本發(fā)明涉及低溫制冷機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種帶有彈簧減震的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)。

背景技術(shù)：

G-M制冷機(jī)是一種利用壓縮氣體的絕熱放氣制冷的低溫制冷機(jī)，在現(xiàn)代科技、醫(yī)學(xué)和低溫物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。G-M制冷機(jī)分為壓縮機(jī)和膨脹機(jī)兩大部分，其中壓縮部分多采用普通制冷壓縮機(jī)并配以專門的氣體凈化系統(tǒng)，從而使成本降低。按照排出器運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，G-M制冷機(jī)可分為機(jī)械傳動(dòng)式和氣動(dòng)式兩類。

如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)的膨脹機(jī)部分包括進(jìn)氣閥2、排氣閥15、氣動(dòng)腔3、推移活塞5、連桿4、氣缸11、回?zé)崞?0、排出器9和冷端換熱器13。推移活塞5在氣動(dòng)腔3內(nèi)，并與氣動(dòng)腔3壁面間隙密封，將氣動(dòng)腔3分為恒壓腔14和變壓腔6；排出器9設(shè)計(jì)成空心，回?zé)崞?0裝在排出器9內(nèi)；排出器9置于氣缸11內(nèi)，并與氣缸11內(nèi)壁面間隙密封，將氣缸11分為熱腔7和冷腔12；連桿4連接推移活塞5和排出器9；冷端換熱器13安裝于氣缸11的冷腔12末端。進(jìn)氣閥2、排氣閥15與氣缸11的熱腔7頂端連通，氣動(dòng)腔3的變壓腔6與氣缸11頂端的熱腔7連通。

氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)膨脹機(jī)在一個(gè)制冷循環(huán)中氣壓驅(qū)動(dòng)的四個(gè)過(guò)程如下：

(1)增壓過(guò)程。循環(huán)開(kāi)始，排出器9處于氣缸底部，冷腔12容積為0，熱腔7容積為V。打開(kāi)進(jìn)氣閥2，來(lái)自G-M制冷機(jī)壓縮機(jī)的高壓氣體進(jìn)入膨脹機(jī)，對(duì)氣動(dòng)腔3的變壓腔6、氣缸11的熱腔7和回?zé)崞?0進(jìn)行充氣，變壓腔6、熱腔7和回?zé)崞?0的壓力p升高。

(2)充氣過(guò)程。進(jìn)氣閥2依然開(kāi)啟，變壓腔6和氣缸11內(nèi)的壓力p繼續(xù)升高。當(dāng)變壓腔6內(nèi)壓力p高于恒壓腔14內(nèi)壓力p₀時(shí)，推移活塞5在兩側(cè)壓力差的作用下，通過(guò)連桿4帶動(dòng)排出器7以加速度a₁＝(pA_t-p₀A_t)/(m_t+m_l+m_p)向膨脹機(jī)頂端移動(dòng)，式中，A_t為推移活塞5上下頂面面積，m_t、m_l、m_p分別為推移活塞5、連桿4和回?zé)崞?0的質(zhì)量。此時(shí)，氣缸22內(nèi)熱腔7容積減小，冷腔12容積增大，高壓氣體從熱腔7經(jīng)回?zé)崞?0進(jìn)入冷腔12，氣體經(jīng)過(guò)回?zé)崞?0時(shí)，向回?zé)崽盍戏艧幔瑴囟冉档汀．?dāng)推移活塞5撞擊氣動(dòng)腔3頂時(shí)，推移活塞5和排出器9停止運(yùn)動(dòng)，氣缸11內(nèi)冷腔12容積變?yōu)閂。

(3)放氣過(guò)程。進(jìn)氣閥2關(guān)閉，排氣閥15開(kāi)啟，冷腔12中的氣體經(jīng)回?zé)崞?0向低壓回路放氣，冷腔12中氣壓降低，氣體膨脹過(guò)程制冷，制冷量從冷端換熱器輸出。

(4)排氣過(guò)程。保持排氣閥15開(kāi)啟，變壓腔6和氣缸11內(nèi)壓力p繼續(xù)下降，當(dāng)變壓腔6內(nèi)壓力p低于恒壓腔內(nèi)壓力p₀時(shí)，推移活塞5在兩側(cè)壓力差的作用下，通過(guò)連桿4帶動(dòng)排出器9以加速度a₂＝(p₀A_t-pA_t)/(m_t+m_l+m_p)向膨脹機(jī)末端移動(dòng)，將低壓氣體從冷腔12經(jīng)回?zé)崞?0推移至熱腔7，氣體經(jīng)過(guò)回?zé)崞?0時(shí)，從回?zé)崽盍衔鼰幔盍蠝囟认陆担瑲怏w溫度升高。當(dāng)排出器9撞擊氣缸11末端時(shí)，推移活塞5和排出器9停止運(yùn)動(dòng)，氣缸冷腔容積變?yōu)?。排氣閥15關(guān)閉，制冷機(jī)完成一次循環(huán)。

