CN106679218B - 一种双级斯特林制冷机膨胀器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于低温制冷技术领域，特别涉及一种斯特林制冷机膨胀器。一种双级斯特林制冷机膨胀器，其技术方案是：冷缸体为连接基体，一级回热器套结在冷缸体的空心柱形结构内；密封座位于背压腔和一级回热器之间，形成密封；二级回热器位于二级冷指内，二级冷指一端与冷缸体的空心柱形结构连接，二级膨胀腔另一端设有冷板；二级回热器通过质量流分配器与一级回热器连接；本发明可针对被冷却对象提供两种不同的工作温度。质量流分配器连接一级回热器和二级回热器，使二级回热器随着一级回热器同步运动，同时质量流分配器可自适应调节二级回热器与二级冷指之间径向配合间隙值的均匀性，减小了磨损。

Description

一种双级斯特林制冷机膨胀器
技术领域
本发明属于低温制冷技术领域，特别涉及一种斯特林制冷机膨胀器。
背景技术
斯特林制冷机用于为探测器等冷却目标提供适宜的环境温度，目前单级斯特林制冷机一般用于冷却在80K左右工作的探测器。不过，随着探测器探测波长的延伸，其所需的工作温度也明显降低，远远超出了目前单级斯特林制冷机所能获得的制冷温度，而且某些被冷却对象同时需要提供两种不同的工作温度，因而需要设计一种可获得更低温度的双级斯特林制冷机。
发明内容
本发明的目的是：为填补现有技术空白，提供一种双级斯特林制冷机膨胀器，其作为双级斯特林制冷机的制冷部件可获得优越的制冷性能，提高制冷机的可靠性和运行寿命。
本发明的技术方案是：一种双级斯特林制冷机膨胀器，它包括：冷缸体、一级回热器、二级回热器以及质量流分配器；
冷缸体为连接基体，其一端为空心柱形结构，另一端通过端盖封闭，冷缸体内腔靠近端盖一侧为背压腔；一级回热器套结在冷缸体的空心柱形结构内；密封座紧固于背压腔与一级回热器之间，形成密封，密封座与一级回热器之间的空间形成室温腔；
二级回热器位于二级冷指内，二级冷指一端与冷缸体的空心柱形结构连接，另一端设有冷板；二级回热器通过质量流分配器与一级回热器连接；
冷缸体内部，一级回热器与二级回热器之间的空间形成一级膨胀腔；二级冷指内部，二级回热器与冷板之间的空间形成二级膨胀腔；
质量流分配器包括：相连且可沿径向进行微量相对运动的圆环与圆台，其中圆环与一级回热器相连，圆台与二级回热器相连；圆环上设有与一级膨胀腔相通的通孔，圆台上设有与二级回热器相通的通孔；
冷缸体、一级回热器、质量流分配器以及二级回热器的轴线位于同一直线上；
冷缸体上设有连通压缩机与室温腔的通孔。
工作原理：源自压缩机的高压工质流入一级回热器内的回热填料，并将热量传递至一级回热填料中，部分工质在一级膨胀腔进行膨胀，完成一级制冷；剩余部分工质则经过质量流分配器流入二级回热器内的回热填料，并继续将热量传递至二级回热填料中，并在二级膨胀腔内进行膨胀，完成二级制冷；完成膨胀的工质流回二级回热器填料和一级回热器填料，吸收存储在回热器填料中的热量，并流回压缩机压缩腔内；
运行过程中，质量流分配器用于连接一级回热器和二级回热器，对一、二级的制冷能力有重要的影响，并使二级回热器随着一级回热器同步运动。
有益效果：本发明可针对被冷却对象提供两种不同的工作温度。质量流分配器连接一级回热器和二级回热器，使二级回热器随着一级回热器运动，同时质量流分配器可自适应调节二级回热器与二级冷指之间的径向配合间隙均匀性，减小了磨损，降低对零件的加工精度要求，提高了双级斯特林制冷机的可靠性和运行寿命。
本发明可用于冷却红外探测类有效载荷，主要包括甚长波红外探测器、探测器光路，此外还可用于冷却γ射线探测器、空间天文低温接收系统、极低温制冷系统的前级预冷和冷屏的冷却等，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2是图1的局部放大图。
具体实施方式
参见附图，一种双级斯特林制冷机膨胀器，它包括：冷缸体4、一级回热器11、二级回热器6以及质量流分配器10；
冷缸体4为连接基体，其中心孔为阶梯孔，冷缸体4一端与二级冷指9连接，另一端向外延伸为同轴的空心柱形结构，其开放端通过端盖15封闭；一级回热器11套结在冷缸体4的空心柱形结构内；密封座3紧固于冷缸体4内部阶梯孔的阶梯处，形成密封；密封座3与一级回热器11之间的空间为室温腔12，密封座3与室温腔12相对的端面为锥形面；
二级回热器6位于二级冷指9内，二级冷指9一端与冷缸体4的空心柱形结构的端部连接，另一端设有冷板8；二级回热器6通过质量流分配器10与一级回热器11连接；
冷缸体4内部，密封座3与一级回热器11之间的空间形成室温腔12；一级回热器11与二级回热器6之间的空间形成一级膨胀腔5；二级冷指9内部，二级回热器6与冷板8之间的空间形成二级膨胀腔7；
质量流分配器10包括：通过螺钉连接的圆环与圆台，所述螺钉不完全紧固，圆环与圆台之间可沿径向进行微量相对运动，其中质量流分配器10的圆环与一级回热器11相连，圆台与二级回热器6相连，通过质量流分配器10能够自适应调节一级回热器11与二级回热器6的径向配合间隙均匀性，减小了磨损，降低了对零件的加工精度要求，提高了双级斯特林制冷机的可靠性和运行寿命；圆环上设有与一级膨胀腔5相通的通孔，圆台上设有与二级回热器6相通的通孔；
冷缸体4、一级回热器11、质量流分配器10以及二级回热器6的轴线位于同一直线上。
冷缸体4上设有连通压缩机与室温腔12的通孔。
进一步的，可在上述方案的基础上增设线性电机，通过调节线性电机的运行参数来实现膨胀器内质量流和压力波间的相位调节，令制冷性能易于实现；线性电机安装在冷缸体4内部，由电机动子14、电机定子13组成；电机动子14的线圈处于电机定子13内，一级回热器11的尾部设有细长杆，细长杆依次穿过密封座3、电机定子13与电机动子14连接；密封座3内孔与细长杆之间形成间隙密封，间隙值为7-15μm。
更进一步的，为使所述一级回热器11与冷缸体4、二级回热器6与二级冷指9在径向上形成间隙密封，实现一级回热器11与冷缸体4、二级回热器6与二级冷指9的非接触，提高制冷机的可靠性，采用柔性板弹簧1来支撑前述运动部件，柔性板弹簧1外环通过安装在冷缸体4内壁的外垫环2进行压紧和定位，柔性板弹簧1的内环套结在一级回热器11的尾部设有细长杆上，对一级回热器11的细长杆以及电机动子14提供支撑；外垫环2的最左端与端盖15相抵触，实现压紧、定位。
上述方案的原理是：源自压缩机的高压工质流入一级回热器11内的一级回热填料中，电子动子14的驱动以及高压工质推力的作用下，一级回热器11及二级回热器6以与压力波适宜相位运动，并将高压工质内的热量传递至一级回热填料中，部分工质在一级膨胀腔5进行膨胀，完成一级制冷；剩余部分工质则通过质量流分配器10流入二级回热器6内的回热填料，并继续将热量传递至二级回热填料中，并在二级膨胀腔7内进行膨胀，完成二级制冷；完成膨胀的工质流回二级回热器9填料和一级回热器11填料，吸收存储在回热器填料中的热量，并流回压缩机；工质进行膨胀时，一级回热器11和二级回热器6在电子动子14反向驱动力和工质推力的作用下向左运行。

