CN107024020B - 一种并联式脉管机器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联式脉管机器，该脉管机器包括压缩机及固定部，所述的压缩机中设有n个工作腔，所述的固定部包括气库、惯性管、脉管、第一换热器、第二换热器以及N个并联设置在第一换热器与第二换热器之间的回热器，n及N均为≥1的整数；其中，每个回热器的两端分别与一个公用的压缩机的工作腔连通；或者，每个回热器的一端与相应的一个压缩机的工作腔连通，另一端与一个公用的压缩机的工作腔连通；或者，每个回热器的一端与相应的一个压缩机的工作腔连通，另一端与相应的另一个压缩机的工作腔连通。与现有技术相比，本发明整体结构简单，可根据不同工况进行相应的扩大或缩小，经济实用，操作便捷。

Description

一种并联式脉管机器

技术领域

本发明属于低温制冷机领域，涉及一种并联式脉管机器。

背景技术

脉管制冷机是20世纪60年代由美国的Gifford和Longthworth共同的提出的，在航天、军事等方面有广泛的应用前景。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。

然而，无论是双向进气型还是惯性管型脉管制冷机，其膨胀功无法被回收，耗散在惯性管或者气库中，这决定了其理论效率

小于卡诺效率这是脉管制冷机的先天不足。另一方面，现有斯特林脉管制冷机冷量无法做的很大，其原因是脉管制冷机功率做大时，频率需要很高，此时，回热器直径变大，长度变小，回热不均匀且脉管内的层流无法保证。

脉管制冷机现已在航空航天方面得到应用，其特点是小冷量、长寿命。但是，脉管的流动特性以及其本征效率限制了它向大冷量高温区方面应用的拓展。如果能将其膨胀功回收，并且提高其制冷量，则脉管制冷机的应用将会得到大大拓展。

针对上述问题，授权公告号为CN 102506513 B的中国发明专利公布了一种用排出器连接的斯特林型脉管制冷机，第一级脉管制冷机冷端与排出器一端相连，排出器另一端与第二级脉管制冷机室温端相连，第二级脉管制冷机为一个或多个，所述的多个为并联或者串联；第一级脉管制冷机包括顺次相连的室温端换热器、回热器和冷端换热器，排出器分为自由单活塞式、单活塞支撑式和双活塞支撑式，自由单活塞式只有活塞，单活塞支撑式活塞在弹性部件的一侧，活塞上设有连杆并与弹性部件相连，双活塞支撑式活塞在弹性部件的两侧，两活塞之间设有连杆并与弹性部件相连。为了增大制冷量，上述专利公布了采用两个冷头并联的方式，并用推移活塞来回收膨胀功，但这个方式采用的推移活塞是一个运动部件，使得制冷机的结构较为复杂，不利于降低经济成本。

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能够回收膨胀功，能有效增大制冷功率并能提高制冷效率的并联式脉管机器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种并联式脉管机器，该脉管机器包括压缩机及固定部，所述的压缩机中设有n个工作腔，所述的固定部包括气库、惯性管、脉管、第一换热器、第二换热器以及N个并联设置在第一换热器与第二换热器之间的回热器，n及N均为≥1的整数；

其中，每个回热器的两端分别与一个公用的压缩机的工作腔连通；

或者，每个回热器的一端与相应的一个压缩机的工作腔连通，另一端与一个公用的压缩机的工作腔连通；

或者，每个回热器的一端与相应的一个压缩机的工作腔连通，另一端与相应的另一个压缩机的工作腔连通。

作为优选的技术方案，所述的压缩机为阶梯式压缩机。

所述的n个工作腔互不相通。

作为优选的技术方案，所述的固定部由气库、惯性管、脉管、第一换热器、N个第二换热器以及与N个第二换热器一一对应并相互并联设置在第一换热器与第二换热器之间的回热器组成，N为≥1的整数，并且每个回热器的一端通过相应的第二换热器与相应的一个压缩机的工作腔连通，所述的气库与一个公用的压缩机的工作腔连通。

作为进一步优选的技术方案，所述的固定部由一个气库、一个惯性管、N个脉管以及与N个脉管一一对应并相互并联设置的第一换热器、第二换热器以及设置在第一换热器与第二换热器之间的回热器组成，N为≥1的整数，每个脉管与相应的第一换热器、回热器及第二换热器共同构成一个子组件，并且每个脉管的一端均分别与惯性管相连通，每个回热器的一端通过相应的第二换热器与相应的一个压缩机的工作腔连通，所述的气库与一个公用的压缩机的工作腔连通。

