高增益節(jié)能式深冷機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了高增益節(jié)能式深冷機，它包括氦壓縮機（1）和膨脹機，所述膨脹機包括通過進氣管（2）與氦壓縮機連通的高壓腔（3），所述高壓腔末端固接有帶有冷頭換熱器（4）的氣缸（5），所述高壓腔內(nèi)置有由電機（6）和傳動軸（7）驅(qū)動的開口正對進氣管的填充腔體（8），所述填充腔體末端通過波紋管（9）固接有可在氣缸內(nèi)上下移動的活塞（10），所述活塞內(nèi)開設(shè)有高壓進氣通道（11）和低壓排氣通道（12）。本發(fā)明的有益效果是膨脹機膨脹力的來源由電機和高壓氦氣共同提供，可實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)對大抽速的追求，對高壓氦氣的利用度高，當(dāng)高壓氦氣充滿高壓腔后既可以實現(xiàn)對氦氣的循環(huán)利用，提高單位時間內(nèi)的制冷效率，降低氦氣的損失量。
【專利說明】
高増益節(jié)能式深冷機
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及制冷機，尤其涉及高增益節(jié)能式深冷機。
【背景技術(shù)】
[0002]自然界的絕對零度為OK(-273°C)，低于153K(-120°C)為超低溫。超低溫深冷機能產(chǎn)生10 K(-263°C)的超低溫，是航天、核工業(yè)、超導(dǎo)、材料分析及集成電器、光電、汽車配件、家用電器等行業(yè)生產(chǎn)和研發(fā)所必須的冷源，目前世界上只有美國、日本、德國、俄羅斯等少數(shù)幾個國家的企業(yè)掌握了其核心技術(shù)并產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)所使用的超低溫深冷機基本上被上述公司所壟斷，采購及維修成本極其昂貴。1K超低溫深冷機是一種利用氦氣作為工質(zhì)，由氦氣壓縮機產(chǎn)生高壓氦氣，通過絕熱膨脹獲得10K(-263°C)甚至更低的溫度的設(shè)備。主要由氦壓縮機單元和膨脹機單元組成，其工作原理如圖所示。高純的氦氣由壓縮機栗壓縮后，經(jīng)過冷卻器、油氣分離器、吸附器后重新純化和冷卻，輸出給膨脹機單元，膨脹機單元在電機的驅(qū)動下配氣組件與回?zé)崞鹘M件配合運動，使壓縮氦氣在氣缸底部絕熱放氣，產(chǎn)生冷量，最后經(jīng)冷頭換熱器輸出?；?zé)崞鹘M件中填充有蓄冷材料，可確保產(chǎn)生的冷量與氦進行充分換熱。一般單級深冷機可達35K(-238°C)的深低溫，而二級深冷機即可獲得低于1K的溫度。由于1K的溫度可冷凝空氣中的大部分氣體，因此其具有非常廣泛的現(xiàn)實意義，而更低溫度的深冷機雖然應(yīng)用范圍會更大些，但成本顯著提高，且工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域里1K溫區(qū)已基本滿足。
[0003]中國發(fā)明專利申請?zhí)朇N201410228337.8公開了一種氣動GM制冷機及其控制過程，包括驅(qū)動氣缸、制冷氣缸、驅(qū)動活塞、推移活塞及冷量換熱器，驅(qū)動氣缸與制冷氣缸上下連接，驅(qū)動活塞與推移活塞上下連接，且驅(qū)動活塞可在驅(qū)動氣缸內(nèi)滑動，驅(qū)動氣缸與驅(qū)動活塞之間形成驅(qū)動腔，推移活塞可在制冷氣缸配內(nèi)滑動，制冷氣缸內(nèi)部被推移活塞分成室溫腔與低溫腔，冷量換熱器與低溫腔連接，室溫腔與低壓氣體管路及高壓氣體管路連接，驅(qū)動腔至少連接有低壓氣庫與高壓氣庫。在驅(qū)動腔上設(shè)置低壓氣庫與高壓氣庫，利用氣庫里的氣體驅(qū)動推移活塞運動，從而提高制冷機的制冷效率，但該發(fā)明是利用高壓氦氣作為動力源，其氣體損失仍然較大，膨脹制冷速率較慢，且采用兩級活塞驅(qū)動，膨脹機的振動較大，不利于膨脹機的穩(wěn)定安全運行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的GM制冷機制冷速度慢，制冷時產(chǎn)生較大的振動，不利于膨脹機的安全穩(wěn)定進行，為此提供一種無振動節(jié)能式深冷機。