上述四個(gè)過(guò)程組成一個(gè)制冷循環(huán)，重復(fù)上述循環(huán)過(guò)程，氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)就能連續(xù)工作，不斷獲得制冷量。

然而，從上述過(guò)程中可以看出，推移活塞和排出器的制動(dòng)是靠加速過(guò)程中撞擊壁面實(shí)現(xiàn)的，排出器內(nèi)因存在回?zé)崞鞫|(zhì)量大，這樣的撞擊會(huì)給G-M制冷機(jī)的膨脹機(jī)部分帶來(lái)很大的震動(dòng)，造成G-M制冷機(jī)的穩(wěn)定性差，可靠性低，且易損耗，工作壽命短等缺憾。

為了解決上述問(wèn)題，一些研究者們提出減小排出器質(zhì)量和增加防震裝置的解決方法，但是減小排出器質(zhì)量不能從根源上解決撞擊造成的震動(dòng)問(wèn)題，防震裝置效果有限且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前生產(chǎn)的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)，排出器對(duì)氣缸壁的撞擊造成的震動(dòng)，仍是限制其發(fā)展的重要問(wèn)題之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開(kāi)了一種帶有彈簧減震的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)，其震動(dòng)小，調(diào)相優(yōu)，制冷機(jī)性能好。

一種帶有彈簧減震的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)，包括：

氣動(dòng)腔，進(jìn)氣口與進(jìn)氣閥和出氣閥連接；

氣缸，頂端與氣動(dòng)腔連通，底端設(shè)有冷端換熱器；

推移活塞，安裝在所述氣動(dòng)腔內(nèi)且兩者之間壁面密封，并在所述氣動(dòng)腔內(nèi)的壓差驅(qū)動(dòng)下作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；

排出器，安裝在所述氣缸內(nèi)且兩者之間壁面密封；

回?zé)崞鳎惭b在排出器內(nèi)；

連桿，連接所述推移活塞和所述排出器，所述排出器在所述推移活塞的帶動(dòng)下在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；

所述推移活塞、連桿和排出器中至少一個(gè)與所述氣動(dòng)腔和氣缸中的至少一個(gè)通過(guò)彈簧連接，所述彈簧限位所述推移活塞碰撞所述氣動(dòng)腔的端面，限位所述排出器碰撞所述氣缸的端面。

所述推移活塞所述氣動(dòng)腔分為恒壓腔和變壓腔；所述排出器將氣缸分為熱腔和冷腔。

制冷機(jī)的工作過(guò)程如下：

變壓腔內(nèi)壓力p隨進(jìn)氣閥、排氣閥的開(kāi)關(guān)而在高壓p_h和低壓p_l之間變化，恒壓腔的壓力p₀恒定不變，在推移活塞兩側(cè)形成壓力差F_p＝(p-p₀)·_t；彈簧在運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生形變，產(chǎn)生與形變長(zhǎng)度有關(guān)的彈力F_k＝f(x)，并隨運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)而變化。排出器朝某一方向的運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，壓力與彈力的合力(F_p-F_k)在運(yùn)動(dòng)方向上大于0，運(yùn)動(dòng)部件以加速度a₁＝(F_p-F_k)/(m_t+m_l+m_p)作加速運(yùn)動(dòng)；隨著運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)行程增加，彈簧的形變量x變化，彈力F_k增加，當(dāng)運(yùn)動(dòng)行程達(dá)到一定程度，彈力與壓力的合力(F_p-F_k)在運(yùn)動(dòng)方向上小于0，推移活塞和排出器以加速度a₂＝(F_k-F_p)/(m_t+m_l+m_p)作減速運(yùn)動(dòng)；到達(dá)行程終點(diǎn)時(shí)，速度減為0，停止運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)壓力發(fā)生變化，壓力與彈力的合力(F_p-F_k)在另一方向上大于0時(shí)，推移活塞與排出器開(kāi)始反方向的運(yùn)動(dòng)。彈簧在氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)的膨脹機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，起到減速制動(dòng)作用，阻止其撞擊壁面，同時(shí)輔助調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)的質(zhì)量流和壓力波相位差。