作为进一步优选的技术方案，所述的固定部由一个气库、一个惯性管、一个脉管、一个第一换热器、N个第二换热器以及与N个第二换热器一一对应并相互并联设置在第一换热器与第二换热器之间的回热器组成，N为≥1的整数，每个回热器的一端通过相应的第二换热器与相应的一个压缩机的工作腔连通，所述的气库与一个公用的压缩机的工作腔连通。

作为优选的技术方案，所述的固定部由N个相互并联设置的子组件组成，N为≥1的整数，每个子组件均由气库、惯性管、脉管、第一换热器、回热器及第二换热器构成，并且每个子组件中的回热器的两端分别通过第二换热器、气库与一个公用的压缩机的工作腔连通。

作为优选的技术方案，所述的固定部由N个相互并联设置的子组件组成，N为≥1的整数，每个子组件均由气库、惯性管、脉管、第一换热器、回热器及第二换热器构成，并且每个子组件中的回热器的一端通过第二换热器与一个公用的压缩机的工作腔连通，另一端通过气库与相应的一个压缩机的工作腔连通。

所述的第二换热器通过惯性管与压缩机的工作腔连通。

所述的并联式脉管机器用于制冷机、热发动机、冷发动机或热泵。

在实际应用过程中，当压缩机为阶梯式压缩机时，阶梯式压缩机的阶梯活塞在直线电机的带动下做往复运动，阶梯式压缩腔的容积周期性变化，从而使其内部的气体周期性变化，使气体周期性地流入、流出回热器；同时，膨胀腔的容积也呈周期性变化，由于第二换热器处的气体压力波的相位角与连接管处气体压力波的相位角相差180°，故可回收这部分的膨胀功。由此可见，本发明可以利用阶梯式压缩机驱动不同脉管以达到增大脉管制冷机制冷量的效果，并且回收脉管的膨胀功，提高工作效率。

本发明的结构设计中，由于压缩机中的n个工作腔互不相通，对于气体来说，只能在并联式脉管机器内来回流动，无法形成某一个方向的直流，因此，能够利用阶梯式活塞和气缸来避免形成直流。

本发明并联式脉管机器在实际应用时，可通过调整个压缩机的工作腔的容积，该机器可作为冷发动机，此时，第一换热器放热，第二换热器吸热，从而利用冷源冷能对外做功；如果第一换热器的温度高于第二换热器，通过调整各个压缩机的工作腔的容积，该机器可为发动机，此时，第一换热器吸热，第二换热器放热；如果第一换热器的温度高于第二换热器，通过调整各个压缩机的工作腔的容积，该机器可为热泵，此时，第一换热器放热，第二换热器吸热。

与现有技术相比，本发明整体结构简单，可根据不同工况进行相应的扩大或缩小，经济实用，操作便捷，本发明通过带有多个阶梯式压缩腔的压缩机来驱动多个并联的脉管，使单个脉管的直径减小，并通过连接管回收脉管的膨胀功，以此来增大功率，并能显著提高工作效率，同时，本发明利用多个脉管并联可以在增大制冷量的情况下，不增加回热器的直径，进而有效避免回热器内部温度分布不均匀的现象，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4为本发明实施例4的结构示意图；

图5为本发明实施例5的结构示意图；

图6为本发明实施例6的结构示意图；

图中标记说明：

11/12/13/14/—冷头、111/121/131/141—第一连接管、112/122/132/142—热端换热器、113/123/133/143—回热器、114/124/134/144—冷端换热器、115/125/135/145—脉管、116/126/136/146—脉管热端换热器、137—第三连接管、2—惯性管、2a—第一惯性管、2b—第二惯性管、3—气库、3a—第一气库、3b—第二气库、4—压缩机、41/42—阶梯式压缩机、411/421—直线电机、412/422—n级阶梯活塞、413/423—膨胀腔、414/424—n级阶梯气缸、415/416/425/426—压缩腔、43—第二连接管、44—连接管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

下述实施例中，冷端换热器可看作为第一换热器，热端换热器可看作为第二换热器，压缩腔可看作工作腔。

实施例1：

如图1所示，并联式脉管制冷机，由冷头11、冷头14、惯性管2、气库3及压缩机4组成。压缩机4由阶梯式压缩机41、阶梯式压缩机42、第二连接管43和连接管44组成。

