CN113074469A - 一种低温活塞主动调相的斯特林脉管复合型制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温活塞主动调相的斯特林脉管复合型制冷机，它是基于低温活塞调相的高温级斯特林低温级脉管复合型制冷机，高温级采用斯特林冷指，低温级脉管采用电机驱动的活塞作为主动调相结构，能够在低温级脉管的回热器内形成更优的相位分布，提升制冷机效率。同时可以通过高温级斯特林排出器和低温级脉管调相压缩机两者运动相位和幅值的调节，实现高温区和低温区应对变温区变冷量的变负载需求。基于低温活塞调相的高温级斯特林低温级脉管复合型制冷机解决了多级斯特林可靠性差的问题和多级脉管制冷机效率低的问题，具有高效率、长寿命的优点，可在不同温区提供变温区多种冷量分配的制冷需求。

Description

一种低温活塞主动调相的斯特林脉管复合型制冷机
技术领域
本发明涉及制冷机领域，尤其涉及一种基于低温活塞调相的高温级斯特林低温级脉管复合型制冷机。
背景技术
空间探测技术的飞速发展促进了空间用回热式低温制冷机的发展。常用的空间回热式制冷机为斯特林制冷机和脉管制冷机，两种回热式制冷机在40K以上温区技术成熟且已经广泛用于空间探测。40K温区以下，回热式制冷机采用多级结构。其中，多级斯特林制冷机效率较高，但是多级斯特林的排出器和气缸的长度长，排出器与气缸之间同轴度难以保持，斯特林制冷机容易出现磨损甚至卡机等情况，可靠性低。多级脉管制冷机由于冷端无运动部件的结构特点，具有可靠性高的优势。但是，脉管制冷机的脉管热端声功以热的形式被耗散，未进行回收，具有本征效率低的缺陷；且传统的小孔型、气库惯性管型等调相结构很难使低温级回热器达到良好的相位关系，使得多级脉管制冷机的效率进一步降低，远低于多级斯特林制冷机。现有的多级斯特林和多级脉管制冷技术无法同时满足效率高、可靠性高的航天应用需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，如何同时实现高效率高可靠的两级制冷，针对该技术问题，本发明提出一种基于低温活塞主动调相的斯特林脉管复合型制冷机。
本发明提供的技术方案如下：一种基于低温活塞调相的高温级斯特林低温级脉管复合型制冷机，包括主压缩机、连管、高温级斯特林冷指、低温级脉管冷指、调相连管和低温级调相压缩机。所述主压缩机与高温级斯特林冷指通过连管连接，所述高温级斯特林冷指布置在低温级脉管冷指前端，所述低温级脉管冷指通过调相连管与调相压缩机相连，所述调相压缩机通过调相压缩机热桥与高温级斯特林冷指的冷端相连。
所述主压缩机为对置双活塞压缩机，其两侧活塞由板弹簧支撑、直线电机驱动进行往复直线运动，使压缩腔中的气体产生压力波动，一侧活塞固连位移传感器实时获得主压缩机活塞的位移。
所述高温级斯特林冷指可以是内置回热器型高温级斯特林冷指也可以是外置回热器型高温级斯特林冷指。以内置回热器型高温级斯特林冷指为例，包括高温级斯特林直线电机、高温级斯特林板弹簧、推移杆密封件、推移杆、高温级斯特林热端换热器、排出器、高温级内置回热器、高温级斯特林冷端换热器和高温级排出器位移传感器，所述排出器与推移杆固连，推移杆由高温级斯特林板弹簧支撑、高温级斯特林直线电机驱动，推移杆带动排出器在膨胀气缸内进行直线往复运动，推移杆固连位移传感器实时获得排出器的位移。推移杆密封件与膨胀气缸同轴固连，膨胀气缸的热端布置有高温级斯特林冷端换热器，冷端布置有高温级斯特林冷端换热器。所述内置回热器型高温级斯特林冷指的高温级回热器在排出器的内部，所述外置回热器型高温级斯特林冷指的高温级回热器在排出器的外部。
