CN103062952A - 一种脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机，包括斯特林制冷单元和脉管制冷单元，所述斯特林制冷单元和脉管制冷单元之间通过气耦合连接且由同一线性压缩机驱动，且斯特林制冷单元的气缸的开口部位与脉管制冷单元冷端换热器密封固定；所述斯特林制冷单元内的排出器装有回热填料的端部依次穿过热端换热器、脉管制冷机单元的第一级脉管制冷机回热器和第一级冷端换热器，并置于所述气缸内；所述排出器与第一级脉管制冷机回热器同轴设置，且滑动配合。本发明兼顾各级的性能，可以获得更优的性能和更高的可靠性；与现有多级脉管制冷机相比，本发明可以通过排出器的控制在冷端获得更大的压比，从而可以获得更低的制冷温度和更大的制冷量。

Description

一种脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机

技术领域

本发明涉及一种复合型制冷机，具体是涉及一种脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机。

背景技术

回热式制冷技术是低温制冷技术的一个重要分支，与其他制冷技术相比，由于采用了填充有高体积比热容填料的回热器，回热式制冷技术具有效率高、结构紧凑、可获得深低温(液氦温区)等优点，目前在军国防军事、能源医疗、低温物理等领域得到广泛应用。

斯特林制冷机和脉管制冷机是两种典型的回热式低温制冷机，目前它们已广泛应用于空间任务中，但是该两种机型目前仅在80K和35K温区发展相对成熟，而在10K及以下温区仍存在较大的技术困难，这使得低温温区高效回热制冷机成为当前低温制冷领域的研究难点和热点。

为获得10K以下的制冷温度，斯特林制冷机必须采用3级甚至更多级的结构，而过多的级数导致其排出器过长，由于斯特林膨胀机中的排出器和气缸之间采用间距极小(约10μm)的间隙密封，同时由于排出器跨越温区大，材料物性变化剧烈，导致过长的排出器无法保证活塞和气缸之间的间隙，极易造成磨损，导致无法获得高可靠性和长寿命，从而其应用限制在20K以上温区和两级结构。同时，理论分析表明对于回热式制冷机而言，不同制冷温区对应的最优运行参数也不同，如充气压力等参数，所以对于多级斯特林制冷机而言，为获得更低的制冷温度和更大的制冷量，在多级斯特林制冷机的设计和优化中无法兼顾各级的性能，即无法保证每一级均工作在最优的工况下，所以只能牺牲高温级的性能来保证低温级性能的实现，从而限制了多级斯特林制冷机效率的进一步提高。

与斯特林制冷机相比，脉管制冷机由于在低温下不存在运动部件，具有更高的可靠性，而且多级结构的设计和制造更为方便，使脉管制冷机在空间探测领域得到了广泛应用。冷端压比是回热式制冷机中一个具有决定性作用的参数，在一定的回热器几何尺寸范围内，回热式制冷机的性能随着冷端压比的增大而显著增大。但是，由于缺乏类似于斯特林制冷机中的排除器的主动调相方式，加之回热器中密实的回热填料带来的较大的压力损失，导致脉管制冷机无法在其冷端获得较大的压比，从而使脉管制冷机也无法高效地获得低于10K的制冷温度，为获得10K及以下的制冷温度，脉管制冷机一般需要采用三级的结构，而获得4K温区的制冷温度则需要四级及更多级的结构，同时必须采用昂贵的氦-3气体作为制冷工质。

如上所述，当前斯特林制冷机和脉管制冷机均无法高效地获得低于10K的制冷温度，其主要原因是多级斯特林制冷机由于要保证低温级性能的实现而牺牲了高温级的性能，脉管制冷机由于缺乏主动调相机构和回热器中较大的压力损失，导致无法在冷端获得较大的压比，从而使其无法高效地获得较低的制冷温度。

发明内容

本发明提供了一种脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机，针对当前斯特林制冷机和脉管制冷机均无法高效获得低于10K制冷温度的技术困难，该制冷机可以兼顾各级的性能，同时避免了排出器长度过大导致间隙密封无法保证的技术难题，从而可以获得更优的性能和更高的可靠性。

一种脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机，包括斯特林制冷单元和脉管制冷单元，所述斯特林制冷单元和脉管制冷单元之间通过气耦合连接且由同一线性压缩机驱动，且斯特林制冷单元的气缸的开口部位与脉管制冷单元冷端换热器密封固定；所述斯特林制冷单元内的排出器装有回热填料的端部依次穿过热端换热器、脉管制冷机单元的第一级脉管制冷机回热器和第一级冷端换热器，并置于所述气缸内；所述排出器与第一级脉管制冷机回热器同轴设置，且滑动配合。

