陳杰, 高金林 申請(qǐng)人:南京柯德超低溫技術(shù)有限公司