CN104819593B - 可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机 - Google Patents

可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及斯特林循环制冷机技术领域，具体涉及一种可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机。包括单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机、直线式压缩机和单级斯特林脉管制冷机。单级斯特林脉管制冷机包括依次相连的水冷器（或风冷器）、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、惯性管和气库；回热器通过U型管与脉管相连通。单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机通过铜质热桥与脉管制冷机回热器相连。直线式压缩机，其输出端与水冷器相连，其输出端还可通过双向进气阀与惯性管相连。本发明通过两级斯特林循环结构便可达到液氦温区，能够进一步简化制冷机的结构、降低制冷机的体积和重量。

Description

可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机
技术领域
本发明涉及斯特林循环制冷机技术领域，具体涉及一种可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机。
背景技术
许多仪器在深低温，特别是液氦温区条件下具有更好的性能和效率，更高的运行速度和灵敏度。因此，液氦温区低温制冷技术具有重要的研究意义，在航空航天、国防领域、低温超导、医疗等领域具有重要的应用。
获得液氦温区低温环境的方式主要包括液氦低温恒温器或者液氦温区低温制冷机两种。前者采用液氦作为冷源，可获得较高的可靠性、稳定性，但体积大、重量重且需要定期补充液氦，维护复杂昂贵、使用不方便。采用低温制冷机作为冷源，结构紧凑且后期维护费用低，对于小型的液氦设备以及空间体积受限的场合具有显著优势，但其可靠性和效率有待进一步提高。因此，发展液氦温区低温制冷机在满足特殊应用场合需求、降低运行成本以及降低氦供应方面均具有十分重要的意义。
目前典型的液氦温区低温制冷机主要运行频率为1-2Hz的G-M制冷机或者G-M型脉管制冷机。其中两级G-M制冷机已经成功商业化，广泛用于低温泵和低温系统中，一般采用输入功率在6-12kW左右的压缩机驱动两级冷头结构，获得1W@4.2K左右的制冷量。两级G-M脉管制冷机采用与G-M制冷机相同的压缩机，驱动两级的脉管冷头，目前性能已接近两级G-M制冷机的水平，初步获得商业化应用。此类制冷机体积大、质量重，适用于对体积和重量要求不高且制冷量需求较大的场合，此类制冷机需要定期更换油吸附器，无法满足航天及国防军事领域对可靠性重量体积方面等的要求。
为了满足体积和质量要求较高、而制冷量要求较低的需求（例如中远红外、γ射线、X射线等空间探测器的迫切需要300mW@4.2K以下制冷量的小型、长寿命制冷机），多级斯特林循环制冷机成为最佳方案。斯特林循环制冷机采用直线压缩机（无阀）作为驱动源，一般的工作频率为30-60Hz。此类压缩机电功转化为PV功效率较高（可达80%左右），具有潜在的高效性；并且直线压缩机由于采用弹性轴承或气体轴承消除了机械摩擦，具有较长的使用寿命。此外，由于运行频率较高，斯特林型脉管制冷机还具有体积小、重量轻等优点。
为了实现该目标，美国Lockheed Martin先进技术中心(LMATC)提出了四级斯特林脉管制冷机方案，达到了液氦温区。虽然该制冷机的体积和重量较G-M制冷机显得比较有优势，但是制冷系统级数较多，结构过于复杂，效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机，该制冷机采用单级斯特林制冷机预冷单级的斯特林脉管冷头，仅通过两级结构便可达到液氦温区，能够进一步简化制冷机的结构、降低制冷机的体积和重量。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机，包括单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机、直线式压缩机和单级斯特林脉管制冷机。
所述的单级斯特林脉管制冷机包括依次相连的散热器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、惯性管和气库；回热器通过U型管与脉管相连通。优选的，所述的散热器为水冷器或风冷器。