斯特林制冷机的冷腔中存在一个可主动控制的排除器，通过相关驱动部件的控制可以实现排除器行程的控制，从而可以在相当大的程度上弥补回热器中密实回热填料带来的压力损失，从而在斯特林制冷机的冷端获得较大的压比，而冷端压比对回热式制冷机而言是一个非常重要的决定性参数，大的冷端压比可以带来较优的性能，而脉管制冷机采用被动式调相结构，不存在运动部件，可以较为方便地布置在不同的温区，所以将脉管制冷机和斯特林制冷机进行耦合，其中脉管制冷机作为第一级，斯特林制冷机作为第二级，那么便可以利用两者的优点，使第一级脉管制冷机工作在最优状态，而第二级斯特林制冷机在其冷端获得较大的压比，解决了多级斯特林制冷机无法兼顾各级性能和脉管制冷机压力损失大无法获得较大冷端压比的缺点，进而采用两级结构高效地获得低于10K的制冷温度。

所述脉管制冷单元可选用单级或者多级结构的脉管制冷机结构，为便于设备的布置和安装，作为优选，所述脉管制冷单元为单级脉管制冷机结构，包括线性压缩机、与线性压缩机出口依次连通的热端换热器、第一级脉管制冷机回热器、第一级冷端换热器、第一级脉管、第一级脉管热端换热器和第一级调相部件。

第一级调相部件可选用其他具有相同调相功能的调相机构，用于相应回热器内的质量流和压力波相位的调整，保证***的稳定高效运行。作为优选，所述第一级调相部件为一端与第一级脉管热端换热器连通的第一级惯性管、以及与第一级惯性管另一端连通的第一级气库。

所述斯特林制冷单元包括线性压缩机、与线性压缩机出口依次连通的膨胀机组、热端换热器、气缸和第二级冷端换热器，膨胀机组内设有驱动排出器运动的排出器驱动电机。为获得更低的制冷温度，如液氦温区，可在上述第二级斯特林制冷机的冷端连接额外的第三级脉管制冷机，由于氦气在低温下的粘性远小于高温，所以第二级斯特林制冷机冷端较大的冷端压比可以近乎无损失的传递至第三级脉管制冷机的冷端，从而高效地获得液氦温区。所以作为优选，所述的脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机还包括与第二级冷端换热器出口连通的第三级脉管制冷机回热器、第三级冷端换热器、第三级脉管、第三级脉管热端换热器和第三级调相部件。

第三级调相部件可选用其他具有相同调相功能的调相机构，用于相应回热器内的质量流和压力波相位的调整，保证***的稳定高效运行，作为优选，所述第三级调相部件为与一端所述第三级脉管热端换热器连通的第三级惯性管和第三级气库。所述第三级调相部件与所述第二级冷端换热器通过热桥相连。

由于各级之间采用气耦合的结构，整机结构非常紧凑，加之脉管制冷机自身具有的可靠性高和寿命长等优点，同时由于本发明提出的结构采用的斯特林制冷机的排出器长度和空间领域中常用的两级斯特林制冷机相同，所以不存在挠度过大而引起气缸和排出器之间同轴度无法保证的问题，所以本发明提出的脉管/斯特林气耦合多级制冷机是一种新型的满足空间应用的高效高可靠性紧凑式深低温空间用制冷机。

现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

与现有多级斯特林制冷机相比，本发明提出的脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机可以兼顾各级的性能，同时避免了排出器长度过大导致间隙密封无法保证的技术难题，从而可以获得更优的性能和更高的可靠性；与现有多级脉管制冷机相比，本发明提出的脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机可以通过排出器的控制在冷端获得更大的压比，从而可以获得更低的制冷温度和更大的制冷量。

附图说明

图1为本发明的脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机的一种实施方式的结构示意图。

图2为本发明的脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机的另一种实施方式的结构示意图。

图3为本发明的脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机的第三种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种两级脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机包括：线性压缩机1、排出器驱动电机2、膨胀机组3、排出器4、热端换热器5、第一级脉管制冷机回热器6，第一级冷端换热器7、第一级脉管8、第一级脉管热端换热器9、第一级惯性管10、第一级气库11、第二级斯特林制冷机气缸12、第二级冷端换热器13。

上述各部件的连接关系如下：线性压缩机1分别与膨胀机组3和热端换热器5连接，排出器驱动电机2布置在膨胀机组3内且与排出器4连接，用于驱动排出器4运行，热端换热器5与第一级脉管制冷机回热器6、第一级冷端换热器7、第二级斯特林制冷机气缸12、第二级冷端换热器13依次连接，第一级冷端换热器7与第一级脉管8、第一级脉管热端换热器9、第一级惯性管10、第一级气库11依次连接，排出器4从第一级脉管制冷机回热器6和第一级冷端换热器7中部穿过布置在第二级斯特林制冷机气缸12中，并与第二级斯特林制冷机气缸12的壁面保证间隙密封，第二级斯特林制冷机的回热填料填充在排出器4内，排出器4中填充回热填料部分的两端开有小孔以供气体流通。

