專利名稱：一種脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合型制冷機(jī)，具體是涉及一種脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)。
背景技術(shù)：
回?zé)崾街评浼夹g(shù)是低溫制冷技術(shù)的一個(gè)重要分支，與其他制冷技術(shù)相比，由于采用了填充有高體積比熱容填料的回?zé)崞?，回?zé)崾街评浼夹g(shù)具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、可獲得深低溫(液氦溫區(qū))等優(yōu)點(diǎn)，目前在軍國(guó)防軍事、能源醫(yī)療、低溫物理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
斯特林制冷機(jī)和脈管制冷機(jī)是兩種典型的回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)，目前它們已廣泛應(yīng)用于空間任務(wù)中，但是該兩種機(jī)型目前僅在80K和35K溫區(qū)發(fā)展相對(duì)成熟，而在IOK及以下溫區(qū)仍存在較大的技術(shù)困難，這使得低溫溫區(qū)高效回?zé)嶂评錂C(jī)成為當(dāng)前低溫制冷領(lǐng)域的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)。
為獲得IOK以下的制冷溫度，斯特林制冷機(jī)必須采用3級(jí)甚至更多級(jí)的結(jié)構(gòu)，而過多的級(jí)數(shù)導(dǎo)致其排出器過長(zhǎng)，由于斯特林膨脹機(jī)中的排出器和氣缸之間采用間距極小(約 10 μ m)的間隙密封，同時(shí)由于排出器跨越溫區(qū)大，材料物性變化劇烈，導(dǎo)致過長(zhǎng)的排出器無(wú)法保證活塞和氣缸之間的間隙，極易造成磨損，導(dǎo)致無(wú)法獲得高可靠性和長(zhǎng)壽命，從而其應(yīng)用限制在20K以上溫區(qū)和兩級(jí)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，理論分析表明對(duì)于回?zé)崾街评錂C(jī)而言，不同制冷溫區(qū)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)也不同，如充氣壓力等參數(shù)，所以對(duì)于多級(jí)斯特林制冷機(jī)而言，為獲得更低的制冷溫度和更大的制冷量，在多級(jí)斯特林制冷機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中無(wú)法兼顧各級(jí)的性能，即無(wú)法保證每一級(jí)均工作在最優(yōu)的工況下，所以只能犧牲高溫級(jí)的性能來保證低溫級(jí)性能的實(shí)現(xiàn)，從而限制了多級(jí)斯特林制冷機(jī)效率的進(jìn)一步提高。
與斯特林制冷機(jī)相比，脈管制冷機(jī)由于在低溫下不存在運(yùn)動(dòng)部件，具有更高的可靠性，而且多級(jí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造更為方便，使脈管制冷機(jī)在空間探測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。冷端壓比是回?zé)崾街评錂C(jī)中一個(gè)具有決定性作用的參數(shù)，在一定的回?zé)崞鲙缀纬叽绶秶鷥?nèi)，回?zé)崾街评錂C(jī)的性能隨著冷端壓比的增大而顯著增大。但是，由于缺乏類似于斯特林制冷機(jī)中的排除器的主動(dòng)調(diào)相方式，加之回?zé)崞髦忻軐?shí)的回?zé)崽盍蠋淼妮^大的壓力損失，導(dǎo)致脈管制冷機(jī)無(wú)法在其冷端獲得較大的壓比，從而使脈管制冷機(jī)也無(wú)法高效地獲得低于IOK的制冷溫度，為獲得IOK及以下的制冷溫度，脈管制冷機(jī)一般需要采用三級(jí)的結(jié)構(gòu)，而獲得4K溫區(qū)的制冷溫度則需要四級(jí)及更多級(jí)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)必須采用昂貴的氦-3氣體作為制冷工質(zhì)。