冷头11由第一连接管111，热端换热器112，回热器113，冷端换热器114，脉管115和脉管热端换热器116顺次连接而成，气体可在各部件内自由流动。

冷头14由第一连接管141，热端换热器142，回热器143，冷端换热器144，脉管145和脉管热端换热器146顺次连接而成，气体可在各部件内自由流动。

冷头11和冷头14与惯性管2、气库3顺次相连，并通过连接管44与膨胀腔413相连。

阶梯式压缩机41包括直线电机411、n级阶梯活塞412、膨胀腔413、n级阶梯气缸414及压缩腔415，其中，压缩腔415和膨胀腔413之间气体互不相通。膨胀腔413通过第二连接管43与膨胀腔423相通。

阶梯式压缩机42包括直线电机421、多级阶梯活塞422、膨胀腔423、多级阶梯气缸424及压缩腔425，其中，压缩腔425和膨胀腔423之间气体互不相通。

当n级阶梯活塞412、n级阶梯活塞422在直线电机411、直线电机421的带动下做往复运动时，压缩腔415、压缩腔425的容积周期性变化，从而使其内部的气体周期性变化，使气体周期性地分别通过第一连接管111、第一连接管141流入流出冷头11及冷头14，并在冷端换热器114、冷端换热器144处产生制冷量；同时，膨胀腔413、膨胀腔423的容积周期性变化，由于热端换热器112、热端换热器142处气体压力波的相位角与连接管44处气体压力波的相位角相差180°，故可回收这部分的膨胀功，进而实现利用阶梯式压缩机驱动不同冷头以达到增大脉管制冷机制冷量的效果，并且回收冷头的膨胀功，提高脉管制冷机的制冷效率。

实施例2：

如图2所示，并联式脉管制冷机，在实施例1基础上将n级阶梯活塞412、n级阶梯活塞422分别增加了一级阶梯，相应地，阶梯式压缩机41、阶梯式压缩机42分别增加了压缩腔416、压缩腔426，对应地增加了冷头12和冷头13。

其中，冷头12由第一连接管121、热端换热器122、回热器123、冷端换热器124、脉管125和脉管热端换热器126顺次连接而成，气体可在各部件内自由流动。

冷头13由第一连接管131、热端换热器132、回热器133、冷端换热器134、脉管135和脉管热端换热器136顺次连接而成，气体可在各部件内自由流动。

冷头11、冷头12、冷头13及冷头14共用一个惯性管2及气库3，其余同实施例1。

实施例3：

如图3所示，并联式脉管制冷机，在实施例1基础上将两个两级阶梯式压缩机换成一个三级阶梯式压缩机，故本实施例中，阶梯式压缩机41具有压缩腔415和压缩腔416以及膨胀腔413，并由压缩腔415、压缩腔416来驱动冷头13和冷头14，压缩腔415通过第一连接管141与冷头14相连通，压缩腔416通过第一连接管131与冷头13相连通。

其余同实施例1。

实施例4：

如图4所示，并联式脉管制冷机，在实施例3基础上，将冷头14的脉管145和脉管热端换热器146去掉，利用第三连接管137将冷头14的冷端换热器144与冷头13的冷端换热器134相连。随压缩腔415容积周期性地变化，气体周期性地流经第一连接管141、热端换热器142、回热器143及冷端换热器144，并通过第三连接管137进入冷头13，与冷头13内的气体混合后，一起流经脉管135和脉管热端换热器136。

其余同实施例3。

实施例5：

如图5所示，并联式脉管制冷机，在实施例3的基础上，将三级阶梯式压缩机换成一个四级阶梯式压缩机，并采用第一惯性管2a、第一气库3a将冷头13与膨胀腔413相连通，采用第二惯性管2b、第二气库3b将冷头14与膨胀腔423相连通，即实现每一级冷头单独连接一个惯性管和气库。

其余同实施例3。

实施例6：

如图6所示，并联式脉管制冷机，在实施例3的基础上，将第一连接管131及第一连接管141一起连接至压缩腔415，使得冷头13与冷头14共用一个压缩腔415，并采用第一惯性管2a、第一气库3a将冷头13与膨胀腔413相连通，采用第二惯性管2b、第二气库3b将冷头14与膨胀腔423相连通，即实现多级冷头共用一个压缩腔，同时，每一级冷头单独连接一个惯性管和气库。

