CN102980321B - 采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，包括依次连通的压缩机、回热器热端换热器、高温段回热器、高温段回热器冷端换热器、一级脉管、一级脉管热端换热器和一级调相部件，以及依次连通的低温段回热器、低温段回热器冷端换热器、二级脉管、二级脉管热端换热器和二级调相部件，高温段回热器的冷端通过管路同时与低温段回热器的热端连通，该管路上设有用于压缩通过管路气体的中继线性压缩机。本发明的采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，实现了多级脉管制冷机高温段回热器冷端压比的进一步增大，进而在多级脉管制冷机冷端获得较大的压比，最终提高多级脉管制冷机的效率，同时具有结构紧凑、寿命长、可靠性高等优点。

Description

采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，具体是涉及一种采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机。

背景技术

表1给出了空间探测中不同类型和波长的电磁波对应的黑体辐射温度及可应用的探测器类型和工作温度，从表1中可以看出有相当大部分的探测器工作在4K及mK级温区，而且mK级温区必需4K温区提供预冷，所以4K温区是空间探测中一个极其重要的温区，一直是科学研究的重点和难点。

表1：不同类型和波长的电磁波对应的黑体辐射温度及可应用的探测

器类型和工作温度

目前，液氦温区的制冷方式主要有液氦(或超流氦)杜瓦技术和机械式制冷技术。其中液氦杜瓦制冷技术利用储存在高真空多层绝热储罐里的液氦或者超流氦的蒸发吸热来实现制冷效应，这种方式可以获得较稳定的温度，在早期的航天探测领域具有广泛的应用，技术相对成熟，但是它存在体积大、重量重、绝热系统复杂、发射成本高以及使用寿命受工质存储量限制等缺点。随着机械式制冷技术的进步和发展，特别是板弹簧和间隙密封等技术的应用，彻底解决了杜瓦技术始终无法克服的长寿命问题，使得机械式制冷技术如斯特林制冷机和脉管制冷机近20年来在航天领域快速发展并占有相当的份额。与斯特林制冷机相比，脉管制冷机在冷端没有运动部件，具有结构简单、成本低、机械振动小、可性高和寿命长等优点，是非常适合空间应用的理想机型。脉管制冷机在80K和35K温区技术相对成熟，已有若干台制冷机成功应用于空间任务中，但是由于4K温区的制冷机理和损失机理尚未完全掌握，目前高频脉管制冷机仍很难到达4K温度，虽然当前有采用高频脉管制冷机获得4K温区的报道，但是制冷机系统结构异常复杂，效率奇低，且通常均需要来源异常稀缺的氦-3工质。

预冷型单级高频脉管制冷机的相关研究发现，限制高频脉管制冷机高效到达液氦温区的主要因素是由于4K温区回热器的温度跨度大(300K至4K)导致回热器的压力损失远较高温级回热器大，进而使4K温区回热器的冷端压比偏小，而冷端压比是脉管制冷机中一个非常重要的参数，大的压比意味着更大的做功能力，所以对高频脉管制冷机而言，高效地获得4K温区的关键是如何获得较大的冷端压比。

采用回热器模拟软件Regen3.3对4K温区回热器(一般为4-20K)的模拟结果如图4所示，从图4中可以看出当冷端温度固定为4K，在特定尺寸、回热材料和较低的充气压力条件下(一般为0.5-1.0MPa)，其热端温度随着回热器冷端压比的增大而显著提高，其热端温度的提高意味着可以在更高的温区为其提供预冷，减轻了对预冷级的性能要求，计算结果还表明当采用氦-4为工质，冷端压比为1.4时，其热端温度接近40K，所以若采用合适的结构能够在液氦温区回热器的冷端获得1.4的压比，则采用三级甚至是两级的结构便可以高效地获得液氦温区。同时氦气的粘度随着温度的变化如图5所示，从图5中可以看出氦气的粘度随着温度的降低而显著降低，即回热器的压力损失主要发生在300-80K的高温段，而在低温下几乎可以无损的传过回热器，所以为高效获得液氦温区的关键是如何在回热器冷端获得较大的压比。