Claims (4)

1.一种双级斯特林制冷机膨胀器，它包括：冷缸体(4)、一级回热器(11)，其特征在于：它还包括：二级回热器(6)以及质量流分配器(10)；
所述冷缸体(4)为连接基体，其一端为空心柱形结构，另一端通过端盖(15)封闭，所述冷缸体(4)内腔靠近所述端盖(15)一侧为背压腔；所述一级回热器(11)套结在所述冷缸体(4)空心柱形结构内；密封座(3)位于背压腔与一级回热器(11)之间，形成密封，所述密封座(3)与所述一级回热器(11)之间的空间形成室温腔(12)；
所述二级回热器(6)位于二级冷指(9)内，所述二级冷指(9)一端与所述冷缸体(4)的空心柱形结构连接，另一端设有冷板(8)；所述二级回热器(6)通过所述质量流分配器(10)与所述一级回热器(11)连接；
所述冷缸体(4)内部，所述一级回热器(11)与所述二级回热器(6)之间的空间形成一级膨胀腔(5)；所述二级冷指(9)内部，所述二级回热器(6)与所述冷板(8)之间的空间形成二级膨胀腔(7)；
所述质量流分配器(10)包括：相连且可沿径向进行相对运动的圆环与圆台，其中所述圆环与所述一级回热器(11)相连，所述圆台与所述二级回热器(6)相连；所述圆环上设有与所述一级膨胀腔(5)相通的通孔，所述圆台上设有与所述二级回热器(6)相通的通孔；
所述冷缸体(4)、所述一级回热器(11)、所述质量流分配器(10)以及所述二级回热器(6)的轴线位于同一直线上；
所述冷缸体(4)上设有连通压缩机与所述室温腔(12)的通孔。
2.如权利要求1所述的一种双级斯特林制冷机膨胀器，其特征在于：所述密封座(3)与所述室温腔(12)相对的端面为锥形面。
3.如权利要求1或2所述的一种双级斯特林制冷机膨胀器，其特征在于：它还包括：安装在所述冷缸体(4)内部的线性电机；所述线性电机由电机动子(14)、电机定子(13)组成；所述电机动子(14)的线圈处于所述电机定子(13)内，所述一级回热器(11)的尾部设有细长杆，所述细长杆依次穿过密封座(3)、所述电机定子(13)与所述电机动子(14)连接；密封座(3)内孔与所述细长杆之间形成间隙密封。
4.如权利要求3所述的一种双级斯特林制冷机膨胀器，其特征在于：柔性板弹簧(1)的外环通过安装在所述冷缸体(4)内壁的外垫环(2)进行压紧和定位，柔性板弹簧(1)的内环套结在所述一级回热器(11)尾部的细长杆上，并通过螺母压紧，对所述一级回热器(11)的细长杆以及所述电机动子(14)提供支撑；所述外垫环(2)的最左端与所述端盖(15)相抵触。
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