本实施方式的脉管/斯特林复合型多级制冷机的运行过程为：

高压阶段，通过线性压缩机1压缩后的高温高压气体在热端换热器5中被冷却至常温高压，然后进入第一级脉管制冷机回热器6中，并与其中填充的回热填料进行换热，气体温度降低，在第一级冷端换热器7中一部分气体依次进入第一级脉管8、第一级脉管热端换热器9、第一级惯性管10和第一级气库11，而后***压力降低，该部分气体依次通过第一级气库11、第一级惯性管10、第一级脉管热端换热器9、第一级脉管8、第一级冷端换热器7、第一级脉管制冷机回热器6和热端换热器5返回线性压缩机1中，由于进出第一级冷端换热器7的气体存在温差，由此产生制冷效应。

另一部分气体由第一级冷端换热器7通过排出器4中填充回热填料部分的两端的小孔进入位于第二级斯特林制冷机气缸12中的排出器4中，通过控制位于膨胀机组3中与排出器4底部连接的排出器驱动电机2，实现对排出器4的行程控制，同时该部分气体与位于排出器4端部的回热填料进行换热，同时在第二级斯特林制冷机气缸12的冷端进行膨胀，从而产生制冷效应，制冷量由第二级冷端换热器13取出。

实施例2：

如图2所示，一种三级脉管/斯特林气耦合复合型制冷机，与实施例1的区别在于：在实施例1的第二级冷端换热器13后依次连接了第三级脉管制冷机回热器14、第三级冷端换热器15、第三级脉管16、第三级脉管热端换热器17、第三级惯性管18和第三级气库19。通过加入第三级脉管制冷机，可在第三级冷端换热器15中获得更低的制冷温度，从而满足更低温度的应用需求。

实施例3：

如图3所示，一种三级脉管/斯特林气耦合复合型制冷机，与实施例2的区别在于第二级冷端换热器13、第三级脉管热端换热器17、第三级惯性管18和第三级气库19分别与热桥20连接，通过将第三级惯性管18和第三级气库19冷却至更低的温度，可以获得更大的调相角度，从而使该脉管/斯特林复合型制冷机更加高效。

Claims (7)

1.一种脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机，包括斯特林制冷单元和脉管制冷单元，其特征在于，所述斯特林制冷单元和脉管制冷单元之间通过气耦合连接且由同一线性压缩机(1)驱动，且斯特林制冷单元的气缸(12)的开口部位与脉管制冷单元的第一级冷端换热器(7)密封固定；所述斯特林制冷单元内的排出器(4)装有回热填料的端部依次穿过热端换热器(5)、脉管制冷机单元的第一级脉管制冷机回热器(6)和第一级冷端换热器(7)，并置于所述气缸(12)内；所述排出器(4)与第一级脉管制冷机回热器(6)同轴设置，且滑动配合。

2.根据权利要求1所述的脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机，其特征在于，所述脉管制冷单元包括线性压缩机(1)、与线性压缩机出口依次连通的热端换热器(5)、第一级脉管制冷机回热器(6)、第一级冷端换热器(7)、第一级脉管(8)、第一级脉管热端换热器(9)和第一级调相部件。

3.根据权利要求2所述的脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机，其特征在于，所述第一级调相部件为一端与第一级脉管热端换热器(9)连通的第一级惯性管(10)以及与第一级惯性管(10)另一端连通的第一级气库(11)。

4.根据权利要求1所述的脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机，其特征在于，所述斯特林制冷单元包括线性压缩机(1)、与线性压缩机(1)出口依次连通的膨胀机组(3)、热端换热器(5)、气缸(12)和第二级冷端换热器(13)，膨胀机组(3)内设有驱动排出器(4)运动的排出器驱动电机(2)。

5.根据权利要求4所述的脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机，其特征在于，还包括与第二级冷端换热器(13)出口连通的第三级脉管制冷机回热器(14)、第三级冷端换热器(15)、第三级脉管(16)、第三级脉管热端换热器(17)和第三级调相部件。

6.根据权利要求5所述的脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机，其特征在于，所述第三级调相部件为与一端所述第三级脉管热端换热器(17)连通的第三级惯性管(18)和第三级气库(19)。

7.根据权利要求5或6所述的脉管/斯特林气耦合复合型多级制冷机，其特征在于，所述第三级调相部件与所述第二级冷端换热器(13)通过热桥相连。

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