申请号为CN200920143251.X的专利申请公开了一种分置式斯特林制冷机，包括双直线电机驱动同一轴线的双压缩活塞，两台直线电机180°对称布置，双活塞对动；直线电机采用动磁式直线电机，双音圈结构；压缩活塞由两组小质量长寿命膜片弹簧支撑，活塞与缸体之间采用无接触间隙密封结构；膨胀机采用小质量排出器结构，圆柱弹簧支撑，气动驱动；膨胀机缸体由通孔的不锈钢薄壁缸体体与不锈钢缸体堵头激光焊接构成。利用上述分置式斯特林制冷机时，仍然很难得到4K以下的温区，且制冷效率非常低。

发明内容

本发明提供了一种采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，采用该制冷机，能够在回热器的冷端获得更高的压比，在获得相同的制冷温度时，减轻了对预冷级的性能要求，降低了回热器损失，从而提高了制冷机的制冷效率。

一种采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，包括依次连通的压缩机、回热器热端换热器、高温段回热器、高温段回热器冷端换热器、一级脉管、一级脉管热端换热器和一级调相部件，以及依次连通的低温段回热器、低温段回热器冷端换热器、二级脉管、二级脉管热端换热器和二级调相部件，所述高温段回热器的冷端通过管路同时与低温段回热器的热端连通，该管路上设有用于压缩通过管路气体的中继线性压缩机，以实现压比的增大。

本发明采用在多级脉管制冷机高温段回热器冷端和低温段回热器热端之间布置中继线性压缩机，实现了多级脉管制冷机高温段回热器冷端压比的进一步增大，进而在多级脉管制冷机冷端获得较大的压比，最终提高了多级脉管制冷机的效率。

为便于本发明中涉及的回热器内的质量流和压力波相位的调整，以提高脉管制冷机的工作效率，作为优选，所述一级调相部件和二级调相部件为分别与对应脉管热端换热器连通的惯性管和气库。根据脉管制冷机内结构的不同，所述一级调相部件和二级调相部件也可选择其他调相结构。

为便于本发明的采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机的加工和装配，作为优选，所述中继线性压缩机包括：两端开口的缸体，该缸体侧壁上设有与所述管路连通的出气口；同轴设置在缸体两端开口内的两个活塞；分别驱动两个活塞运行的两个线性电机；所述两个线性电机内的线圈均为超导线圈。本发明采用超导线圈，消除了中继线性压缩机中的线性电机中由电阻引起的铜损，有效地提高了压缩机的效率和使用寿命。同时，采用中继线性压缩机克服了当前4K温区高频脉管制冷机无法获得较大的冷端压比的技术困难。

超导中继线性压缩机是工作在低温下的采用超导线圈的中继线性压缩机，将其布置在多级脉管制冷机的高温段回热器冷端和低温段回热器热端之间，由于氦气在高温段回热器跨越的温区内具有较大的粘度，造成较大的压力损失，使高温段回热器的冷端压比较小，超导中继线性压缩机提供了一个高温段回热器冷端气体中继压缩的功能，从而实现多级脉管制冷机高温段回热器冷端气体的进一步压缩，进而在低温段回热器入口处获得较大的压比，同时由于氦气在低温段回热器跨越的温区内的粘度已经很小，所以该较大的入口压比可以近乎无损的传输到回热器的冷端，从而在回热器的冷端获得较大的压比，最终提高多级脉管制冷机的效率；同时由于采用了超导线圈，消除了线性电机中由电阻引起的铜损，可以有效地减少用来带走工作在较低温度下的超导中继压缩机发热的冷量，且超导中继线性压缩机结构非常紧凑，所以采用超导中继线性压缩机的两级或者三级脉管制冷机便可以高效地获得4K温度，同时具有结构紧凑、寿命长、可靠性高等优点。

所述超导线圈可采用临界温度高于20K的超导材料，且需工作在其临界温度以下。所述高温段回热器内填有高体积比热容的回热填料(如不锈钢丝网等)，低温段回热器填有高体积比热容的回热填料(如铅丸、Er₃Ni等)。