為了減小由于增加彈簧給制冷機(jī)內(nèi)增加的空體積，使排出器運(yùn)動(dòng)行程最大化，優(yōu)選的，所述彈簧為板彈簧。板彈簧簡(jiǎn)單、可靠、質(zhì)量輕，壓縮后厚度小，可保持排出器與氣缸的密封間隙，為排出器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)提供一定的剛度和行程。板彈簧的幾何形狀可通過(guò)有限元分析軟件ANSYS等進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用鈹青銅或彈簧不銹鋼等材料制造。所述板彈簧的邊緣設(shè)有多個(gè)外螺紋孔，中部設(shè)有內(nèi)螺紋孔。外螺紋孔和內(nèi)螺紋孔分別連接運(yùn)動(dòng)部件排出器或固定部件氣缸底端。螺孔位置和彈簧外徑由接口尺寸確定。

為了方便安裝和制造，優(yōu)選的，所述板彈簧的邊緣設(shè)有多個(gè)用于連接氣缸底端的外螺紋孔，所述板彈簧的中部設(shè)有多個(gè)用于連接排出器的末端的內(nèi)螺紋孔。

優(yōu)選的，所述彈簧安裝在所述的氣缸底端和所述的排出器的末端之間，直接避免排出器與氣缸末端的撞擊，以減小低溫下的震動(dòng)對(duì)制冷機(jī)帶來(lái)的不穩(wěn)定。

優(yōu)選的，所述板彈簧設(shè)有自中部向邊緣的渦旋狀彈簧臂型線，所述彈簧臂型線設(shè)有多條且沿周向均勻分布，使得板彈簧具有相當(dāng)大的徑向和軸向剛度比，保證在承受運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量時(shí)產(chǎn)生的徑向位移小于排出器和氣缸的間隙。

優(yōu)選的，所述彈簧安裝在所述的推移活塞的上端面和所述的氣動(dòng)腔的頂端之間。通過(guò)控制室溫下的推移活塞運(yùn)動(dòng)，控制低溫下的排出器運(yùn)動(dòng)而不與氣缸末端撞擊，而不改變低溫端的結(jié)構(gòu)。

為了便于安裝和制造，同時(shí)保證推移活塞的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，優(yōu)選的，所述推移活塞的上端面為圍繞所述連桿的圓環(huán)形，所述彈簧設(shè)有多個(gè)，沿著所述圓環(huán)形的上端面均勻分布。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的帶有彈簧減震的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)，通過(guò)彈簧拉力為氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)排出器制動(dòng)，而不需排出器或推移活塞撞擊氣缸壁或氣動(dòng)腔壁面，減小了氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)和噪音，提升氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。

同時(shí)利用彈簧控制排出器的運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)彈簧的彈性輔助原來(lái)的氣動(dòng)壓差調(diào)相，擴(kuò)大相位調(diào)節(jié)的范圍，提高調(diào)相的靈活度，優(yōu)化氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)的調(diào)相，從而提升制冷機(jī)的性能。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)的膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是實(shí)施例1的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)的膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是實(shí)施例2的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)的膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是優(yōu)選的板彈簧的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1、高壓氣路、2、進(jìn)氣閥，3、氣動(dòng)腔，4、連桿，5、推移活塞，6、變壓腔，7、熱腔，8、密封，9、排出器，10、回?zé)崞鳎?1、氣缸，12、冷腔，13、冷端換熱器，14、恒壓腔，15、排氣閥，16、低壓回路，17、恒壓源，18、板彈簧，19、外螺孔，20、彈簧臂型線，21、內(nèi)螺孔。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖2和3所示，本實(shí)施例的帶有彈簧減震的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)包括進(jìn)氣閥2、氣動(dòng)腔3、連桿4、推移活塞5、排出器9、氣缸11、冷端換熱器13、排氣閥15和板彈簧18。

