CN107687718A - 一种多级斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低温制冷技术领域，具体涉及了一种多级斯特林制冷机，包括机体，机体上设置有气体压缩单元、制冷单元和排出器，气体压缩单元与制冷单元相连，排出器设置在气体压缩单元与制冷单元之间所形成的空腔内；其中，制冷单元为多级，多级制冷单元由下至上依次设置，多级制冷单元的温度由下至上逐级降低，排出器设置在最下一级的制冷单元与气体压缩单元之间所形成的空腔内。本发明提供的一种多级斯特林制冷机，排出器长度大大缩短，使间隙密封段同时位于室温区域，使得排出器重量减轻，不易弯曲，不受低温冲击的影响，具有更高的可靠性；同时克服了低温状态下，微米级的间隙密封可靠性低，对工艺要求高的问题。

Description

一种多级斯特林制冷机

技术领域

本发明涉及低温制冷技术领域，尤其涉及一种多级斯特林制冷机。

背景技术

工作于液氮至液氦温区的低温制冷机在超导电力、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G-M制冷机以及斯特林制冷机等。

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30-60Hz。为达到液氢以下温区，由于回热器两侧温差范围大，损失较大，需采用多级膨胀结构，采用两个以上膨胀腔，一级膨胀至液氮温区以后，二级在此基础上进一步降温。为防止腔体间气体流动引起的穿梭损失，排出器与壁面之间需要微米级的间隙密封。对于单级斯特林制冷机，其排出器间隙密封可放置于室温区域，可防止热变形等应力导致的不可靠性增加。对于两级及以上斯特林制冷机，其不仅在室温端存在间隙密封，在一级冷端同样存在间隙密封，用以隔绝一级膨胀腔与二级膨胀腔之间气体穿梭损失，低温间隙密封不仅可靠性低，并且其摩擦损失之间导致冷量的减小，导致效率难以提高。而为达到更低温度，通常在第二级采用磁性填料(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。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种多级斯特林制冷机，旨在解决现有技术中的制冷机排出器过长，在低温区的一段由于受低温的冲击容易弯曲变形，可靠性低，运行寿命短的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多级斯特林制冷机，包括机体，所述机体上设置有气体压缩单元、制冷单元和排出器，所述气体压缩单元与所述制冷单元相连，所述排出器设置在所述气体压缩单元与所述制冷单元之间所形成的空腔内；其中，

所述制冷单元为多级，多级所述制冷单元由下至上依次设置，多级所述制冷单元的温度由下至上逐级降低，所述排出器设置在最下一级的所述制冷单元与所述气体压缩单元之间所形成的空腔内。

在一个实施方式中，所述制冷单元包括一级制冷单元和二级制冷单元，所述一级制冷单元和所述二级制冷单元由下至上依次连通设置在所述气体压缩单元上部；所述排出器设置在所述一级制冷单元与所述气体压缩单元之间所形成的空腔内。

在一个实施方式中，所述一级制冷单元包括由下至上依次连接的温室端换热器、一级回热器和一级冷端换热器，所述温室端换热器与所述气体压缩单元上部相连；所述排出器套设在所述温室端换热器和所述一级回热器所形成的空腔内。

在一个实施方式中，所述二级制冷单元包括由下至上依次设置的二级回热器和二级冷端换热器，所述二级回热器与所述一级制冷单元上部相连。

在一个实施方式中，所述排出器包括排出器活塞和设置在所述排出器活塞下方用以支撑固定所述排出器活塞的弹簧，所述弹簧设置在所述排出器活塞、所述一级制冷单元和所述气体压缩单元所共同形成的压缩前腔内。

在一个实施方式中，所述弹簧为第一支撑板簧，所述第一支撑板簧固定在所述气体压缩单元内部，用以对所述排出器活塞进行固定支撑。

在一个实施方式中，还包括设置在所述弹簧与所述气体压缩单元之间开有通孔的隔板，所述隔板固定在所述气体压缩单元内部；所述弹簧为第二支撑板簧，所述第二支撑板簧设置在所述隔板与所述排出器活塞之间的中轴线上，用以对所述排出器活塞进行固定支撑。