所述低温级脉管冷指可以是直线型低温级脉管冷指或U型低温级脉管冷指或同轴型低温级脉管冷指。以直线型低温级脉管冷指为例，包括低温级回热器热端换热器、低温级回热器、低温级冷端换热器、脉管、脉管热端换热器和低温级脉管冷指冷热端热桥。所述的回热器热端换热器即为高温级斯特林冷端换热器。对于所述的直线型低温级脉管冷指，其低温级回热器与脉管直线布置，其低温级回热器热端换热器通过低温级脉管冷指冷热端热桥与脉管热端换热器连接。对于所述的U型低温级脉管冷指，其低温级回热器与脉管U型布置，其低温级回热器热端换热器通过低温级脉管冷指冷热端热桥与脉管热端换热器连接。对于所述的同轴型低温级脉管冷指，其脉管布置在低温级回热器内部，其低温级回热器热端换热器与内置的脉管热端换热器紧配合实现良好的热接触。
所述调相压缩机为对置双活塞压缩机，其两侧活塞由板弹簧支撑、直线电机驱动进行往复直线运动，压缩腔通过调相连管与低温级脉管冷指相连，一侧活塞固连位移传感器实时获得调相活塞的位移。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中基于低温活塞斯特林/脉管复合型制冷机，高温级采用可靠的斯特林冷指，发挥了排出器主动调相和功回收的优势，具有较高的效率，低温级脉管采用电机驱动的活塞作为主动调相结构，相比于传统调相结构(小孔型、惯性管气库型)，在低温级脉管的核心部件回热器内产生较好的声学阻抗关系，形成更优的相位分布，进而提升制冷机效率。本发明同时可以通过高温级斯特林排出器和低温级脉管调相压缩机两者运动相位和幅值的调节，实现高温区和低温区应对变温区变冷量的变负载需求。本发明所述基于低温活塞调相的高温级斯特林低温级脉管复合型制冷机，具有与两级斯特林制冷机相当的制冷效率，同时又避免了两级斯特林较长的运动部件带来的可靠性问题，具有高效率、长寿命的优点，可在不同温区提供变温区多种冷量分配的制冷需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为主压缩机结构示意图；
图3为内置回热器型高温级斯特林冷指；
图4为外置回热器型高温级斯特林冷指；
图5为直线型低温级脉管冷指；
图6为U型低温级脉管冷指；
图7为同轴型低温级脉管冷指；
图8为调相压缩机。
图中：1、主压缩机；11、主压缩机活塞；12、主压缩机板弹簧；13、主压缩机直线电机；14、主压缩机压缩腔；15、主压缩机位移传感器；2、连管；3、高温级斯特林冷指；31/31’高温级斯特林直线电机；32/32’、高温级斯特林板弹簧；33/33’、推移杆密封件；34/34’、推移杆；35/35’、高温级斯特林热端换热器；36/36’、排出器；37、高温级内置回热器；37’、高温级外置回热器；38/38’、高温级斯特林冷端换热器；39/39’、高温级排出器位移传感器；310/310’、膨胀气缸；4、低温级脉管冷指冷指；41/41’/41”、低温级回热器热端换热器；42/42’/42”、低温级回热器；43/43’/43”、低温级冷端换热器；44/44’/44”、脉管；45/45’/45”、脉管热端换热器；46/46’/46”、低温级脉管冷指冷热端热桥；5、调相连管；6、低温级调相压缩机；61、调相压缩机活塞；62、调相压缩机板弹簧、63、调相压缩机直线电机；64、调相压缩机压缩腔；65、调相压缩机位移传感器；7、调相压缩机热桥。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图8所示，本具体实施方式公开了一种基于低温活塞调相的高温级斯特林低温级脉管复合型制冷机，包括主压缩机、连管、高温级斯特林冷指、低温级脉管冷指、调相连管和低温级调相压缩机。所述主压缩机与高温级斯特林冷指通过连管连接，所述高温级斯特林冷指布置在低温级脉管冷指前端，所述低温级脉管冷指通过调相连管与调相压缩机相连，所述调相压缩机通过调相压缩机热桥与高温级斯特林冷指的冷端相连。