如上所述，當(dāng)前斯特林制冷機(jī)和脈管制冷機(jī)均無(wú)法高效地獲得低于IOK的制冷溫度，其主要原因是多級(jí)斯特林制冷機(jī)由于要保證低溫級(jí)性能的實(shí)現(xiàn)而犧牲了高溫級(jí)的性能，脈管制冷機(jī)由于缺乏主動(dòng)調(diào)相機(jī)構(gòu)和回?zé)崞髦休^大的壓力損失，導(dǎo)致無(wú)法在冷端獲得較大的 壓比，從而使其無(wú)法高效地獲得較低的制冷溫度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)，針對(duì)當(dāng)前斯特林制冷 機(jī)和脈管制冷機(jī)均無(wú)法高效獲得低于IOK制冷溫度的技術(shù)困難，該制冷機(jī)可以兼顧各級(jí)的 性能，同時(shí)避免了排出器長(zhǎng)度過大導(dǎo)致間隙密封無(wú)法保證的技術(shù)難題，從而可以獲得更優(yōu) 的性能和更高的可靠性。
一種脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)，包括斯特林制冷單元和脈管制冷單 元，所述斯特林制冷單元和脈管制冷單元之間通過氣耦合連接且由同一線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)， 且斯特林制冷單元的氣缸的開口部位與脈管制冷單元冷端換熱器密封固定；所述斯特林制 冷單元內(nèi)的排出器裝有回?zé)崽盍系亩瞬恳来未┻^熱端換熱器、脈管制冷機(jī)單元的第一級(jí)脈 管制冷機(jī)回?zé)崞骱偷谝患?jí)冷端換熱器，并置于所述氣缸內(nèi)；所述排出器與第一級(jí)脈管制冷 機(jī)回?zé)崞魍S設(shè)置，且滑動(dòng)配合。
斯特林制冷機(jī)的冷腔中存在一個(gè)可主動(dòng)控制的排除器，通過相關(guān)驅(qū)動(dòng)部件的控制 可以實(shí)現(xiàn)排除器行程的控制，從而可以在相當(dāng)大的程度上彌補(bǔ)回?zé)崞髦忻軐?shí)回?zé)崽盍蠋?的壓力損失，從而在斯特林制冷機(jī)的冷端獲得較大的壓比，而冷端壓比對(duì)回?zé)崾街评錂C(jī)而 言是一個(gè)非常重要的決定性參數(shù)，大的冷端壓比可以帶來較優(yōu)的性能，而脈管制冷機(jī)采用 被動(dòng)式調(diào)相結(jié)構(gòu)，不存在運(yùn)動(dòng)部件，可以較為方便地布置在不同的溫區(qū)，所以將脈管制冷機(jī) 和斯特林制冷機(jī)進(jìn)行耦合，其中脈管制冷機(jī)作為第一級(jí)，斯特林制冷機(jī)作為第二級(jí)，那么便 可以利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，使第一級(jí)脈管制冷機(jī)工作在最優(yōu)狀態(tài)，而第二級(jí)斯特林制冷機(jī)在其 冷端獲得較大的壓比，解決了多級(jí)斯特林制冷機(jī)無(wú)法兼顧各級(jí)性能和脈管制冷機(jī)壓力損失 大無(wú)法獲得較大冷端壓比的缺點(diǎn)，進(jìn)而采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)高效地獲得低于IOK的制冷溫度。
所述脈管制冷單元可選用單級(jí)或者多級(jí)結(jié)構(gòu)的脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)，為便于設(shè)備的布 置和安裝，作為優(yōu)選，所述脈管制冷單元為單級(jí)脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)，包括線性壓縮機(jī)、與線性 壓縮機(jī)出口依次連通的熱端換熱器、第一級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞?、第一?jí)冷端換熱器、第一級(jí) 脈管、第一級(jí)脈管熱端換熱器和第一級(jí)調(diào)相部件。
第一級(jí)調(diào)相部件可選用其他具有相同調(diào)相功能的調(diào)相機(jī)構(gòu)，用于相應(yīng)回?zé)崞鲀?nèi)的 質(zhì)量流和壓力波相位的調(diào)整，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。作為優(yōu)選，所述第一級(jí)調(diào)相部件為 一端與第一級(jí)脈管熱端換熱器連通的第一級(jí)慣性管、以及與第一級(jí)慣性管另一端連通的第 一級(jí)氣庫(kù)。