在一个实施方式中，还包括设置在所述制冷单元内的脉冲管和脉冲管热端换热器，所述脉冲管上端与所述二级冷端换热器相连，所述脉冲管的下端与所述脉冲管热端换热器相连。

在一个实施方式中，所述气体压缩单元为压缩机，所述压缩机的输出端与最下一级的所述制冷单元相连。

在一个实施方式中，所述压缩机包括压缩机活塞，所述压缩机活塞与排出器活塞同轴设置。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明提供的一种多级斯特林制冷机，通过将排出器设置在最下一级的制冷单元(即本实施例中的一级制冷单元)与气体压缩单元之间所形成的空腔内，大大缩短了排出器的长度，使排出器及其间隙密封段同时位于室温区域，使得排出器重量减轻，不易弯曲，不受低温冲击的影响，具有更高的可靠性；同时克服了低温状态下，微米级的间隙密封可靠性低，对工艺要求高的问题。

附图说明

图1为本发明一种实施例的多级斯特林制冷机的剖视图；

图2为本发明另一种实施例的多级斯特林制冷机的剖视图；

其中，1-线圈；2-动子磁铁；3-压缩机气缸；4-压缩机活塞；5-压缩机壳体；6-压缩前腔；7a-第一支撑板簧；7b-第二支撑板簧；8-排出器活塞；9-温室端换热器；10-一级回热器；11-一级冷端换热器；12-二级回热器；13-二级冷端换热器；14-脉冲管；15-一级膨胀腔；16-二级膨胀腔；17-脉冲管热端换热器；18-被动振子；19隔板；20-压缩机背腔。

具体实施方式

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

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；除非另有说明，“缺口状”的含义为除截面平齐外的形状。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请一并参见图1至图2所示，本发明提供了一种多级斯特林制冷机，包括机体，机体上设置有气体压缩单元、制冷单元和排出器，气体压缩单元与制冷单元相连，排出器设置在气体压缩单元与制冷单元之间所形成的空腔内；其中，制冷单元为多级，多级制冷单元由下至上依次设置，多级制冷单元的温度由下至上逐级降低，排出器设置在最下一级的制冷单元与气体压缩单元之间所形成的空腔内。

与现有技术相比，本发明提供的一种多级斯特林制冷机，通过将排出器设置在最下一级的制冷单元(即本实施例中的一级制冷单元)与气体压缩单元之间所形成的空腔内，大大缩短了排出器的长度，使排出器及其间隙密封段同时位于室温区域，使得排出器重量减轻，不易弯曲，不受低温冲击的影响，具有更高的可靠性；同时克服了低温状态下，微米级的间隙密封可靠性低，对工艺要求高的问题。

进一步的，作为本发明提供的一种多级斯特林制冷机的一种具体实施方式，制冷单元包括一级制冷单元和二级制冷单元，一级制冷单元和二级制冷单元由下至上依次连通设置在气体压缩单元上部；排出器设置在一级制冷单元与气体压缩单元之间所形成的空腔内。

本发明提供的一种多级斯特林制冷机，利用采用阶梯活塞型式的排出器结构对多级斯特林制冷机声场进行调节，其中一级制冷单元采用排出器调相，二级制冷单元的冷端采用脉冲管14(空管道)隔绝低温，连接至位于室温区域的排出器，排出器间隙密封段同时位于室温区域，排出器可采用连杆结构或者无连杆结构。间隙密封位于室温下，充分发挥排出器调相能力强的优势，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。相比于多级斯特林制冷机的排出器结构，排出器长度缩短，重量减小，不易弯曲，同时不受低温冲击影响，具有更高的可靠性。