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:無振動節(jié)能式深冷機，它包括氦壓縮機和膨脹機，所述膨脹機包括通過進氣管與氦壓縮機連通的高壓腔，所述高壓腔末端固接有帶有冷頭換熱器的氣缸，所述高壓腔內(nèi)置有由電機和傳動軸驅(qū)動的開口正對進氣管的填充腔體，所述填充腔體末端通過波紋管固接有可在氣缸內(nèi)上下移動的活塞，所述活塞內(nèi)開設(shè)有高壓進氣通道和低壓排氣通道，所述高壓進氣通道一端與波紋管連通，另一端與氣缸側(cè)壁連通，所述低壓排氣通道一端向上延伸依次穿過填充腔體和高壓腔與氦壓縮機連通形成柔性排氣管，另一端向下延伸并在活塞底部形成弧形夾持部，所述氣缸底部安置有彈性中空球體，所述彈性中空球體內(nèi)預(yù)裝有三通管，所述彈性中空球體內(nèi)和三通管之間充填有制冷劑，所述彈性中空球體的表面與弧形夾持部表面相適配，當(dāng)活塞下移時弧形夾持部將與彈性中空球體表面接觸使得三通管的其中一路管路與低壓排氣通道連通。
[0006]上述方案的改進是所述活塞與氣缸之間適配有活塞密封圈，所述活塞密封圈下方的活塞與氣缸之間充填有回?zé)岵牧稀?br>[0007]上述方案的進一步改進是所述氣缸底部開設(shè)有用于安置彈性中空球體的限位槽。
[0008]上述方案的更進一步改進是所述冷頭換熱器外側(cè)固接有溫度傳感器，所述溫度傳感器通過溫控儀與氦壓縮機信號連接，所述氦壓縮機通過變頻器與電機信號連接。
[0009]本發(fā)明的有益效果是膨脹機膨脹力的來源由電機和高壓氦氣共同提供，可實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)對大抽速的追求，對高壓氦氣的利用度高，當(dāng)高壓氦氣充滿高壓腔后既可以實現(xiàn)對氦氣的循環(huán)利用，提高單位時間內(nèi)的制冷效率，降低氦氣的損失量;活塞運動時與彈性中空球體彈性接觸，不損傷氣缸與活塞，消除膨脹機的振動。
【附圖說明】
[00?0]圖1是本發(fā)明示意圖；
圖中，1、氦壓縮機，2、進氣管，3、高壓腔，4、冷頭換熱器，5、氣缸，6、電機，7、傳動軸，8、填充腔體，9、波紋管，10、活塞，11、高壓進氣通道，12、低壓排氣通道，13、柔性排氣管，14、弧形夾持部，15、彈性中空球體，16、三通管，17、溫度傳感器，18、溫控儀，19、變頻器。
【具體實施方式】
[0011 ]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0012]如圖1所示，本發(fā)明包括氦壓縮機I和膨脹機，所述膨脹機包括通過進氣管2與氦壓縮機連通的高壓腔3，所述高壓腔末端固接有帶有冷頭換熱器4的氣缸5，所述高壓腔內(nèi)置有由電機6和傳動軸7驅(qū)動的開口正對進氣管的填充腔體8，所述填充腔體末端通過波紋管9固接有可在氣缸內(nèi)上下移動的活塞10，所述活塞內(nèi)開設(shè)有高壓進氣通道11和低壓排氣通道12，所述高壓進氣通道一端與波紋管連通，另一端與氣缸側(cè)壁連通，所述低壓排氣通道一端向上延伸依次穿過填充腔體和高壓腔與氦壓縮機連通形成柔性排氣管13，另一端向下延伸并在活塞底部形成弧形夾持部14，所述氣缸底部安置有彈性中空球體15，所述彈性中空球體內(nèi)預(yù)裝有三通管16，所述彈性中空球體內(nèi)和三通管之間充填有制冷劑，所述彈性中空球體的表面與弧形夾持部表面相適配，當(dāng)活塞下移時弧形夾持部將與彈性中空球體表面接觸使得三通管的其中一路管路與低壓排氣通道連通。
[0013]本發(fā)明的控制方法如下:高壓氦氣由進氣管通入高壓腔內(nèi)并逐漸充滿腔體，同時部分高壓氦氣由填充腔體的開口進入并充滿填充腔體和波紋管，電機驅(qū)動活塞向下運動，活塞受到電機和高壓氦氣的合力，一方面減輕電機的負(fù)荷，另一方面提高對活塞的驅(qū)動力，波紋管一方面在活塞上下運動的時候提供緩沖力，另一方面可以將進入填充腔和波紋管內(nèi)的高壓氦氣在活塞上移的時候推至高壓腔內(nèi)，維持高壓腔的氣壓穩(wěn)定;高壓氦氣由高壓進氣通道進入氣缸與活塞之間的空間即低壓腔內(nèi)，經(jīng)過膨脹做功后得高壓氦氣變?yōu)榈蛪汉?，通過冷頭換熱器作為冷源輸出；當(dāng)活塞向下至弧形夾持部與彈性中空球體接觸時，彈性中空球體受壓變形，三通管吸入低壓腔內(nèi)的低壓氦氣，并由正對弧形夾持部的一路管路向低壓排氣通道排入低壓氦氣，低壓氦氣最終由柔性排氣管返回氦壓縮機內(nèi)，形成一個氦氣回流的工作循環(huán)，當(dāng)彈性中空球體發(fā)生形變至一定程度后活塞運行到下止點不再下移，彈性中空球體回復(fù)到初始狀態(tài)。作為三通管的一個變形，也可以在彈性中空球體內(nèi)開設(shè)有若干個通道，并使得其中一個通道正對弧形夾持部。
