CN105042921A - 多级低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低温制冷领域，公开了一种多级低温制冷机，其包括排出器组件、压缩机组件和制冷机外壳，所述排出器组件包括排出器气缸和一对排出器活塞，一对所述排出器活塞对置设于所述排出器气缸中，所述排出器活塞与所述排出器气缸之间采用间隙密封连接，所述排出器活塞采用阶梯结构；所述压缩机组件包括一对对置设于所述制冷机外壳中的压缩机活塞和压缩机气缸，所述压缩机活塞与压缩机气缸采用间隙密封连接，所述压缩机气缸的端口处与所述制冷机外壳密封固定连接。本发明结构简单，振动小，可靠性高，能够减小回热器内的损失，提升制冷性能。

Description

多级低温制冷机

技术领域

本发明涉及低温制冷技术领域，特别是涉及一种多级低温制冷机。

背景技术

工作于液氢至液氦温区的小型低温制冷机在超导电子、空间探测、低温物理等领域中有广泛的应用需求，对促进相关产业领域的发展具有重要的推动作用。在此温区，目前使用比较广泛的小型低温制冷机技术包括J-T节流制冷机、G-M制冷机、G-M型脉冲管制冷机、斯特林制冷机以及斯特林型脉冲管制冷机等。

J-T节流制冷机工作原理基于气体工质的内禀不可逆效应，效率难以提高。而且对于小冷量深低温系统来说，由于节流孔较小，温区较低，对系统内部的洁净度要求很高，易发生节流孔堵塞等问题，引起制冷机失效，降低了可靠性。

在深低温区(液氢-液氦温区)得到应用最多的是G-M机和G-M型脉冲管制冷机，其采用油压缩机产生高低压，利用旋转阀产生1-2Hz的周期性压力波动，进而在回热器内产生制冷机效应。在磁性蓄冷材料出现之后，目前G-M制冷机的最低温能够到达2K以下，并在液氦温区取得几W以上的冷量，目前已经商业化并被广泛应用。其优势在于切换阀运行频率低，回热器换热充分，流动损失较小，有利于到达液氦等温区，制冷机能够达到相对较高的效率。但其高低压切换采用旋转阀结构，气体流经时会产生较大的压降损失，引起难以避免的不可逆损失，系统热效率难以提高；另一方面其利用油压缩机产生高低压气体，需要配备油分离器等设备，系统体积庞大，并需要定期进行维护，寿命难以保证。此外，G-M制冷机采用了低温下运行的排出器进行调相，虽然具有较高的调相能力，但降低了系统可靠性，同时增加冷端的振动。G-M型脉冲管制冷机在制冷机侧采用脉冲管加调相机构来代替运动部件，有效减小了冷端振动，然而由于调相能力的下降，其热效率进一步低于G-M制冷机。

斯特林制冷机利用活塞的往复运动在系统内形成周期性的压力波动，同时利用低温下运行的排出器调节整机声场分布，在回热器内产生制冷效应，其本质为可逆的斯特林循环，具有较高的效率。工作频率通常为30-100Hz，较高的运行频率能够获得更小的系统体积重量。然而对于液氢以下温区，由于回热器两侧温差范围大，需要采用多级结构，采用两个以上膨胀腔，排出器与壁面之间需要两端微米级的间隙密封，而采用磁性填料(通常为球形)后，进一步增加了回热器长度，而排出器长度与回热器相当，较长的排出器不仅易引起弯曲，微米级的间隙密封对工艺的要求很高，易导致较低的效率以及运行寿命。

