[实用新型]一种自由活塞式脉管制冷机

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种脉管制冷机，尤其涉及一种自由活塞式脉管制冷机。

背景技术

脉管制冷机由Gifford和Longsworth于1964年提出，它在冷端不存在运动部件，具有高可靠性和长寿命的潜在优势，经过近半个世纪的发展，脉管制冷机目前已广泛应用于航空航天、低温超导等领域。根据驱动源的不同，脉管制冷机主要分为G-M脉管制冷机（也称低频脉管制冷机）和Stirling脉管制冷机（也称高频脉管制冷机）；G-M脉管制冷机由G-M制冷机的压缩机驱动，其工作频率一般为1～2Hz，Stirling脉管制冷机由线性压缩机驱动，其工作频率一般在30Hz。

脉管制冷机虽然已在地面及空间领域得到广泛应用，但是其较低的本征效率限制了其进一步应用。理论分析指明由于脉管制冷机无法回收脉管中的膨胀功，使得该部分膨胀功以热量的形式在脉管热端耗散掉，导致脉管制冷机的本征效率（低温热源的温度/高温热源的温区）小于斯特林制冷机的效率（卡诺效率）。当前超导领域对低温制冷机有着巨大的需求，美国能源部分析报告指出为满足未来高温超导设备的冷却要求，制冷机的效率应该高于0.1（80K）。

公告号为CN100485828C的中国专利就公开了一种高温超导器件的冷却装置，包括制冷机冷头和导冷片，制冷机端挠性连接偶件与制冷机冷头上的法兰相连，超导端挠性连接偶件通通过柔性导冷带与制冷机端挠性连接偶件柔性连接，导冷杆和导冷片相连接，导冷片夹于高温超导磁体绕组之间，导冷杆置于高温超导磁体组合的外围，上、下导冷端板分别位于高温超导器件组合的上、下表面。该冷却装置适于高温超导器件的冷却，但不适于脉管制冷机，而当前脉管制冷机的效率普遍低于0.1（80K），无法满足高温超导器件冷却对高效制冷技术的要求，同时脉管制冷机在深低温，尤其在温度低于10K的温区效率极低，使得进一步提高效率成为脉管制冷机研究的热点和难点。

气凝胶是一种具有多孔结构的外表呈固体状的物质，密度极小，当前世界上最轻的气凝胶的密度仅为0.16毫克/立方厘米，同时具有非常好的弹性，可以在体积压缩至20%时恢复原状，而且具有较好的绝热性能。

实用新型内容

本实用新型提供一种自由活塞式脉管制冷机，在脉管内布置一个自由活塞系统，以使自由活塞式脉管制冷机能够回收脉管中的膨胀功，从而提高其本征效率至理想卡诺效率，且结构紧凑，以满足高温超导器件的高效冷却需求。

一种自由活塞式脉管制冷机，包括至少一个制冷单元，所述制冷单元包括依次连接的压缩装置、回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器，所述脉管内置有一个自由活塞系统，所述自由活塞系统包括自由活塞和弹簧，所述自由活塞与脉管间隙配合并通过弹簧与脉管热端换热器相连。

所述自由活塞和弹簧可采用可拆卸的机械连接或利用化学胶连接。

脉管中的自由活塞不仅可以取代脉管制冷机中的气体活塞，而且可以实现相位调节，从而省去了惯性管和气库等结构较为复杂的调相机构，使制冷机的结构更加紧凑。

为将脉管制冷机的理论效率提高至卡诺效率。作为优选，所述制冷单元为一个，所述压缩装置为低频压缩机组，低频压缩机组包括依次连接形成回路的压缩机、级后冷却器、压缩机低压控制阀和压缩机高压控制阀，压缩机低压控制阀和压缩机高压控制阀之间的管路连接所述回热器。

上述自由活塞式脉管制冷机的具体连接方式为：压缩机与级后冷却器、低压控制阀和高压控制阀依次连接形成回路，压缩机低压控制阀和压缩机高压控制阀之间的管路与回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器依次相连接，自由活塞置于脉管内并与脉管间隙配合，自由活塞通过弹簧与脉管热端换热器相连。

回热器是脉管制冷机的核心部件，减小回热器损失对提高脉管制冷机性能具有决定性的影响，而双向进气可以有效的减小通过回热器的气体流量，从而减小回热器的损失，进而提高脉管制冷机的性能。

更为优选，所述脉管热端换热器还连接有一个双向进气阀，所述双向进气阀一端与脉管热端换热器连通，双向进气阀另一端与回热器和低频压缩机组之间的管路连通。

上述自由活塞式脉管制冷机的具体连接方式为：低频压缩机组包括依次连接形成回路的压缩机、级后冷却器、压缩机低压控制阀和压缩机高压控制阀，低频压缩机组的压缩机低压控制阀和压缩机高压控制阀之间的管路与回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器依次相连接，自由活塞置于脉管内，通过弹簧与脉管热端换热器相连；所述双向进气阀一端与脉管热端换热器连通，双向进气阀另一端与回热器和低频压缩机组之间的管路连通。