大量研究结果表面，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。尤其是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。而采用阶梯活塞时，能够形成两个以上的膨胀腔，分布调节一级、二级的回热器相位，分别在两个回热器内形成较小的相位差。选用阶梯形式的排出器结构成为提升脉冲管制冷机性能的一个关键途径。

初步计算分析表明，通过选择合适的阶梯面积差，并与排出器两侧压差及板簧刚度的组合，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。而在一级排出器结构处，可以将脉冲管侧声功传递至压缩前腔，达到回收声功的目的。

具体的，一级制冷单元包括由下至上依次连接的温室端换热器9、一级回热器10和一级冷端换热器11，温室端换热器9与气体压缩单元上部相连；排出器套设在温室端换热器9和一级回热器10所形成的空腔内。

具体的，二级制冷单元包括由下至上依次设置的二级回热器12和二级冷端换热器13，二级回热器12与一级制冷单元上部相连。

参见图1、2所示，一、二级制冷单元的具体结构如下：固定安装于气体压缩单元出口处的室温端换热器9、一级回热器10和一级冷端换热器11；一级冷端换热器11上侧与二级回热器12相连，二级回热器12上端与二级冷端换热器13相连；脉冲管14上端与二级冷端换热器13相连；脉冲管14下端与脉冲管热端换热器17相连。

进一步的，作为本发明提供的一种多级斯特林制冷机的一种具体实施方式，排出器包括排出器活塞8和设置在排出器活塞8下方用以支撑固定排出器活塞8的弹簧，弹簧设置在排出器活塞8、一级制冷单元和气体压缩单元所共同形成的压缩前腔6内。

具体的，排出器包括排出器活塞8和弹簧(7a或7b)，排出器外侧气缸壁，排出器内侧气缸壁，排出器活塞8为分为内外两个端面，其中内端面与脉冲管热端换热器17包络形成二级膨胀腔16，排出器活塞8外端面与一级冷端换热器11下侧左部、脉冲管14壁面包络形成一级膨胀腔15，排出器外侧气缸壁与排出器活塞8构成的间隙密封，位于室温端换热器9一侧，排出器内侧气缸壁与排出器活塞8形成微米级的间隙密封，位于脉冲管热端换热器17一侧，排出器活塞8依靠弹簧(7a或8b)固定在壳体之上。

需要说明的是，排出器活塞8两侧面无面积差，即排出器压缩侧端面面积等于排出器一级膨胀腔15端面与排出器二级膨胀腔16端面面积之和。

关于第一支撑板簧7a、第二支撑板簧7b的结构详见图1、2所示。

第一种结构，弹簧为第一支撑板簧7a，第一支撑板簧7a固定在气体压缩单元内部，用以对排出器活塞8进行固定支撑。

第二种结构，还包括设置在弹簧与气体压缩单元之间开有通孔的隔板19，隔板19固定在气体压缩单元内部；弹簧为第二支撑板簧7b，第二支撑板簧7b设置在隔板19与排出器活塞8之间的中轴线上，用以对排出器活塞8进行固定支撑。阶梯室温排出器组件上部分同第一种结构相同。参见图2所示，不同于第一种的结构的是，隔板19与压缩机外壳5相连，位于压缩前腔6之中，隔板19上开有通孔供气体通过；连接隔板19与排出器下部分构成微米级的间隙密封，排出器活塞8依靠支撑板簧7b固定在隔板19上。

需要说明的是，排出器活塞8两侧端面有面积差，即排出器压缩侧端面面积小于排出器一级膨胀腔15端面与排出器二级膨胀腔16端面面积之和。

还包括设置在制冷单元内的脉冲管14和脉冲管热端换热器17，脉冲管14上端与二级冷端换热器13相连，脉冲管14的下端与脉冲管热端换热器17相连。

气体压缩单元为压缩机，压缩机的输出端与最下一级的制冷单元相连。具体包括线圈1、动子磁铁2、压缩机气缸3、压缩机活塞4和压缩机壳体5，其中压缩机活塞4与压缩机气缸壁之间为微米级的间隙密封，压缩机壳体5、线圈1、压缩机活塞4、压缩机气缸壁包络而成的空体积为压缩机背腔20。

