多級低溫制冷機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及低溫制冷技術領域，特別是涉及一種多級低溫制冷機。
【背景技術】
[0002]工作于液氫至液氦溫區(qū)的小型低溫制冷機在超導電子、空間探測、低溫物理等領域中有廣泛的應用需求，對促進相關產業(yè)領域的發(fā)展具有重要的推動作用。在此溫區(qū)，目前使用比較廣泛的小型低溫制冷機技術包括J-T節(jié)流制冷機、G-M制冷機、G-M型脈沖管制冷機、斯特林制冷機以及斯特林型脈沖管制冷機等。
[0003]J-T節(jié)流制冷機工作原理基于氣體工質的內稟不可逆效應，效率難以提高。而且對于小冷量深低溫系統(tǒng)來說，由于節(jié)流孔較小，溫區(qū)較低，對系統(tǒng)內部的潔凈度要求很高，易發(fā)生節(jié)流孔堵塞等問題，引起制冷機失效，降低了可靠性。
[0004]在深低溫區(qū)(液氫-液氦溫區(qū))得到應用最多的是G-M機和G-M型脈沖管制冷機，其采用油壓縮機產生高低壓，利用旋轉閥產生l-2Hz的周期性壓力波動，進而在回熱器內產生制冷機效應。在磁性蓄冷材料出現(xiàn)之后，目前G-M制冷機的最低溫能夠到達2K以下，并在液氦溫區(qū)取得幾W以上的冷量，目前已經商業(yè)化并被廣泛應用。其優(yōu)勢在于切換閥運行頻率低，回熱器換熱充分，流動損失較小，有利于到達液氦等溫區(qū)，制冷機能夠達到相對較高的效率。但其高低壓切換采用旋轉閥結構，氣體流經時會產生較大的壓降損失，引起難以避免的不可逆損失，系統(tǒng)熱效率難以提高；另一方面其利用油壓縮機產生高低壓氣體，需要配備油分離器等設備，系統(tǒng)體積龐大，并需要定期進行維護，壽命難以保證。此外，G-M制冷機采用了低溫下運行的排出器進行調相，雖然具有較高的調相能力，但降低了系統(tǒng)可靠性，同時增加冷端的振動。G-M型脈沖管制冷機在制冷機側采用脈沖管加調相機構來代替運動部件，有效減小了冷端振動，然而由于調相能力的下降，其熱效率進一步低于G-M制冷機。
[0005]斯特林制冷機利用活塞的往復運動在系統(tǒng)內形成周期性的壓力波動，同時利用低溫下運行的排出器調節(jié)整機聲場分布，在回熱器內產生制冷效應，其本質為可逆的斯特林循環(huán)，具有較高的效率。工作頻率通常為30-100HZ，較高的運行頻率能夠獲得更小的系統(tǒng)體積重量。然而對于液氫以下溫區(qū)，由于回熱器兩側溫差范圍大，需要采用多級結構，采用兩個以上膨脹腔，排出器與壁面之間需要兩端微米級的間隙密封，而采用磁性填料(通常為球形)后，進一步增加了回熱器長度，而排出器長度與回熱器相當，較長的排出器不僅易引起彎曲，微米級的間隙密封對工藝的要求很高，易導致較低的效率以及運行壽命。
[0006]斯特林型脈沖管制冷機與斯特林制冷機類似，同樣采用活塞的往復運動在系統(tǒng)內形成周期性的壓力波動。與斯特林制冷機相比，去除了排出器結構，采用脈沖管結構隔離冷端與室溫環(huán)境，在脈沖管的熱端利用了阻力元件來調整回熱器內聲學阻抗分布。脈沖管的采用使得制冷機在冷端無運動部件，帶來了結構簡單、振動小、可靠性高、壽命長、成本低等優(yōu)點。在兩級或多路旁通結構中，最低溫能夠到達液氫溫區(qū)以下，但熱效率與G-M相比仍有較大差距。其主要原因在于慣性管、雙向進氣結構等調相機構的調相能力遠低于排出器結構，回熱器聲場分布較差，流動損失難以降低。此外，多級結構中，較高溫區(qū)級采用慣性管調相使得大量的聲功無法回收，限制了效率的提高。

【發(fā)明內容】

[0007](一 )要解決的技術問題
[0008]本發(fā)明要解決的技術問題是如何減小回熱器中的壓力波動與體積流率之間的相位差，以獲得最佳的制冷性能，同時回收較高溫區(qū)的大量膨脹聲功，避免低溫下的運動部件。
[0009]( 二)技術方案
[0010]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種多級低溫制冷機，其包括排出器組件、壓縮機組件和制冷機外殼，所述排出器組件包括排出器氣缸和一對排出器活塞，一對所述排出器活塞對置設于所述排出器氣缸中，所述排出器活塞與所述排出器氣缸之間采用間隙密封連接，所述排出器活塞采用階梯結構；所述壓縮機組件包括一對對置設于所述制冷機外殼中的壓縮機活塞和壓縮機氣缸，所述壓縮機活塞與壓縮機氣缸采用間隙密封連接，所述壓縮機氣缸的端口處與所述制冷機外殼密封固定連接。
[0011]其中，還包括一級回熱器、二級回熱器、一級脈沖管和二級脈沖管，所述一級回熱器下端設有室溫端換熱器，所述一級回熱器的上端設有一級冷端換熱器，所述二級回熱器的下端與所述一級冷端換熱器相連，所述二級回熱器的上端設有二級冷端換熱器；所述一級脈沖管的上端與所述一級冷端換熱器相連，其下端設有一級熱端換熱器，所述二級脈沖管的上端與二級冷端換熱器相連，其下端設有二級熱端換熱器。