所述两个线性电机分别独立的为动磁式线性电机、动圈式线性电机或动铁式线性电机，实际装配过程中，可根据实际需要选择适当结构的线性电机。作为优选，所述动磁式线性电机包括：与缸体相对固定的轭铁；固定在轭铁内与电源相连的超导线圈；永磁体；用于固定所述永磁体的永磁体支架，该永磁体支架通过第一板弹簧与对应的活塞相互固定。

作为优选，所述动圈式线性电机包括：与缸体相对固定的轭铁；固定在轭铁内的永磁体；与电源相连的超导线圈；用于固定所述超导线圈的线圈支架，该线圈支架通过第二板弹簧与对应的活塞相互固定。

第一板弹簧和第二板弹簧在保证活塞快速复位的同时，也保证了活塞与缸体的同轴度，降低缸体与活塞之间的磨损，进一步提高压缩机的使用寿命。当缸体较短，活塞较长时，为进一步保证缸体与活塞之间的同轴度，作为进一步优选，本发明多级脉管制冷机还包括带有通气口的外壳，所述缸体通过带有气体流道的固定架固定在外壳内；所述轭铁和线圈支架同时与所述固定架相互固定；所述固定架与两个活塞之间还分别设有第三板弹簧。第三板弹簧设置的数量可根据实际缸体和活塞的长度确定，一般可设置一到两个。第一板弹簧、第二板弹簧和第三板弹簧也可选用具有同等功能的其他弹性元件代替。

为便于外壳的加工和安装，作为优选，所述固定架为环形结构，该固定架外壁设有定位凸环；所述外壳由对称设置的两个桶体组成，每个桶体开口部位均设有用于与所述定位凸环相互配合的法兰面，实际安装时，直接利用螺栓将两桶体与所述固定架上的定位凸环相互固定即可。

为便于永磁体或者超导线圈的布置，作为优选，所述轭铁由环形的外轭铁和内轭铁组成，所述超导线圈和永磁体布置在所述外轭铁和内轭铁之间。外轭铁和内轭铁可采用有多块小型轭铁拼凑而成，以便于内外轭铁的安装以及超导线圈、永磁体的布置。所述外轭铁和内轭铁通过粘结方式相互固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明采用在多级脉管制冷机高温段回热器冷端和低温段回热器热端之间布置中继线性压缩机，可实现多级脉管制冷机高温段回热器冷端压比的进一步增大，进而在多级脉管制冷机冷端获得较大的压比，最终提高多级脉管制冷机的效率。

(2)本发明由于采用了超导线圈，消除了中继线性压缩机采用的线性电机中由电阻引起的铜损，有效地提高了压缩机的效率，所以采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机整机将具有较高的效率，同时具有结构紧凑、寿命长、可靠性高等优点。

附图说明

图1为本发明的采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机的结构示意图。

图2为图1所示多级脉管制冷机内中继线性压缩机的一种实施方式的结构示意图。

图3为图1所示多级脉管制冷机内中继线性压缩机的第二种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示：一种采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，包括：压缩机C、回热器热端换热器HX1、高温段回热器RG1、高温段回热器冷端换热器HX2、一级脉管PT1、一级脉管热端换热器HX3、一级惯性管I1、一级气库R1、超导中继线性压缩机C2、低温段回热器RG2、低温段回热器冷端换热器HX4、二级脉管PT2、二级脉管热端换热器HX5、二级惯性管I2、二级气库R2，压缩机C与回热器热端换热器HX1、高温段回热器RG1、高温段回热器冷端换热器HX2、一级脉管PT1、一级脉管热端换热器HX3、一级惯性管I1和一级气库R1依次连接，高温段回热器冷端换热器HX2与超导中继线性压缩机C2、低温段回热器RG2、低温段回热器冷端换热器HX4、二级脉管PT2、二级脉管热端换热器HX5、二级惯性管I2和二级气库R2依次连接，超导中继线性压缩机的超导线圈采用临界温度高于20K的超导材料、且需工作在其临界温度以下，高温段回热器RG1内填有高体积比热容的回热填料(如不锈钢丝网等)，低温段回热器RG2填有高体积比热容的回热填料(如铅丸、Er₃Ni等)，各部件按照上述描述连接好之后，向系统中充氦气至预定压力，接通压缩机C和超导中继线性压缩机C2的电源，通过调频器将压缩机C和超导中继线性压缩机C2的工作频率调节至共振频率，便可以实现脉管制冷机的高效制冷。