推移活塞5置于氣動(dòng)腔3內(nèi)，并與氣動(dòng)腔3內(nèi)壁面有間隙密封，將氣動(dòng)腔3分隔為恒壓腔14和變壓腔6；排出器9設(shè)計(jì)成空心，內(nèi)部裝有回?zé)崞?0，排出器9置于氣缸11內(nèi)，并與氣缸11內(nèi)壁面之間有密封8，將氣缸11分隔為熱腔7和冷腔12。所述進(jìn)氣閥2入口和排氣閥15出口分別連通G-M制冷機(jī)壓縮機(jī)的高壓氣路1和低壓回路16，進(jìn)氣閥2出口和排氣閥15入口連通氣動(dòng)腔3的變壓腔6和氣缸11的熱腔7，并經(jīng)排出器9、回?zé)崞?0與冷腔12連通。氣動(dòng)腔3的恒壓腔14與恒壓源17連通，并保持壓力p₀恒定不變。連桿4連接氣動(dòng)腔3內(nèi)的推移活塞5和氣缸11內(nèi)的排出器9；冷端換熱器13安裝于氣缸11的冷腔12末端；板彈簧18的內(nèi)螺孔21和外螺孔19分別連接排出器9末端或氣缸11的冷腔12底端。

按上述流程及要求安裝系統(tǒng)，并對(duì)制冷機(jī)內(nèi)工質(zhì)進(jìn)行純化處理后，打開(kāi)進(jìn)氣閥2和排氣閥15的控制電源，使其按G-M制冷機(jī)工作頻率運(yùn)行，打開(kāi)G-M制冷機(jī)壓縮機(jī)的電源，為制冷機(jī)輸送高壓氣體，G-M制冷機(jī)開(kāi)始工作。本實(shí)施例的利用板彈簧18減震的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)的膨脹機(jī)在一個(gè)制冷循環(huán)中氣壓驅(qū)動(dòng)的四個(gè)過(guò)程如下：

(1)增壓過(guò)程。循環(huán)開(kāi)始，恒壓腔14內(nèi)壓力p₀大于變壓腔6和氣缸11內(nèi)壓力p_l，推移活塞5受到恒壓腔14向變壓腔6方向的壓力F_p0＝(p₀-p_l)A_t；板彈簧18處于壓縮狀態(tài)，壓縮長(zhǎng)度為x₀，排出器9受到向氣缸11的熱腔7頂端方向的彈力F_k0＝f(x₀)；作用于推移活塞5、連桿4和排出器9的氣壓壓力F_p0大于彈簧彈力F_k0，因此，排出器9靜止于氣缸11末端，冷腔12容積為0，熱腔7容積為V。打開(kāi)進(jìn)氣閥2，來(lái)自G-M制冷機(jī)壓縮機(jī)的高壓氣體進(jìn)入膨脹機(jī)，對(duì)氣動(dòng)腔3的變壓腔6、氣缸11的熱腔7和回?zé)崞?0進(jìn)行充氣，變壓腔6、熱腔7和回?zé)崞?的壓力p升高。

(2)充氣過(guò)程。進(jìn)氣閥2依然開(kāi)啟，變壓腔6和氣缸11內(nèi)的壓力p升高，推移活塞5所受壓力F_p＝(p₀-p)A_t減小，當(dāng)氣壓壓力F_p小于彈簧彈力F_k0時(shí)，推移活塞5、連桿4和排出器9以初始加速度a₀＝(F_k0-F_p)/(m_t+m_l+m_p)向膨脹機(jī)頂端移動(dòng)。變壓腔6和氣缸11內(nèi)的壓力p增大至大于恒壓腔14內(nèi)壓力p₀，推移活塞5受到的壓力F_p＝(p-p₀)A_t方向改由變壓腔6向恒壓腔14方向；隨著排出器9的運(yùn)動(dòng)，板彈簧19的壓縮量x減小，彈簧彈力F_k＝f(x)減小，隨后板彈簧18開(kāi)始被拉伸x長(zhǎng)度，排出器9受到向氣缸11的冷腔12末端方向的彈力F_k＝f(x)并且彈力在增長(zhǎng)；當(dāng)彈簧彈力F_k大于氣壓壓力F_p，推移活塞5、連桿4和排出器9以加速度a＝(F_k-F_p)/(m_t+m_l+m_p)向膨脹機(jī)頂端作減速運(yùn)動(dòng)。到達(dá)頂端時(shí)，推移活塞5、連桿4和排出器9的速度減小為0，排出器9運(yùn)動(dòng)行程達(dá)到其最大值(x₁+x₀)，板彈簧18被拉伸x₁，排出器9受到彈力F_k1＝f(x₁)向氣缸11內(nèi)冷腔12的末端方向；變壓腔6和氣缸11內(nèi)壓力繼續(xù)增大達(dá)到最大值p_h，推移活塞5受到由變壓腔6向恒壓腔14方向的壓力F_p1＝(p_h-p₀)A_t；作用于推移活塞5、連桿4和排出器9的氣壓壓力F_p1大于彈簧彈力F_k1，因此，排出器9保持靜止于氣缸11頂端，冷腔12的容積變?yōu)閂。這個(gè)過(guò)程中，氣缸11內(nèi)熱腔7容積減小，冷腔12容積增大，高壓氣體從熱腔7經(jīng)回?zé)崞?0進(jìn)入冷腔12，氣體經(jīng)過(guò)回?zé)崞?0時(shí)，向回?zé)崽盍戏艧幔瑴囟冉档汀?/p>