斯特林型脉冲管制冷机与斯特林制冷机类似，同样采用活塞的往复运动在系统内形成周期性的压力波动。与斯特林制冷机相比，去除了排出器结构，采用脉冲管结构隔离冷端与室温环境，在脉冲管的热端利用了阻力元件来调整回热器内声学阻抗分布。脉冲管的采用使得制冷机在冷端无运动部件，带来了结构简单、振动小、可靠性高、寿命长、成本低等优点。在两级或多路旁通结构中，最低温能够到达液氢温区以下，但热效率与G-M相比仍有较大差距。其主要原因在于惯性管、双向进气结构等调相机构的调相能力远低于排出器结构，回热器声场分布较差，流动损失难以降低。此外，多级结构中，较高温区级采用惯性管调相使得大量的声功无法回收，限制了效率的提高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何减小回热器中的压力波动与体积流率之间的相位差，以获得最佳的制冷性能，同时回收较高温区的大量膨胀声功，避免低温下的运动部件。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种多级低温制冷机，其包括排出器组件、压缩机组件和制冷机外壳，所述排出器组件包括排出器气缸和一对排出器活塞，一对所述排出器活塞对置设于所述排出器气缸中，所述排出器活塞与所述排出器气缸之间采用间隙密封连接，所述排出器活塞采用阶梯结构；所述压缩机组件包括一对对置设于所述制冷机外壳中的压缩机活塞和压缩机气缸，所述压缩机活塞与压缩机气缸采用间隙密封连接，所述压缩机气缸的端口处与所述制冷机外壳密封固定连接。

其中，还包括一级回热器、二级回热器、一级脉冲管和二级脉冲管，所述一级回热器下端设有室温端换热器，所述一级回热器的上端设有一级冷端换热器，所述二级回热器的下端与所述一级冷端换热器相连，所述二级回热器的上端设有二级冷端换热器；所述一级脉冲管的上端与所述一级冷端换热器相连，其下端设有一级热端换热器，所述二级脉冲管的上端与二级冷端换热器相连，其下端设有二级热端换热器。

其中，所述排出器活塞包括大轴活塞端和小轴活塞端，所述大轴活塞端和小轴活塞端的连接处设有环形凹槽，所述排出器气缸设有连通所述环形凹槽的第一空腔，一对所述排出器活塞的小轴活塞端相对设置，两者之间留有间隙，所述排出器气缸设有与所述间隙连通的第二空腔，所述排出器气缸设有连通两个所述环形凹槽的第三空腔，所述第一空腔的上端与所述一级热端换热器相连，所述第一空腔、第三空腔以及一级热端换热器之间的空腔形成一级膨胀腔；所述第二空腔与所述第二热端换热器相连，所述第二空腔与第二热端换热器之间的空腔形成二级膨胀腔。

其中，相对设置的两对所述压缩机活塞与压缩机气缸连接后之间的空间，以及所述压缩机气缸的端口与所述制冷机外壳连接后之间形成的空间共同构成压缩腔，所述压缩腔与所述室温端换热器相连；所述排出器组件位于所述压缩腔内或者位于所述压缩腔外，当所述排出器组件位于所述压缩腔外时，所述排出器气缸与所述压缩腔之间通过连接管连通，所述排出器气缸设有连通所述压缩腔与室温端换热器的第四空腔。

其中，所述大轴活塞端与所述环形凹槽相邻的侧端面与所述排出器气缸的侧壁通过支撑板簧连接。

其中，所述大轴活塞端的外端面面积等于所述大轴活塞端与所述环形凹槽相邻的侧端面面积与所述小轴活塞端的端面面积之和。

其中，所述排出器组件工作于室温区域。

其中，所述一级脉冲管与所述二级脉冲管同轴设置；或者所述一级脉冲管设于所述二级脉冲管之外，两者之间通过连接件连接。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种多级低温制冷机，其包括排出器组件和压缩机组件，所述排出器组件包括排出器气缸和一对排出器活塞，一对所述排出器活塞对置设于所述排出器气缸中，所述排出器活塞采用阶梯结构，从而能够形成两个或两个以上的膨胀腔，用于分别调节不同级的回热器的压力波动与气体流速之间的相位，分别在多个回热器内形成较小的相位差，以减小损失，提升制冷性能；

所述的排出器活塞能够有效回收膨胀腔内的大量膨胀声功，提高了系统效率；

所述排出器活塞和压缩机活塞分别采用对置设置，能够相互抵消振动，结构简单、振动小、可靠性高、寿命长、成本低。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种多级制冷机的纵向剖视图；