所述的单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机通过铜质热桥与脉管制冷机回热器相连。所述的单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机采用直线压缩机驱动，且其压缩机和排出器均采用气体轴承支承或板簧支承，其排出器的回热填料采用10-20K温区高比热容材料。单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机采用气体轴承支承或板簧支承，能够延长其使用寿命，保证其可靠性。
所述的直线式压缩机，其输出端与水冷器相连，其输出端与惯性管相连。优选的，直线式压缩机的输出端通过双向进气阀与惯性管相连。
在本发明所述的单级斯特林脉管制冷机中，采用的回热器具有两部分回热器和三部分回热器两种结构，具体地说：
（1）所述的回热器分为两部分，包括依次相连的第一部分回热器和第二部分回热器；所述第二部分回热器的冷头通过冷端换热器与脉管的冷头相连，且第二部分回热器通过设置在冷端换热器下方的U型管与脉管相连通；
所述的单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机，其冷头通过铜质热桥分别与第一部分回热器的冷头、第二部分回热器的热端相连。
（2）所述的回热器分为三部分，包括依次相连的第一部分回热器、第二部分回热器和第三部分回热器；所述第三部分回热器的冷头通过冷端换热器与脉管的冷头相连，且第三部分回热器通过设置在冷端换热器下方的U型管与脉管相连通。
所述的铜质热桥包括第一铜质热桥和第二铜质热桥。
所述的单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机，其冷头的中部通过第一铜质热桥分别与脉管制冷机第一部分回热器的冷头、第二部分回热器的热端相连，其冷头的下端通过第二铜质热桥分别与第二部分回热器的冷头、第三部分回热器的热端相连。
本发明所采用的直线式压缩机的结构为以下三种结构中的任意一种：
（1）所述的直线式压缩机包括气缸、活塞和用于将活塞支承在气缸内部的板弹簧。
（2）所述的直线式压缩机包括气缸和活塞；活塞与气缸之间通过气体轴承支承活塞悬浮于气缸内部。
（3）所述的直线式压缩机包括气缸、活塞和用于轴向定位活塞的板弹簧；活塞与气缸之间通过气体轴承支承活塞悬浮于气缸内部。
由以上技术方案可知，本发明采用由单级自由活塞斯特林制冷机和单级斯特林脉管制冷机组成的两级斯特林型循环制冷机，成功实现液氦温区的工作温度。本发明不仅降低了级联耦合，减少了制冷量的损失，降低了压缩机输入功率；还具有结构简单，体积小，质量轻等优势。同时，本发明所述技术方案中的直线式压缩机，运用气体轴承或者板弹簧支承，其输出效率和整机可靠性较高，使得两级斯特林型循环制冷机的运行寿命可达到10万小时以上。
附图说明
图1是实施例1中本发明的结构示意图；
图2是实施例2中本发明的结构示意图；
图3是方案1中直线式压缩机的结构示意图；
图4是方案2中直线式压缩机的结构示意图；
图5是方案3中直线式压缩机的结构示意图。
其中：
1、实施例1中的铜质热桥，101、实施例2中的第一铜质热桥，102、实施例2中的第二铜质热桥，2、单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机，3、直线式压缩机，4、双向进气阀，5、气库，6、惯性管，7、热端换热器，8、水冷器（或风冷器），9、脉管，10、冷端换热器，11、U型管，31、气缸，32、活塞，33、板弹簧，R11、第一部分回热器，R12、第二部分回热器，R13、第三部分回热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
实施例1
如图1所示的一种可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机，包括单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机2、直线式压缩机3和单级斯特林脉管制冷机。
所述的单级斯特林脉管制冷机包括依次相连的水冷器（或风冷器）8、第一部分回热器R11、第二部分回热器R12、冷端换热器10、脉管9、热端换热器7、惯性管6和气库5。所述第二部分回热器R12的冷头通过冷端换热器10与脉管9的冷头相连，且第二部分回热器R12通过设置在冷端换热器10下方的U型管11与脉管9相连通。