(3)放氣過(guò)程。進(jìn)氣閥2關(guān)閉，排氣閥15開(kāi)啟，冷腔12中的氣體經(jīng)回?zé)崞?0向低壓回路16放氣，冷腔12中壓力降低，氣體膨脹過(guò)程制冷，制冷量從冷端換熱器輸出。此時(shí)推移活塞5受到由變壓腔6向恒壓腔14方向的壓力F_p＝(p-p₀)A_t大于向氣缸11內(nèi)冷腔12末端方向的彈簧彈力F_k1＝f(x₁)，排出器9保持靜止于氣缸11頂端。

(4)排氣過(guò)程。保持排氣閥15開(kāi)啟，變壓腔6和氣缸11內(nèi)壓力p繼續(xù)下降，推移活塞5受到由變壓腔6向恒壓腔14方向的壓力F_p＝(p-p₀)A_t減小，當(dāng)氣壓壓力F_p小于彈簧彈力F_k1時(shí)，推移活塞5在兩側(cè)壓力差的作用下，推移活塞5、連桿4和排出器9以初始加速度a₁＝(F_k1-F_p)/(m_t+m_l+m_p)向膨脹機(jī)末端移動(dòng)。變壓腔6和氣缸11內(nèi)的壓力p減小至小于恒壓腔14內(nèi)壓力p₀，推移活塞5受到的壓力F_p＝(p₀-p)A_t方向改由恒壓腔14向變壓腔6方向；隨著排出器9的運(yùn)動(dòng)，板彈簧18的拉伸量x減小，彈力F_k＝f(x)減小，隨后板彈簧18開(kāi)始被壓縮x長(zhǎng)度，排出器9受到向氣缸11的熱腔7頂端方向的增長(zhǎng)的彈力F_k＝f(x)；當(dāng)彈簧彈力F_k大于氣壓壓力F_p，推移活塞5、連桿4和排出器9以加速度a＝(F_k-F_p)/(m_t+m_l+m_p)向膨脹機(jī)末端作減速運(yùn)動(dòng)。到達(dá)末端時(shí)，推移活塞5、連桿4和排出器9的速度減小為0，排出器9回到最初的位置，板彈簧18被壓縮長(zhǎng)度x₀，彈力F_k0＝f(x₀)；變壓腔6和氣缸11內(nèi)壓力繼續(xù)減小達(dá)到最小值p_l，推移活塞5受到由恒壓腔14向變壓腔6方向的壓力F_p0＝(p₀-p_l)A_t，作用于推移活塞5、連桿4和排出器9的氣壓壓力F_p0大于彈簧彈力F_k0，因此，排出器9靜止于氣缸11末端，冷腔容積變?yōu)?。這個(gè)過(guò)程中，排出器9將低壓氣體從冷腔12經(jīng)回?zé)崞?0推移至熱腔7，氣體經(jīng)過(guò)回?zé)崞?0時(shí)，從回?zé)崽盍衔鼰幔盍蠝囟认陆担瑲怏w溫度升高。

上述四個(gè)過(guò)程組成一個(gè)制冷循環(huán)，重復(fù)上述循環(huán)過(guò)程，排出器連接彈簧的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)就能連續(xù)工作，不斷獲得制冷量。

實(shí)施例2

如圖4所示，本實(shí)施例的帶有彈簧減震的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)，除了板彈簧18的數(shù)量以及安裝位置不同以外，其余都與實(shí)施例1相同。

本實(shí)施例的帶有彈簧減震的氣動(dòng)式G-M制冷機(jī)中，板彈簧18設(shè)有多個(gè)，設(shè)置在推移活塞5的上端面與氣動(dòng)腔3頂端之之間。

本實(shí)施例的工作過(guò)程與實(shí)施例1基本一致，其不同之處在于，板彈簧18被壓縮時(shí)，作用于推移活塞5上的彈力朝向變壓腔6方向，板彈簧18被拉伸時(shí)，作用于推移活塞5上的彈力朝向恒壓腔14方向，即板彈簧18的壓縮與拉伸過(guò)程與實(shí)施例1相反。

本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。