图2为图1中A的局部放大图；

图3为本发明实施例2的一种多级制冷机的纵向剖视图；

图4为本发明实施例3的一种多级制冷机的纵向剖视图；

图5为本发明实施例4的一种多级制冷机的纵向剖视图。

图中：1：线圈；2：动子磁铁；3：压缩机活塞；4：压缩机气缸；5：压缩腔；6：预冷用室温端换热器；7：预冷用一级回热器；8：预冷用一级冷端换热器；9：预冷用一级脉冲管；10：预冷用一级热端换热器；11：一级膨胀腔；12：室温端换热器；13：一级回热器；14：一级冷端换热器；15：二级回热器；16：二级冷端换热器；17：二级脉冲管；18：二级热端换热器；19：二级膨胀腔；20：排出器活塞；21：支撑板簧；22：热桥；23：冷端连接管；24：导流丝网；25：一级脉冲管；26：一级热端换热器；27：制冷机外壳；28：大轴活塞端的外端面；29：侧端面；30：小轴活塞端的端面；31：排出器气缸；32：连接管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。

实施例1

如图1和图2所示，为本发明提供的一种多级低温制冷机，其包括排出器组件、压缩机组件和制冷机外壳27，所述排出器组件包括排出器气缸31和一对排出器活塞20，一对所述排出器活塞20对置设于所述排出器气缸31中，运动方向相反且产生的振动完全抵消；所述排出器活塞20与所述排出器气缸31之间采用微米级的间隙密封连接，所述排出器活塞20采用阶梯轴结构；排出器活塞20采用无连杆结构，工作于室温下，充分发挥排出器调相能力强的优势，在较高温区回收声功，形成高效工作于液氢以下温区的小型低温制冷机结构；排出器组件密封长度短，不易弯曲，同时不受低温冲击影响，具有更高的可靠性；所述压缩机组件包括一对对置设于所述制冷机外壳27中的压缩机活塞3和压缩机气缸4，产生振动能相互抵消，所述压缩机活塞3与压缩机气缸4采用微米级的间隙密封连接，所述压缩机气缸4的端口处与所述制冷机外壳27密封固定连接。

该制冷机还包括一级回热器13、二级回热器15、一级脉冲管25和二级脉冲管17，所述一级回热器13下端设有室温端换热器12，所述一级回热器13的上端设有一级冷端换热器14，所述二级回热器15的下端与所述一级冷端换热器14相连，所述二级回热器15的上端设有二级冷端换热器16；所述一级脉冲管25的上端与所述一级冷端换热器14相连，其下端设有一级热端换热器26，所述二级脉冲管17的上端与二级冷端换热器16相连，其下端设有二级热端换热器18；所述一级脉冲管25设于所述一级回热器13、室温端换热器12和一级冷端换热器14围成的空间中，所述二级脉冲管17穿过所述一级脉冲管25设于所述二级冷端回热器、二级回热器15、一级冷端换热器14、一级冷端换热器14和室温端换热器12围成的空间中；所述一级脉冲管25与二级脉冲管17同轴设置，更有利于实际应用；所述的排出器气缸31与排出器活塞20，利用脉冲管隔离冷端与室温端，使其工作于室温区域，有效避免了低温下的运动部件，提高了系统可靠性，减小了振动。

具体地，采用阶梯结构的所述排出器活塞20包括大轴活塞端和小轴活塞端，所述大轴活塞端和小轴活塞端的连接处设有环形凹槽，所述排出器气缸31设有连通所述环形凹槽的第一空腔，一对所述排出器活塞20的小轴活塞端相对设置，两者之间留有间隙，所述排出器气缸31设有与所述间隙连通的第二空腔，所述排出器气缸31设有连通两个所述环形凹槽的第三空腔，所述第一空腔的上端与所述一级热端换热器26相连，所述第一空腔、第三空腔以及一级热端换热器26之间的空腔形成一级膨胀腔11，所述一级膨胀腔11通过所述一级热端换热器26与所述一级回热器13连通；所述第二空腔与所述第二热端换热器相连，所述第二空腔与第二热端换热器之间的空腔形成二级膨胀腔19，所述二级膨胀腔19通过所述二级热端换热器18与所述二级回热器15连通。大量研究结果表明，回热器中压力波动与体积流率之间的相位关系对于减小损失，提升性能非常重要，当压力波动与体积流率相位差较小时，回热器内损失较小，能够以最小的流动损失获得最佳的制冷性能；而排出器活塞20采用阶梯轴结构，能够形成两个或两个以上的膨胀腔，分别用于调节一级回热器13和二级回热器15相位，分别在两个回热器内形成较小的相位差，从而提升了制冷机性能，更有利于到达低温。