高温段回热器冷端换热器HX2可以是一体设置结构；也可以是分体结构，分别设置在高温段回热器RG1冷端和一级脉管PT1冷端，然后通过流道将两者连通。低温段回热器冷端换热器HX4也可以是一体设置结构；或者可以是分体结构，分别设置在低温段回热器RG2冷端和二级脉管PT2的冷端，然后通过流道将两者连通。

本实施方式的采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机的运行过程为：经压缩机C压缩的高温高压气体经过回热器热端换热器HX1冷却至室温，之后流经高温段回热器RG1与其中的回热填料进行换热，到达回热器冷端的气体被冷却至较低的温度，低温气体一部分进入一级脉管PT1中，在一级脉管PT1中膨胀制冷，温度降低，气体在进出高温段回热器冷端换热器HX2存在温差，从而实现制冷效应，并在高温段回热器冷端换热器HX2处将冷量取出。从高温段回热器RG1出来的另外一部分气体经过超导中继线性压缩机C2再次压缩后，压比进一步增加，后经过低温段回热器RG2换热后，进入二级脉管PT2膨胀制冷，温度降低，气体在进出低温段回热器冷端换热器HX4存在温差，从而实现制冷效应，并在低温段回热器冷端换热器HX4处将冷量取出。其中惯性管和气库是调相结构，其目的是为了在回热器中获得压力波和质量流之间合适的相角。

上述超导中继线性压缩机C2可以选用下述两种实施方式的一种：

第一种结构的超导中继线性压缩机C2：

如图2所示：一种超导中继动磁式线性压缩机，该压缩机内采用动磁式电机提供动力，包括：压缩机外壳S、固定架G、缸体PC、两个第一板弹簧F1、两个超导线圈SC、两个活塞P、两个轭铁Y、两个永磁体M及两个永磁体支架H，该压缩机为对称结构。

外壳S由两个对称设置的桶体组成，每个桶体开口部位设有法兰面。固定架G为环形结构，固定架G侧壁设有气体流道；固定架G两端设有分别与两个桶体的法兰面相互固定的螺孔，利用螺栓可以将两桶体和固定架相互固定。固定架G内壁设有向中心延伸的固定凸起，用于固定缸体。

缸体PC由两对称且同轴设置的筒体组成，两筒体一端分别与固定架G内壁的固定凸起密封固定。轭铁Y由外轭铁和内轭铁组成，超导线圈SC固定在外轭铁和内轭铁之间，永磁体M滑动配置在内轭铁和外轭铁之间；外轭铁与固定架G通过长螺栓相互固定，内轭铁与缸体PC通过长螺栓相互固定。第一板弹簧F1外侧通过固定支架与外轭铁相互固定，内侧与永磁体支架H和活塞P端部通过螺栓相互固定。第一板弹簧F1、超导线圈SC、永磁体支架H、永磁体支架H、活塞P、缸体PC、轭铁Y及永磁体M均布置在压缩机外壳S组成的封闭腔内，超导线圈SC采用临界温度高于20K的超导材料，且需工作在其临界温度以下。活塞P与缸体PC之间保证间隙密封，各部件按照上述描述连接好之后，接通超导线圈SC的电源，通过调频器将中继压缩机的工作频率调节至共振频率，便可以实现气体的再次压缩。