所述主压缩机为对置双活塞压缩机，其两侧活塞由板弹簧支撑、直线电机驱动进行往复直线运动，使压缩腔中的气体产生压力波动，一侧活塞固连位移传感器实时获得主压缩机活塞的位移。
所述高温级斯特林冷指可以是内置回热器型高温级斯特林冷指也可以是外置回热器型高温级斯特林冷指。以内置回热器型高温级斯特林冷指为例，包括高温级斯特林直线电机、高温级斯特林板弹簧、推移杆密封件、推移杆、高温级斯特林热端换热器、排出器、高温级内置回热器、高温级斯特林冷端换热器和高温级排出器位移传感器，所述排出器与推移杆固连，推移杆由高温级斯特林板弹簧支撑、高温级斯特林直线电机驱动，推移杆带动排出器在膨胀气缸内进行直线往复运动，推移杆固连位移传感器实时获得排出器的位移。推移杆密封件与膨胀气缸同轴固连，膨胀气缸的热端布置有高温级斯特林冷端换热器，冷端布置有高温级斯特林冷端换热器。所述内置回热器型高温级斯特林冷指的高温级回热器在排出器的内部，所述外置回热器型高温级斯特林冷指的高温级回热器在排出器的外部。
所述低温级脉管冷指可以是直线型低温级脉管冷指或U型低温级脉管冷指或同轴型低温级脉管冷指。以直线型低温级脉管冷指为例，包括低温级回热器热端换热器、低温级回热器、低温级冷端换热器、脉管、脉管热端换热器和低温级脉管冷指冷热端热桥。所述的回热器热端换热器即为高温级斯特林冷端换热器。对于所述的直线型低温级脉管冷指，其低温级回热器与脉管直线布置，其低温级回热器热端换热器通过低温级脉管冷指冷热端热桥与脉管热端换热器连接。对于所述的U型低温级脉管冷指，其低温级回热器与脉管U型布置，其低温级回热器热端换热器通过低温级脉管冷指冷热端热桥与脉管热端换热器连接。对于所述的同轴型低温级脉管冷指，其脉管布置在低温级回热器内部，其低温级回热器热端换热器与内置的脉管热端换热器紧配合实现良好的热接触。
所述调相压缩机为对置双活塞压缩机，其两侧活塞由板弹簧支撑、直线电机驱动进行往复直线运动，压缩腔通过调相连管与低温级脉管冷指相连，一侧活塞固连位移传感器实时获得调相活塞的位移。
该结构的制冷机运行过程为，主压缩机两侧活塞在主压缩机直线电机的驱动下做往复运动，使得主压缩机气缸内气体发生周期性的压缩过程和膨胀过程，气体微团震荡产生声波。通过各微团接力热传递，低温级脉管冷指的冷端换热器热量传至低温级脉管冷指的热端换热器即高温级斯特林冷指的冷端换热器，高温级斯特林冷指的冷端换热器热量转移到高温级斯特林冷指的热端换热器，最终向环境中释放。通过高温级斯特林冷指的排出器以及低温级电机驱动的活塞分别进行高温级斯特林冷指和低温级脉管冷指的主动相位调节，同时为斯特林脉管复合型制冷机的高温级斯特林和低温级脉管提供较优的相位分布，使得高温级和低温级级均处于较好的工作状态，最终获取较高的制冷效率。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低温活塞主动调相的斯特林脉管复合型制冷机，包括主压缩机(1)、连管(2)、高温级斯特林冷指(3)、低温级脉管冷指冷指(4)、调相连管(5)、低温级调相压缩机(6)和调相压缩机热桥(7)；其特征在于，