另外，压缩机壳体5底部还设置有被动振子18，用于减小压缩机活塞4、排出器活塞8产生的振动。

压缩机包括压缩机活塞4，压缩机活塞4与排出器活塞8同轴设置。

参见图1所示，排出器中为第一板簧7a，工作时，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4作直线往复运动，由此氦气在系统内形成周期性压力波动；压力波动经由压缩前腔6进入室温端换热器9、一级回热器10、一级冷端换热器11、二级回热器12、二级冷端换热器13等部件，在回热器、脉冲管、排出器等组件的共同作用下，形成一定声场分布，气体压缩主要发生于一级回热器10热端，热量经由室温端换热器9带出，气体经过一级回热器10，以及一级冷端换热器11，在排出器活塞8外侧端面的作用下，一部分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11中产生冷量，冷量用于冷却二级回热器12热端，部分多余冷量可对外输出，气体经由二级回热器12、二级冷端换热器13、脉冲管14、脉冲管热端换热器15之后，在排出器活塞8内部端面的作用下，产生第二次膨胀，在二级冷端换热器13中气体产生冷量，工作温区进一步降低。

排出器在两端端面的作用下，支持板簧7a(支撑板簧7b)具有很高的刚度系数，在弹簧刚度以及排出器活塞8两侧压差的作用下，对整机声场进行调节，使得系统内气体压缩时，大部分气体位于室温侧，膨胀时气体大部位于低温侧。再此作用下，制冷量被周期性转移到室温端，产生制冷效应。此外，一级膨胀腔15、二级膨胀腔16内膨胀功经由排出器活塞8回至压缩前腔，起到声功回收的作用。

参见图2所示，排出器中为第二板簧7b，工作时，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4作直线往复运动，由此氦气在系统内形成周期性压力波动；压力波动经由压缩前腔6进入室温端换热器9、一级回热器10、一级冷端换热器11、二级回热器12、二级冷端换热器13等部件，在回热器、脉冲管、排出器等组件的共同作用下，形成一定声场分布，气体压缩主要发生于一级回热器10热端，热量经由室温端换热器9带出，气体经过一级回热器10，以及一级冷端换热器11，在排出器活塞8外侧端面的作用下，一部分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11中产生冷量，冷量用于冷却二级回热器12热端，部分多余冷量可对外输出，气体经由二级回热器12、二级冷端换热器13、脉冲管14、脉冲管热端换热器15之后，在排出器活塞8内部端面的作用下，产生第二次膨胀，在二级冷端换热器13中气体产生冷量，工作温区进一步降低。

不同于弹簧为第一板簧7a的结构，排出器面向冷端部分面积大于室温端面积，在面积差的作用下，支持板簧7b不需要具有很高的刚度系数，其在排出器活塞两端端面压力的作用下，对整机声场进行调节，使得系统内气体压缩时，大部分气体位于室温侧，膨胀时气体大部位于低温侧，再此作用下，制冷量被周期性转移到室温端，产生制冷效应；此外，一级膨胀腔15、二级膨胀腔16内膨胀功经由排出器活塞8回至压缩前腔，起到声功回收的作用。

本发明提供的一种多级斯特林制冷机，具有如下优点：

采用阶梯活塞型式的排出器结构对多级斯特林脉冲管制冷机声场进行调节，其中一级采用排出器调节，能够有效避免一级脉冲管较小长径比带来的自然对流效应。

二级通过脉冲管部件将二级排出器单元引至室温侧，间隙密封均处于室温下，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；同时二级脉冲管长径比较大，能够有效减小自然对流效率。