第二种结构的超导中继线性压缩机C2：

如图3所示：一种超导中继动圈式线性压缩机，该压缩机内采用动圈式电机提供动力，包括压缩机外壳S、固定架G、两个第二板弹簧F2、两个第三板弹簧F3、两个超导线圈SC、两个超导线圈固定架H2、两个轭铁Y、两个活塞P、缸体PC及两个永磁体M；固定方式与第一种结构基本相同，区别在于：永磁体M固定在轭铁Y中，轭铁Y固定在压缩机外壳S上，第二板弹簧F2外侧固定于压缩机外壳S上，第二板弹簧F2内侧与活塞P端部、超导线圈固定架H2相连，第三板弹簧F3外侧与固定架G固定，内侧与活塞靠近缸体PC的端部相互固定；活塞P与缸体PC之间保证间隙密封，第二板弹簧F2、第三板弹簧F3、超导线圈SC、活塞P、轭铁Y、缸体PC及永磁体M均布置在压缩机外壳S组成的封闭腔内，超导线圈SC采用临界温度高于20K的超导材料，且需工作在其临界温度以下。各部件按照上述描述连接好之后，接通超导线圈SC的电源，通过调频器将中继压缩机的工作频率调节至共振频率，便可以实现气体的再次压缩。

Claims (10)

1.一种采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，包括依次连通的压缩机(C)、回热器热端换热器(HX1)、高温段回热器(RG1)、高温段回热器冷端换热器(HX2)、一级脉管(PT1)、一级脉管热端换热器(HX3)和一级调相部件，以及依次连通的低温段回热器(RG2)、低温段回热器冷端换热器(HX4)、二级脉管(PT2)、二级脉管热端换热器(HX5)和二级调相部件，其特征在于，所述高温段回热器(RG1)的冷端通过管路同时与低温段回热器(RG2)的热端连通，该管路上设有用于压缩通过管路气体的中继线性压缩机。

2.根据权利要求1所述的采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，其特征在于，所述一级调相部件和二级调相部件为分别与对应脉管热端换热器连通的惯性管和气库。

3.根据权利要求1所述的采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，其特征在于，所述中继线性压缩机包括：

两端开口的缸体(PC)，该缸体侧壁上设有与所述管路连通的出气口；

同轴设置在缸体(PC)两端开口内的两个活塞(P)；

分别驱动两个活塞(P)运行的两个线性电机；

所述两个线性电机内的线圈均为超导线圈。

4.根据权利要求3所述的采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，其特征在于，所述两个线性电机分别独立的为动磁式线性电机、动圈式线性电机或动铁式线性电机。

5.根据权利要求4所述的采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，其特征在于，所述动磁式线性电机包括：

与缸体(PC)相对固定的轭铁(Y)；

固定在轭铁(Y)内与电源相连的超导线圈(SC)；

永磁体(M)；

用于固定所述永磁体(M)的永磁体支架(H)，该永磁体支架(H)通过第一板弹簧(F1)与对应的活塞(P)相互固定。

6.根据权利要求4所述的采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，其特征在于，所述动圈式线性电机包括：

与缸体(PC)相对固定的轭铁(Y)；

固定在轭铁(Y)内的永磁体(M)；

与电源相连的超导线圈(SC)；

用于固定所述超导线圈(SC)的线圈支架(H2)，该线圈支架通过第二板弹簧(F2)与对应的活塞(P)相互固定。

7.根据权利要求5或6所述的采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，其特征在于，还包括带有通气口的外壳(S)，所述缸体(PC)通过带有气体流道的固定架(G)固定在外壳(S)内；所述轭铁(Y)和线圈支架(H2)同时与所述固定架(G)相互固定；所述固定架(G)与两个活塞(P)之间还分别设有第三板弹簧(F3)。

8.根据权利要求7所述的采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，其特征在于，所述固定架(G)为环形结构，该固定架外壁设有定位凸环；所述外壳(S)由对称设置的两个桶体组成，每个桶体开口部位均设有用于与所述定位凸环相互配合的法兰面。

9.根据权利要求7所述的采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，其特征在于，所述轭铁(Y)由环形的外轭铁和内轭铁组成，所述超导线圈(SC)和永磁体(M)布置在所述外轭铁和内轭铁之间。

10.根据权利要求9所述的采用中继线性压缩机的多级脉管制冷机，其特征在于，所述外轭铁和内轭铁通过粘结方式相互固定。