其余同实施例3。

由于本发明并联式脉管机器是一种可逆热机，即膨胀功可回收，因此，可应用于热发动机、冷发动机、制冷机、热泵模式。

如果冷端换热器的温度低于热端换热器的温度，通过调整回热器两端的工作腔的容积比该机器可作为冷发动机使用；这时，冷端换热器放热，热端换热器吸热。

如果冷端换热器的温度高于热端换热器的温度，通过调整回热器两端的工作腔的容积比该机器可作为发动机或热泵使用；做发动机使用时，冷端换热器吸热，热端换热器放热。做热泵使用时，冷端换热器放热，热端换热器吸热。

由于该机器有多个冷头，每个冷头可工作在不同工作模式，因而可让该机器工作在混合模式。比如一个脉管单元工作在热发动机模式，利用高温热源做功，另一个脉管单元工作在热泵模式，消耗所做的功，这时，机器少输出功，或需输入小量的功。或热发动机，冷发动机，制冷机，热泵工作模式的组合。

如果各个脉管单元的回热器的两端分别与一个公共的工作腔连接，这时，工作腔为两个，很简单，但会在各个回热器间产生串气，从而产生DC气流，影响制冷效果。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种并联式脉管机器，其特征在于，该脉管机器包括压缩机及固定部，所述的压缩机中设有n个工作腔，所述的固定部包括气库、惯性管、脉管、第一换热器、第二换热器以及N个并联设置在第一换热器与第二换热器之间的回热器，n及N均为≥1的整数；

其中，每个回热器的一端通过相应的第二换热器与相应的一个压缩机的工作腔连通，回热器的另一端与第一换热器连接，第一换热器依次连接脉管、惯性管及气库，

所述的气库与一个公用的或者另外设置的压缩机的工作腔连通。

2.根据权利要求1所述的一种并联式脉管机器，其特征在于，所述的压缩机为阶梯式压缩机。

3.根据权利要求1所述的一种并联式脉管机器，其特征在于，所述的n个工作腔互不相通。

4.根据权利要求1所述的一种并联式脉管机器，其特征在于，所述的固定部由气库、惯性管、脉管、第一换热器、N个第二换热器以及与N个第二换热器一一对应并相互并联设置在第一换热器与第二换热器之间的回热器组成，N为≥1的整数，并且每个回热器的一端通过相应的第二换热器与相应的一个压缩机的工作腔连通，所述的气库与一个公用的压缩机的工作腔连通。

5.根据权利要求4所述的一种并联式脉管机器，其特征在于，所述的固定部由一个气库、一个惯性管、N个脉管以及与N个脉管一一对应并相互并联设置的第一换热器、第二换热器以及设置在第一换热器与第二换热器之间的回热器组成，N为≥1的整数，每个脉管与相应的第一换热器、回热器及第二换热器共同构成一个子组件，并且每个脉管的一端均分别与惯性管相连通，每个回热器的一端通过相应的第二换热器与相应的一个压缩机的工作腔连通，所述的气库与一个公用的压缩机的工作腔连通。

6.根据权利要求4所述的一种并联式脉管机器，其特征在于，所述的固定部由一个气库、一个惯性管、一个脉管、一个第一换热器、N个第二换热器以及与N个第二换热器一一对应并相互并联设置在第一换热器与第二换热器之间的回热器组成，N为≥1的整数，每个回热器的一端通过相应的第二换热器与相应的一个压缩机的工作腔连通，所述的气库与一个公用的压缩机的工作腔连通。

7.根据权利要求1所述的一种并联式脉管机器，其特征在于，所述的固定部由N个相互并联设置的子组件组成，N为≥1的整数，每个子组件均由气库、惯性管、脉管、第一换热器、回热器及第二换热器构成，并且每个子组件中的回热器的两端分别通过第二换热器、气库与一个公用的压缩机的工作腔连通。

8.根据权利要求1所述的一种并联式脉管机器，其特征在于，所述的固定部由N个相互并联设置的子组件组成，N为≥1的整数，每个子组件均由气库、惯性管、脉管、第一换热器、回热器及第二换热器构成，并且每个子组件中的回热器的一端通过第二换热器与一个公用的压缩机的工作腔连通，另一端通过气库与相应的一个压缩机的工作腔连通。

9.根据权利要求1至8任一项所述的一种并联式脉管机器，其特征在于，所述的第二换热器通过惯性管与压缩机的工作腔连通。

10.根据权利要求1至8任一项所述的一种并联式脉管机器，其特征在于，所述的并联式脉管机器用于制冷机、热发动机、冷发动机或热泵中的一种或多种。

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