其中，相对设置的两对所述压缩机活塞3与压缩机气缸4连接后之间的空间，以及所述压缩机气缸4的端口与所述制冷机外壳27连接后之间形成的空间共同构成压缩腔5，所述压缩腔5与所述室温端换热器12相连；所述排出器组件位于所述压缩腔5内。所述排出器活塞20与压缩机活塞3中心线重合。

其中，所述压缩机组件还包括线圈1和动子磁铁2，所述线圈1与所述制冷机外壳27固定连接，所述压缩机气缸4穿设在所述线圈1中，所述动子磁铁2套设在所述压缩机气缸4上与所述线圈1相对的位置，给线圈1通电用于带动压缩机活塞3往复移动。

其中，所述大轴活塞端与所述环形凹槽相邻的侧端面29与所述排出器气缸31的侧壁通过支撑板簧21连接。

其中，所述大轴活塞端的外端面28面积等于所述大轴活塞端与所述环形凹槽相邻的侧端面29面积与所述小轴活塞端的端面30面积之和；以使得两侧作用面无面积差，能够为多级回热器结构提供最佳的阻抗条件，进而达到高效的目的。

工作原理：系统内充有具有一定压力的氦气；线圈1两端依靠具有一定频率的交流电驱动，产生交变磁场，动子磁铁2在交变磁场的作用下带动压缩机活塞3作直线往复运动，由此氦气在系统内形成周期性压力波动；压力波动经由压缩腔5进入室温端换热器12等部件，在一级回热器13、二级回热器15、一级脉冲管25、二级脉冲管17和排出器组件等的共同作用下，形成一定声场分布，气体压缩主要发生于一级回热器13的热端，热量经由室温端换热器12带出；气体经过一级回热器13，以及一级脉冲管25、一级热端换热器26，在排出器组件中的一级膨胀腔11的作用下，气体进行第一次膨胀，产生制冷效应，工作温区相对较高，在一级冷端换热器14中产生冷量，冷量用于冷却二级回热器15的热端，部分多余冷量可对外输出；气体经由二级回热器15、二级脉冲管17、二级热端换热器18之后，在排出器组件中的二级膨胀腔19的作用下，产生膨胀，在二级冷端换热器16中气体产生冷量，工作温区进一步降低。

所述排出器组件在排出器活塞20两侧端面的作用下，支撑板簧21具有很高的刚度系数，在支撑板簧21刚度以及排出器活塞20刚度以及排出器活塞20，在此作用下，制冷量被周期性转移到室温端，产生制冷效应。此外，膨胀腔内膨胀功经由排出器活塞20回至压缩腔5，起到声功回收的作用。

实施例2

本实施例2与实施例1的区别仅在于，如图3所示，所述一级脉冲管25设于所述二级脉冲管17之外，所述一级脉冲管25为预冷用一级脉冲管9，此时，设于所述预冷用一级脉冲管9上端的为预冷用一级冷端换热器8，设于其下端的为预冷用一级热端换热器10，设于其外围的为预冷用一级回热器7，所述预冷用一级冷端换热器8与一级冷端换热器14之间通过热桥22连接，所述热桥22由紫铜固体等制作而成；预冷用一级回热器7的下端设有预冷用室温端换热器6，所述压缩腔5分别与所述预冷用室温端换热器6和所述室温端换热器12相连。