所述主压缩机(1)与高温级斯特林冷指(3)通过连管(2)连接，所述高温级斯特林冷指(3)布置在低温级脉管冷指(4)前端，所述低温级脉管冷指(4)通过调相连管(5)与调相压缩机(6)相连，所述调相压缩机(6)通过调相压缩机热桥(7)与高温级斯特林冷指(3)的冷端换热器相连。
2.根据权利要求1所述的一种低温活塞主动调相的斯特林脉管复合型制冷机，其特征在于，所述主压缩机(1)为对置双活塞压缩机，其两侧主压缩机活塞(11)由主压缩机板弹簧(12)支撑、主压缩机直线电机(13)驱动进行往复直线运动，使主压缩机压缩腔(14)中的气体产生压力波动，一侧主压缩机活塞(11)固连主压缩机位移传感器(15)实时获得主压缩机活塞(11)的位移。
3.根据权利要求1所述的一种低温活塞主动调相的斯特林脉管复合型制冷机，其特征在于，所述高温级斯特林冷指(3)是内置回热器型高温级斯特林冷指，或者是外置回热器型高温级斯特林冷指；所述的内置回热器型高温级斯特林冷指包括高温级斯特林直线电机(31)、高温级斯特林板弹簧(32)、推移杆密封件(33)、推移杆(34)、高温级斯特林热端换热器(35)、排出器(36)、高温级内置回热器(37)、高温级斯特林冷端换热器(38)和高温级排出器位移传感器(39)，所述排出器(36)与推移杆(34)固连，推移杆(34)由高温级斯特林板弹簧(32)支撑、高温级斯特林直线电机(31)驱动，推移杆(34)带动排出器(36)在膨胀气缸(310)内进行直线往复运动，推移杆(34)固连位移传感器(39)实时获得排出器(36)的位移；推移杆密封件(33)与膨胀气缸(40)同轴固连，膨胀气缸(40)的热端布置有高温级斯特林冷端换热器(35)，冷端布置有高温级斯特林冷端换热器(38)，所述内置回热器型高温级斯特林冷指的高温级回热器(37)在排出器(36)的内部，所述外置回热器型高温级斯特林冷指的高温级回热器(37’)在排出器(36’)的外部。
4.根据权利要求1所述的一种低温活塞主动调相的斯特林脉管复合型制冷机，其特征在于，所述低温级脉管冷指(4)是直线型低温级脉管冷指或U型低温级脉管冷指(4’)或同轴型低温级脉管冷指(4”)；所述的直线型低温级脉管冷指包括低温级回热器热端换热器(41)、低温级回热器(42)、低温级冷端换热器(43)、脉管(44)、脉管热端换热器(45)和低温级脉管冷指冷热端热桥(46)；所述的回热器热端换热器(41)即为高温级斯特林冷端换热器(38)；所述的直线型低温级脉管冷指，其低温级回热器(42)与脉管(44)直线布置，其低温级回热器热端换热器(41)通过低温级脉管冷指冷热端热桥(46)与脉管热端换热器(45)连接；所述的U型低温级脉管冷指(4’)，其低温级回热器(42’)与脉管(44’)U型布置，其低温级回热器热端换热器(41’)通过低温级脉管冷指冷热端热桥(46’)与脉管热端换热器(45’)连接；对于所述的同轴型低温级脉管冷指(4”)，其脉管(44”)布置在低温级回热器(42”)内部，其低温级回热器热端换热器(41”)与内置的脉管热端换热器(45”)紧配合实现良好的热接触。
5.根据权利要求1所述的一种低温活塞主动调相的斯特林脉管复合型制冷机，其特征在于，所述调相压缩机(6)为对置双活塞压缩机，其两侧调相压缩机活塞(61)由调相压缩机板弹簧(62)支撑、调相压缩机直线电机(63)驱动进行往复直线运动，调相压缩机压缩腔(64)通过调相连管与低温级脉管冷指相连，一侧调相压缩机活塞(61)固连调相压缩机位移传感器(65)实时获得调相压缩机活塞(61)的位移。
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