所述斯特林制冷單元包括線性壓縮機(jī)、與線性壓縮機(jī)出口依次連通的膨脹機(jī)組、 熱端換熱器、氣缸和第二級(jí)冷端換熱器，膨脹機(jī)組內(nèi)設(shè)有驅(qū)動(dòng)排出器運(yùn)動(dòng)的排出器驅(qū)動(dòng)電 機(jī)。為獲得更低的制冷溫度，如液氦溫區(qū)，可在上述第二級(jí)斯特林制冷機(jī)的冷端連接額外的 第三級(jí)脈管制冷機(jī)，由于氦氣在低溫下的粘性遠(yuǎn)小于高溫，所以第二級(jí)斯特林制冷機(jī)冷端 較大的冷端壓比可以近乎無(wú)損失的傳遞至第三級(jí)脈管制冷機(jī)的冷端，從而高效地獲得液氦 溫區(qū)。所以作為優(yōu)選，所述的脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)還包括與第二級(jí)冷端 換熱器出口連通的第三級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞?、第三?jí)冷端換熱器、第三級(jí)脈管、第三級(jí)脈管 熱端換熱器和第三級(jí)調(diào)相部件。
第三級(jí)調(diào)相部件可選用其他具有相同調(diào)相功能的調(diào)相機(jī)構(gòu)，用于相應(yīng)回?zé)崞鲀?nèi)的 質(zhì)量流和壓力波相位的調(diào)整，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行，作為優(yōu)選，所述第三級(jí)調(diào)相部件為 與一端所述第三級(jí)脈管熱端換熱器連通的第三級(jí)慣性管和第三級(jí)氣庫(kù)。所述第三級(jí)調(diào)相部 件與所述第二級(jí)冷端換熱器通過熱橋相連。
由于各級(jí)之間采用氣耦合的結(jié)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)非常緊湊，加之脈管制冷機(jī)自身具有 的可靠性高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)采用的斯特林制冷機(jī)的排出器長(zhǎng) 度和空間領(lǐng)域中常用的兩級(jí)斯特林制冷機(jī)相同，所以不存在撓度過大而引起氣缸和排出器 之間同軸度無(wú)法保證的問題，所以本發(fā)明提出的脈管/斯特林氣耦合多級(jí)制冷機(jī)是一種新 型的滿足空間應(yīng)用的高效高可靠性緊湊式深低溫空間用制冷機(jī)。
現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在
與現(xiàn)有多級(jí)斯特林制冷機(jī)相比，本發(fā)明提出的脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制 冷機(jī)可以兼顧各級(jí)的性能，同時(shí)避免了排出器長(zhǎng)度過大導(dǎo)致間隙密封無(wú)法保證的技術(shù)難 題，從而可以獲得更優(yōu)的性能和更高的可靠性；與現(xiàn)有多級(jí)脈管制冷機(jī)相比，本發(fā)明提出的 脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)可以通過排出器的控制在冷端獲得更大的壓比，從 而可以獲得更低的制冷溫度和更大的制冷量。


圖1為本發(fā)明的脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)的一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示 意圖。
圖2為本發(fā)明的脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)的另一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu) 示意圖。
圖3為本發(fā)明的脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)的第三種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu) 示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
如圖1所示，一種兩級(jí)脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)包括線性壓縮機(jī)1、排出器驅(qū)動(dòng)電機(jī)2、膨脹機(jī)組3、排出器4、熱端換熱器5、第一級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞?，第 一級(jí)冷端換熱器7、第一級(jí)脈管8、第一級(jí)脈管熱端換熱器9、第一級(jí)慣性管10、第一級(jí)氣庫(kù)I1、第二級(jí)斯特林制冷機(jī)氣缸12、第二級(jí)冷端換熱器13。