[0014]本發(fā)明的創(chuàng)新點在于采用多動力源即電機+高壓氦氣來驅(qū)動活塞運動，取消了使用氣動GM制冷機需要高壓氣源和低壓氣源的弊端，簡化了制冷機的整體結(jié)構(gòu)；高壓進氣通道和低壓排氣通道獨立，避免高壓氦氣和低壓氦氣的混流，進而提高對冷頭換熱器的熱傳遞效率，提高冷頭換熱器作為冷源時的響應(yīng)時間；彈性中空球體一方面可以避免活塞上下運動時對氣缸產(chǎn)生不良振動，改變以往的活塞與氣缸的剛性接觸為活塞與彈性中空球體的彈性接觸，提高膨脹機運行的可靠性，另一方面彈性中空球體內(nèi)的制冷劑可以對低壓氦氣進行二次制冷，在彈性中空球體的反復(fù)形變做功中對低壓腔釋放冷卻后的低壓氦氣，進一步降低低壓腔的環(huán)境溫度，加大對冷頭換熱器的冷量輸出。
[0015]為了進一步提高膨脹機的膨脹壓縮效率，本發(fā)明的一個優(yōu)選例是活塞與氣缸之間適配有活塞密封圈，所述活塞密封圈下方的活塞與氣缸之間充填有回?zé)岵牧?，回?zé)岵牧峡梢跃S持高壓腔與低壓腔的壓力差在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。
[0016]高壓進氣通道可以是L型，起于活塞頂部，終于活塞側(cè)壁，可以有一個位于活塞一側(cè)，也可以有2個位于活塞兩側(cè)。
[0017]為了確保彈性中空球體與弧形夾持部的良好配合，氣缸底部最好開設(shè)有用于安置彈性中空球體的限位槽，使得彈性中空球體相對于弧形夾持部的位置固定，確保每一處活塞向下運動時弧形夾持部都能將彈性中空球體夾持其中。
[0018]為了提高電機的利用效率，本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例是冷頭換熱器外側(cè)可以固接有溫度傳感器17，所述溫度傳感器通過溫控儀18與氦壓縮機信號連接，所述氦壓縮機通過變頻器19與電機信號連接。當(dāng)制冷機從室溫至15K時，溫度傳感器將實時溫度通過溫控儀傳遞給氦壓縮機一個開關(guān)量，氦壓縮機通過變頻器給電機驅(qū)動信號使其采用120rpm的頻率，當(dāng)溫度在15K以下并帶載工作時，電機采用60rpm的頻率;高溫區(qū)高頻率工作時有利于縮短降溫時間，低溫區(qū)低頻率工作時有利于制冷機溫度更低，同時可延長制冷機的工作壽命。使得電機在不同的溫度條件下以不同的轉(zhuǎn)速驅(qū)動活塞。
【主權(quán)項】
1.高增益節(jié)能式深冷機，它包括氦壓縮機(I)和膨脹機，其特征是所述膨脹機包括通過進氣管(2)與氦壓縮機連通的高壓腔(3)，所述高壓腔末端固接有帶有冷頭換熱器(4)的氣缸(5)，所述高壓腔內(nèi)置有由電機(6)和傳動軸(7)驅(qū)動的開口正對進氣管的填充腔體(8)，所述填充腔體末端通過波紋管(9)固接有可在氣缸內(nèi)上下移動的活塞(10)，所述活塞內(nèi)開設(shè)有高壓進氣通道(11)和低壓排氣通道(12)，所述高壓進氣通道一端與波紋管連通，另一端與氣缸側(cè)壁連通，所述低壓排氣通道一端向上延伸依次穿過填充腔體和高壓腔與氦壓縮機連通形成柔性排氣管(13)，另一端向下延伸并在活塞底部形成弧形夾持部(14)，所述氣缸底部安置有彈性中空球體(15)，所述彈性中空球體內(nèi)預(yù)裝有三通管(16)，所述彈性中空球體內(nèi)和三通管之間充填有制冷劑，所述彈性中空球體的表面與弧形夾持部表面相適配，當(dāng)活塞下移時弧形夾持部將與彈性中空球體表面接觸使得三通管的其中一路管路與低壓排氣通道連通。2.如權(quán)利要求1所述的高增益節(jié)能式深冷機，其特征是所述活塞與氣缸之間適配有活塞密封圈，所述活塞密封圈下方的活塞與氣缸之間充填有回?zé)岵牧稀?.如權(quán)利要求1或2所述的高增益節(jié)能式深冷機，其特征是所述氣缸底部開設(shè)有用于安置彈性中空球體的限位槽。4.如權(quán)利要求1或2所述的高增益節(jié)能式深冷機，其特征是所述冷頭換熱器外側(cè)固接有溫度傳感器(17)，所述溫度傳感器通過溫控儀(18)與氦壓縮機信號連接，所述氦壓縮機通過變頻器(19)與電機信號連接。
【文檔編號】F25B9/06GK106091461SQ201610406211
【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, 錢光輝
【申請人】銅陵海科銳科技有限公司