所述的单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机2，其冷头通过铜质热桥1分别与第一部分回热器R11的冷头、第二部分回热器R12的热端相连。所述的单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机2采用直线压缩机驱动，且其压缩机和排出器均采用气体轴承支承或板簧支承，其排出器的回热填料采用10-20K温区高比热容材料（如ErPr材料或者Er3Ni材料）。
所述的直线式压缩机3，其输出端与水冷器8相连，其输出端还可通过双向进气阀4与惯性管6相连。
上述可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机的工作原理为：
向单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机2、直线式压缩机3供给交流电。一方面，单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机2工作，预冷铜质热桥1，并将第一部分回热器预冷至10~20K温区，为第二级斯特林脉管制冷机低温制冷提供预冷温度。另一方面，直线压缩机3工作，产生压力波，水冷器8冷却高温压力波，冷却后的压力波依次进入第一部分回热器R11与第二部分回热器R12，进一步与回热器材料交换热量，高压气体位于第二部分回热器R12的前端膨胀制冷，在冷端换热器10获得液氦温区。冷端换热器10通过U型管11连接脉管9，其热端换热器7为常温，连接惯性管6和气库5。在后半个斯特林循环中，第二部分回热器R12前端膨胀的气体依次经过第二部分回热器R12和第一部分回热器R11，进行换热，回流至直线压缩机3内部，双向进气阀4控制脉管9与第一部分回热器R11热端气体的交换。因此，通过调节双向进气阀4、惯性管6、气库5达到调节脉管9与第一部分回热器R11与第二部分回热器R12的匹配性特性，发挥最优制冷效应，将冷端换热器10温度降低至液氦温区，达到实际效果。
实施例2
如图2所示的一种可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机，包括单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机2、直线式压缩机3和单级斯特林脉管制冷机。
所述的单级斯特林脉管制冷机包括依次相连的水冷器（或风冷器）8、第一部分回热器R11、第二部分回热器R12、第三部分回热器R13、冷端换热器10、脉管9、热端换热器7、惯性管6和气库5。所述第三部分回热器R13的冷头通过冷端换热器10与脉管9的冷头相连，且第三部分回热器R13通过设置在冷端换热器10下方的U型管11与脉管9相连通。
所述的单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机2，其冷头的中部通过第一铜质热桥101分别与第一部分回热器R11的冷头、第二部分回热器R12的热端相连，其冷头的下端通过第二铜质热桥102分别与第二部分回热器R12的冷头、第三部分回热器R13的热端相连。
向单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机2、直线式压缩机3供给交流电。一方面，单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机2工作，预冷第一铜质热桥101和第二铜质热桥102，并将第一部分回热器R11预冷至80K温区附近，将第二部分回热器R12预冷至10~20K温区，为第二级斯特林脉管低温制冷机提供预冷温度。另一方面直线压缩机3工作，产生压力波，水冷器8冷却高温压力波，冷却后的压力波依次进入第一部分回热器R11、第二部分回热器R12与第三部分回热器R13，在回热器中交换热量，高压气体位于第三部分回热器R13前端膨胀制冷，冷却冷端换热器10。冷端换热器10通过U型管11连接脉管9，其热端换热器7为常温，连接惯性管6和气库5。在后半个斯特林循环中，第三部分回热器R13前端膨胀的气体依次经过第三部分回热器R13、第二部分回热器R12和第一部分回热器R11，进行换热，回流至直线压缩机3内部，双向进气阀4控制脉管9与第一部分回热器R11热端气体的交换。因此，通过调节双向进气阀4、惯性管6、气库5达到调节脉管9与第一部分回热器R11、第二部分回热器R12与第三部分回热器R13的匹配性特性，发挥最优制冷效应，将冷端换热器10温度降低至液氦温区，达到实际效果。
在实施例1和实施例2中，本发明所采用的直线式压缩机的结构为图3-图5所示三种结构方案中的任意一种：