上述各部件的連接關(guān)系如下線性壓縮機(jī)I分別與膨脹機(jī)組3和熱端換熱器5連 接，排出器驅(qū)動(dòng)電機(jī)2布置在膨脹機(jī)組3內(nèi)且與排出器4連接，用于驅(qū)動(dòng)排出器4運(yùn)行，熱 端換熱器5與第一級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞?、第一級(jí)冷端換熱器7、第二級(jí)斯特林制冷機(jī)氣缸 12、第二級(jí)冷端換熱器13依次連接，第一級(jí)冷端換熱器7與第一級(jí)脈管8、第一級(jí)脈管熱端 換熱器9、第一級(jí)慣性管10、第一級(jí)氣庫(kù)11依次連接，排出器4從第一級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)?器6和第一級(jí)冷端換熱器7中部穿過布置在第二級(jí)斯特林制冷機(jī)氣缸12中，并與第二級(jí)斯 特林制冷機(jī)氣缸12的壁面保證間隙密封，第二級(jí)斯特林制冷機(jī)的回?zé)崽盍咸畛湓谂懦銎? 內(nèi)，排出器4中填充回?zé)崽盍喜糠值膬啥碎_有小孔以供氣體流通。
本實(shí)施方式的脈管/斯特林復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)的運(yùn)行過程為
高壓階段，通過線性壓縮機(jī)I壓縮后的高溫高壓氣體在熱端換熱器5中被冷卻至 常溫高壓，然后進(jìn)入第一級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞?中，并與其中填充的回?zé)崽盍线M(jìn)行換熱，氣 體溫度降低，在第一級(jí)冷端換熱器7中一部分氣體依次進(jìn)入第一級(jí)脈管8、第一級(jí)脈管熱端 換熱器9、第一級(jí)慣性管10和第一級(jí)氣庫(kù)11，而后系統(tǒng)壓力降低，該部分氣體依次通過第一級(jí)氣庫(kù)11、第一級(jí)慣性管10、第一級(jí)脈管熱端換熱器9、第一級(jí)脈管8、第一級(jí)冷端換熱器7、第一級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞?和熱端換熱器5返回線性壓縮機(jī)I中，由于進(jìn)出第一級(jí)冷端換熱器7的氣體存在溫差，由此產(chǎn)生制冷效應(yīng)。另一部分氣體由第一級(jí)冷端換熱器7通過排出器4中填充回?zé)崽盍喜糠值膬啥说男】走M(jìn)入位于第二級(jí)斯特林制冷機(jī)氣缸12中的排出器4中，通過控制位于膨脹機(jī)組3中與排出器4底部連接的排出器驅(qū)動(dòng)電機(jī)2，實(shí)現(xiàn)對(duì)排出器4的行程控制，同時(shí)該部分氣體與位于排出器4端部的回?zé)崽盍线M(jìn)行換熱，同時(shí)在第二級(jí)斯特林制冷機(jī)氣缸12的冷端進(jìn)行膨脹，從而產(chǎn)生制冷效應(yīng)，制冷量由第二級(jí)冷端換熱器13取出。實(shí)施例2 如圖2所示，一種三級(jí)脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型制冷機(jī)，與實(shí)施例1的區(qū)別在于在實(shí)施例1的第二級(jí)冷端換熱器13后依次連接了第三級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞?4、第三級(jí)冷端換熱器15、第三級(jí)脈管16、第三級(jí)脈管熱端換熱器17、第三級(jí)慣性管18和第三級(jí)氣庫(kù)19。通過加入第三級(jí)脈管制冷機(jī)，可在第三級(jí)冷端換熱器15中獲得更低的制冷溫度，從而滿足更低溫度的應(yīng)用需求。實(shí)施例3 如圖3所示，一種三級(jí)脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型制冷機(jī)，與實(shí)施例2的區(qū)別在于第二級(jí)冷端換熱器13、第三級(jí)脈管熱端換熱器17、第三級(jí)慣性管18和第三級(jí)氣庫(kù)19分別與熱橋20連接，通過將第三級(jí)慣性管18和第三級(jí)氣庫(kù)19冷卻至更低的溫度，可以獲得更大的調(diào)相角度，從而使該脈管/斯特林復(fù)合型制冷機(jī)更加高效。
權(quán)利要求