实施例3

本实施例3与实施例1的区别仅在于，如图4所示，所述一级脉冲管25位于所述二级脉冲管17之外，所述一级脉冲管25的上端设有导流丝网24，所述一级脉冲管25的上端通过导流丝网24和冷端连接管23与所述一级冷端换热器14连接。

实施例4

本实施例4与实施例1的区别仅在于，如图5所示，所述排出器组件位于所述压缩腔5外，所述排出器气缸31与所述压缩腔5之间通过连接管32连通，所述排出器气缸31设有连通所述压缩腔5与室温端换热器12的第四空腔。

由以上实施例可以看出，本发明结构简单、振动小、可靠性高、寿命长、成本低，能够在两个回热器内形成较小的相位差，从而提高制冷机的制冷性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多级低温制冷机，其特征在于，包括排出器组件、压缩机组件和制冷机外壳，所述排出器组件包括排出器气缸和一对排出器活塞，一对所述排出器活塞对置设于所述排出器气缸中，所述排出器活塞与所述排出器气缸之间采用间隙密封连接，所述排出器活塞采用阶梯结构；所述压缩机组件包括一对对置设于所述制冷机外壳中的压缩机活塞和压缩机气缸，所述压缩机活塞与压缩机气缸采用间隙密封连接，所述压缩机气缸的端口处与所述制冷机外壳密封固定连接。

2.如权利要求1所述的多级低温制冷机，其特征在于，还包括一级回热器、二级回热器、一级脉冲管和二级脉冲管，所述一级回热器下端设有室温端换热器，所述一级回热器的上端设有一级冷端换热器，所述二级回热器的下端与所述一级冷端换热器相连，所述二级回热器的上端设有二级冷端换热器；所述一级脉冲管的上端与所述一级冷端换热器相连，其下端设有一级热端换热器，所述二级脉冲管的上端与二级冷端换热器相连，其下端设有二级热端换热器。

3.如权利要求2所述的多级低温制冷机，其特征在于，所述排出器活塞包括大轴活塞端和小轴活塞端，所述大轴活塞端和小轴活塞端的连接处设有环形凹槽，所述排出器气缸设有连通所述环形凹槽的第一空腔，一对所述排出器活塞的小轴活塞端相对设置，两者之间留有间隙，所述排出器气缸设有与所述间隙连通的第二空腔，所述排出器气缸设有连通两个所述环形凹槽的第三空腔，所述第一空腔的上端与所述一级热端换热器相连，所述第一空腔、第三空腔以及一级热端换热器之间的空腔形成一级膨胀腔；所述第二空腔与所述第二热端换热器相连，所述第二空腔与第二热端换热器之间的空腔形成二级膨胀腔。

4.如权利要求3所述的多级低温制冷机，其特征在于，相对设置的两对所述压缩机活塞与压缩机气缸连接后之间的空间，以及所述压缩机气缸的端口与所述制冷机外壳连接后之间形成的空间共同构成压缩腔，所述压缩腔与所述室温端换热器相连；所述排出器组件位于所述压缩腔内或者位于所述压缩腔外，当所述排出器组件位于所述压缩腔外时，所述排出器气缸与所述压缩腔之间通过连接管连通，所述排出器气缸设有连通所述压缩腔与室温端换热器的第四空腔。

5.如权利要求3所述的多级低温制冷机，其特征在于，所述大轴活塞端与所述环形凹槽相邻的侧端面与所述排出器气缸的侧壁通过支撑板簧连接。

6.如权利要求3所述的多级低温制冷机，其特征在于，所述大轴活塞端的外端面面积等于所述大轴活塞端与所述环形凹槽相邻的侧端面面积与所述小轴活塞端的端面面积之和。

7.如权利要求3所述的多级低温制冷机，其特征在于，所述排出器组件工作于室温区域。

8.如权利要求2所述的多级低温制冷机，其特征在于，所述一级脉冲管与所述二级脉冲管同轴设置；或者所述一级脉冲管设于所述二级脉冲管之外，两者之间通过连接件连接。