方案1：如图3所示，所述的直线式压缩机3包括气缸31、活塞32和用于将活塞支承在气缸内部的板弹簧33。板弹簧33支承活塞32于气缸31内部，确保气缸31与活塞32的间隙配合。施加交流电压，电磁力驱动活塞32往复运动于气缸31内部，产生压力波，输出PV功，驱动斯特林脉管制冷机工作。直线式压缩机产生的压力波进入回热器，高压气体位于膨胀腔内部膨胀制冷，获取达到液氦温区的温度。
方案2：如图4所示，所述的直线式压缩机3包括气缸31和活塞32；活塞32与气缸31之间通过气体轴承支承活塞悬浮于气缸31内部。施加交流电压，活塞32往复运动于气缸31内部，产生压力波，输出PV功，驱动斯特林脉管制冷机工作。
方案3：如图5所示，所述的直线式压缩机3包括气缸31、活塞32和用于轴向定位活塞的板弹簧33；活塞32与气缸31之间通过气体轴承支承活塞悬浮于气缸31内部。施加交流电压，活塞32往复运动于气缸31内部，产生压力波，输出PV功，驱动斯特林脉管制冷机工作。
综上所述，本发明能够解决现有的可达液氦温区的三级甚至四级斯特林循环制冷机的结构复杂、制冷效率低等不足，实现结构紧凑、可靠性高的可达到液氦温区（4.2K）的两级斯特林循环制冷机。首先，该两级斯特林循环制冷机的第一级采用单级整体直线式斯特林制冷机，而单级整体直线式斯特林制冷机采用单侧式Redlich压缩机进行驱动，驱动填充低温温区回热填料的排出器，获得10~20K左右的低温。其中活塞和排出器材料主要采用轻质高硬度材料，能够保证第一级斯特林制冷机具有较小的体积和较轻的重量。其次，该两级斯特林循环制冷机的第二级采用脉管制冷机。通过第一级制冷机的预冷，回热器在热端附近达到10~20K左右的温区，而在冷端获得4.2K的液氦温区，从而实现在第二级斯特林脉管制冷机获得液氦温区。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机，其特征在于：包括单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机、直线式压缩机和单级斯特林脉管制冷机；
所述的单级斯特林脉管制冷机包括依次相连的散热器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、惯性管和气库；回热器通过U型管与脉管相连通；
所述的单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机通过铜质热桥与脉管制冷机回热器相连；所述的脉管制冷机回热器为三部分，包括依次相连的第一部分回热器、第二部分回热器和第三部分回热器；所述第三部分回热器的冷头通过冷端换热器与脉管的冷头相连，且第三部分回热器通过设置在冷端换热器下方的U型管与脉管相连通；所述的铜质热桥包括第一铜质热桥和第二铜质热桥；
所述的单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机，其冷头的中部通过第一铜质热桥分别与脉管制冷机第一部分回热器的冷头、第二部分回热器的热端相连，其冷头的下端通过第二铜质热桥分别与第二部分回热器的冷头、第三部分回热器的热端相连；
所述的直线式压缩机，其输出端与水冷器相连，其输出端与惯性管相连。
2.根据权利要求1所述的可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机，其特征在于：所述的单级整体直线式自由活塞斯特林制冷机采用直线压缩机驱动，且其压缩机和排出器均采用气体轴承支承或板簧支承，其排出器的回热填料采用10-20K温区高比热容材料。
3.根据权利要求1所述的可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机，其特征在于：所述的直线式压缩机包括气缸、活塞和用于将活塞支承在气缸内部的板弹簧。
4.根据权利要求1所述的可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机，其特征在于：所述的直线式压缩机包括气缸和活塞；活塞与气缸之间通过气体轴承支承活塞悬浮于气缸内部。
5.根据权利要求1所述的可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机，其特征在于：所述的直线式压缩机包括气缸、活塞和用于轴向定位活塞的板弹簧；活塞与气缸之间通过气体轴承支承活塞悬浮于气缸内部。
6.根据权利要求1所述的可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机，其特征在于：所述的散热器为水冷器或风冷器。
7.根据权利要求1所述的可达液氦温区的两级斯特林循环制冷机，其特征在于：所述的直线式压缩机，其输出端通过双向进气阀与惯性管相连。
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