1.一種脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)，包括斯特林制冷單元和脈管制冷單元，其特征在于，所述斯特林制冷單元和脈管制冷單元之間通過氣耦合連接且由同一線性壓縮機(jī)(I)驅(qū)動(dòng)，且斯特林制冷單元的氣缸(12)的開口部位與脈管制冷單元的第一級(jí)冷端換熱器(7)密封固定；所述斯特林制冷單元內(nèi)的排出器(4)裝有回?zé)崽盍系亩瞬恳来未┻^熱端換熱器(5)、脈管制冷機(jī)單元的第一級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞?6)和第一級(jí)冷端換熱器(7)，并置于所述氣缸(12)內(nèi)；所述排出器(4)與第一級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞鳌?同軸設(shè)置，且滑動(dòng)配合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)，其特征在于，所述脈管制冷單元包括線性壓縮機(jī)(I)、與線性壓縮機(jī)出口依次連通的熱端換熱器(5)、第一級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞鳌?、第一級(jí)冷端換熱器(7)、第一級(jí)脈管(8)、第一級(jí)脈管熱端換熱器(9)和第一級(jí)調(diào)相部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)，其特征在于，所述第一級(jí)調(diào)相部件為一端與第一級(jí)脈管熱端換熱器(9)連通的第一級(jí)慣性管(10)以及與第一級(jí)慣性管(10)另一端連通的第一級(jí)氣庫(kù)(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)，其特征在于，所述斯特林制冷單元包括線性壓縮機(jī)(I)、與線性壓縮機(jī)(I)出口依次連通的膨脹機(jī)組(3)、熱端換熱器(5)、氣缸(12)和第二級(jí)冷端換熱器(13)，膨脹機(jī)組(3)內(nèi)設(shè)有驅(qū)動(dòng)排出器(4)運(yùn)動(dòng)的排出器驅(qū)動(dòng)電機(jī)⑵。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)，其特征在于，還包括與第二級(jí)冷端換熱器(13)出口連通的第三級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞?14)、第三級(jí)冷端換熱器(15)、第三級(jí)脈管(16)、第三級(jí)脈管熱端換熱器(17)和第三級(jí)調(diào)相部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)，其特征在于，所述第三級(jí)調(diào)相部件為與一端所述第三級(jí)脈管熱端換熱器(17)連通的第三級(jí)慣性管(18)和第三級(jí)氣庫(kù)(19)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)，其特征在于，所述第三級(jí)調(diào)相部件與所述第二級(jí)冷端換熱器(13)通過熱橋相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種脈管/斯特林氣耦合復(fù)合型多級(jí)制冷機(jī)，包括斯特林制冷單元和脈管制冷單元，所述斯特林制冷單元和脈管制冷單元之間通過氣耦合連接且由同一線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，且斯特林制冷單元的氣缸的開口部位與脈管制冷單元冷端換熱器密封固定；所述斯特林制冷單元內(nèi)的排出器裝有回?zé)崽盍系亩瞬恳来未┻^熱端換熱器、脈管制冷機(jī)單元的第一級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞骱偷谝患?jí)冷端換熱器，并置于所述氣缸內(nèi)；所述排出器與第一級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞魍S設(shè)置，且滑動(dòng)配合。本發(fā)明兼顧各級(jí)的性能，可以獲得更優(yōu)的性能和更高的可靠性；與現(xiàn)有多級(jí)脈管制冷機(jī)相比，本發(fā)明可以通過排出器的控制在冷端獲得更大的壓比，從而可以獲得更低的制冷溫度和更大的制冷量。
文檔編號(hào)F25B9/14GK103062952SQ20131003961
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者甘智華, 王博, 劉東立, 王龍一, 張小斌, 張學(xué)軍, 汪偉偉, 劉雨夢(mèng), 吳鎂, 郭永祥 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)