[0012]其中，所述排出器活塞包括大軸活塞端和小軸活塞端，所述大軸活塞端和小軸活塞端的連接處設有環(huán)形凹槽，所述排出器氣缸設有連通所述環(huán)形凹槽的第一空腔，一對所述排出器活塞的小軸活塞端相對設置，兩者之間留有間隙，所述排出器氣缸設有與所述間隙連通的第二空腔，所述排出器氣缸設有連通兩個所述環(huán)形凹槽的第三空腔，所述第一空腔的上端與所述一級熱端換熱器相連，所述第一空腔、第三空腔以及一級熱端換熱器之間的空腔形成一級膨脹腔；所述第二空腔與所述第二熱端換熱器相連，所述第二空腔與第二熱端換熱器之間的空腔形成二級膨脹腔。
[0013]其中，相對設置的兩對所述壓縮機活塞與壓縮機氣缸連接后之間的空間，以及所述壓縮機氣缸的端口與所述制冷機外殼連接后之間形成的空間共同構成壓縮腔，所述壓縮腔與所述室溫端換熱器相連；所述排出器組件位于所述壓縮腔內或者位于所述壓縮腔外，當所述排出器組件位于所述壓縮腔外時，所述排出器氣缸與所述壓縮腔之間通過連接管連通，所述排出器氣缸設有連通所述壓縮腔與室溫端換熱器的第四空腔。
[0014]其中，所述大軸活塞端與所述環(huán)形凹槽相鄰的側端面與所述排出器氣缸的側壁通過支撐板簧連接。
[0015]其中，所述大軸活塞端的外端面面積等于所述大軸活塞端與所述環(huán)形凹槽相鄰的側端面面積與所述小軸活塞端的端面面積之和。
[0016]其中，所述排出器組件工作于室溫區(qū)域。
[0017]其中，所述一級脈沖管與所述二級脈沖管同軸設置；或者所述一級脈沖管設于所述二級脈沖管之外，兩者之間通過連接件連接。
[0018](三)有益效果
[0019]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0020]本發(fā)明提供的一種多級低溫制冷機，其包括排出器組件和壓縮機組件，所述排出器組件包括排出器氣缸和一對排出器活塞，一對所述排出器活塞對置設于所述排出器氣缸中，所述排出器活塞采用階梯結構，從而能夠形成兩個或兩個以上的膨脹腔，用于分別調節(jié)不同級的回熱器的壓力波動與氣體流速之間的相位，分別在多個回熱器內形成較小的相位差，以減小損失，提升制冷性能；
[0021]所述的排出器活塞能夠有效回收膨脹腔內的大量膨脹聲功，提高了系統(tǒng)效率；
[0022]所述排出器活塞和壓縮機活塞分別采用對置設置，能夠相互抵消振動，結構簡單、振動小、可靠性高、壽命長、成本低。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明實施例1的一種多級制冷機的縱向剖視圖；
[0024]圖2為圖1中A的局部放大圖；
[0025]圖3為本發(fā)明實施例2的一種多級制冷機的縱向剖視圖；
[0026]圖4為本發(fā)明實施例3的一種多級制冷機的縱向剖視圖；
[0027]圖5為本發(fā)明實施例4的一種多級制冷機的縱向剖視圖。
[0028]圖中:1:線圈；2:動子磁鐵；3:壓縮機活塞；4:壓縮機氣缸；5:壓縮腔；6:預冷用室溫端換熱器；7:預冷用一級回熱器；8:預冷用一級冷端換熱器；9:預冷用一級脈沖管；10:預冷用一級熱端換熱器；11:一級膨脹腔；12:室溫端換熱器；13:—級回熱器；14:一級冷端換熱器；15:二級回熱器；16:二級冷端換熱器；17:二級脈沖管；18:二級熱端換熱器；19:二級膨脹腔；20:排出器活塞；21:支撐板簧；22:熱橋；23:冷端連接管；24:導流絲網(wǎng)；25:一級脈沖管；26:一級熱端換熱器；27:制冷機外殼；28:大軸活塞端的外端面；29:側端面；30:小軸活塞端的端面；31:排出器氣缸；32:連接管。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0030]在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0031]此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”、“多根”、“多組”的含義是兩個或兩個以上。
[0032]實施例1
[0033]如圖1和圖2所示，為本發(fā)明提供的一種多級低溫制冷機，其包括排出器組件、壓縮機組件和制冷機外殼27，所述排出器組件包括排出器氣缸31和一對排出器活塞20，一對所述排出器活塞20對置設于所述排出器氣缸31中，運動方向相反且產生的振動完全抵消；所述排出器活塞20與所述排出器氣缸31之間采用微米級的間隙密封連接，所述排出器活塞20采用階梯軸結構；排出器活塞20采用無連桿結構，工作于室溫下，充分發(fā)揮排出器調相能力強的優(yōu)勢，在較高溫區(qū)回收聲功，形成高效工作于液氫以下溫區(qū)的小型低溫制冷機結構；排出器組件密封長度短，不易彎曲，同時不受低溫沖擊影響，具有更高的可靠性；所述壓縮機組件包括一對對置設于所述制冷機外殼27中的壓縮機活塞3和壓縮機氣缸4，產生振動能相互抵消，所述壓縮機活塞3與壓縮機氣缸4采用微米級的間隙密封連接，所述壓縮機氣缸4的端口處與所述制冷機外殼27密封固定連接。
[0034]該制冷機還包括一級回熱器13、二級回熱器15、一級脈沖管25和二級脈沖管