相比于斯特林制冷机的排出器结构，室温排出器密封长度短，不易弯曲，同时不受低温冲击影响，具有更高的可靠性。

采用阶梯活塞时，能够形成两个以上的膨胀腔，分布调节一级、二级的回热器相位，分别在两个回热器内形成较小的相位差。选用阶梯形式的室温排出器结构成为提升制冷机性能的一个关键途径。

在结构型式上，采用同轴结构更有利于结构紧凑性，冷端部分可直接用于被冷物体，方便实际应用。

一级采用排出器调相，在二级采用脉冲管与排出器结合；不受低温冲击影响，保证了可靠性，同时提高了制冷机性能；采用同轴结构，更有利于实际应用；多级膨胀，更有利于到达低温。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种多级斯特林制冷机，其特征在于，包括机体，所述机体上设置有气体压缩单元、制冷单元和排出器，所述气体压缩单元与所述制冷单元相连，所述排出器设置在所述气体压缩单元与所述制冷单元之间所形成的空腔内；

其中，所述制冷单元为多级，多级所述制冷单元由下至上依次设置，多级所述制冷单元的温度由下至上逐级降低，所述排出器设置在最下一级的所述制冷单元与所述气体压缩单元之间所形成的空腔内。

2.根据权利要求1所述的多级斯特林制冷机，其特征在于，所述制冷单元包括一级制冷单元和二级制冷单元，所述一级制冷单元和所述二级制冷单元由下至上依次连通设置在所述气体压缩单元上部；所述排出器设置在所述一级制冷单元与所述气体压缩单元之间所形成的空腔内。

3.根据权利要求2所述的多级斯特林制冷机，其特征在于，所述一级制冷单元包括由下至上依次连接的温室端换热器(9)、一级回热器(10)和一级冷端换热器(11)，所述温室端换热器(9)与所述气体压缩单元上部相连；所述排出器套设在所述温室端换热器(9)和所述一级回热器(10)所形成的空腔内。

4.根据权利要求2所述的多级斯特林制冷机，其特征在于，所述二级制冷单元包括由下至上依次设置的二级回热器(12)和二级冷端换热器(13)，所述二级回热器(12)与所述一级制冷单元上部相连。

5.根据权利要求2或3所述的多级斯特林制冷机，其特征在于，所述排出器包括排出器活塞(8)和设置在所述排出器活塞(8)下方用以支撑固定所述排出器活塞(8)的弹簧，所述弹簧设置在所述排出器活塞(8)、所述一级制冷单元和所述气体压缩单元所共同形成的压缩前腔(6)内。

6.根据权利要求5所述的多级斯特林制冷机，其特征在于，所述弹簧为第一支撑板簧(7a)，所述第一支撑板簧(7a)固定在所述气体压缩单元内部，用以对所述排出器活塞(8)进行固定支撑。

7.根据权利要求5所述的多级斯特林制冷机，其特征在于，还包括设置在所述弹簧与所述气体压缩单元之间开有通孔的隔板(19)，所述隔板(19)固定在所述气体压缩单元内部；所述弹簧为第二支撑板簧(7b)，所述第二支撑板簧(7b)设置在所述隔板(19)与所述排出器活塞(8)之间的中轴线上，用以对所述排出器活塞(8)进行固定支撑。

8.根据权利要求4所述的多级斯特林制冷机，其特征在于，还包括设置在所述制冷单元内的脉冲管(14)和脉冲管热端换热器(17)，所述脉冲管(14)上端与所述二级冷端换热器(13)相连，所述脉冲管(14)的下端与所述脉冲管热端换热器(17)相连。

9.根据权利要求5所述的多级斯特林制冷机，其特征在于，所述气体压缩单元为压缩机，所述压缩机的输出端与最下一级的所述制冷单元相连。

10.根据权利要求9所述的多级斯特林制冷机，其特征在于，所述压缩机包括压缩机活塞(4)，所述压缩机活塞(4)与排出器活塞(8)同轴设置。