一种采用低温膨胀活塞耦合的深低温区多级混合结构制冷机

1.本发明属于低温制冷机的技术领域，具体公开了一种采用低温膨胀活塞耦合的深低温区多级混合结构制冷机。


背景技术：

2.深低温区制冷技术在国防军事、航天探测、低温超导、生物医疗等领域有重要应用，斯特林制冷机技术和脉冲管制冷机技术是两种应用较为广泛的低温制冷技术。
3.目前斯特林制冷机的应用主要集中在较高温区，深低温区运行的多级架构会引起排出器长度增加，进而难以保证排出器和气缸之间的同轴度，导致寿命和可靠性降低。
4.与斯特林制冷机相比，斯特林型脉冲管制冷机低温端无运动部件带来了振动小、可靠性高、寿命长等优点；然而存在冷端膨胀声功耗散导致本征效率低的缺陷，深低温区运行的效率较低。近年来，众多学者提出了声功回收型脉冲管制冷机，通过各种结构形式将回收膨胀声功至压缩腔以提高整机效率。
5.然而对于多级斯特林型脉冲管制冷机，线性压缩机输出的有限声功经多级传送到冷端，高温级冷端膨胀声功不论耗散还是回收至压缩腔，都会造成实际传输到低温级的声功减小，显著的级间声功传输损耗，限制了整机效率的提高。


技术实现要素：

6.本发明提供一种采用低温膨胀活塞耦合的深低温区多级混合结构制冷机，显著降低多级脉冲管制冷机级间声功传输损耗，同时能够有效调节声场分布，以提高整机制冷性能。
7.本发明提供一种采用低温膨胀活塞耦合的深低温区多级混合结构制冷机，包括低温膨胀活塞组件、高温级冷指、低温级冷指、直线压缩机；低温膨胀活塞组件包括气缸壁、活塞及支撑板簧；活塞包括两个活塞端，分别为膨胀活塞端与压缩活塞端，膨胀活塞端与压缩活塞端的端面面积不同；支撑板簧为环形结构，位于所述膨胀活塞端与压缩活塞端之间，外侧与气缸壁固定，内侧对活塞起到固定支撑作用；高温级冷指包括依次相连的主室温换热器、高温级回热器、高温级冷端换热器，主室温换热器与所述直线压缩机的压缩腔相连，高温级冷端换热器与低温膨胀活塞组件的气缸壁相连，高温级冷端换热器与膨胀活塞端之间的空腔形成高温级膨胀腔；低温级冷指为脉冲管冷指，脉冲管冷指的二级回热器热端换热器与低温膨胀活塞组件的气缸壁相连，二级回热器热端换热器与压缩活塞端之间的空腔形成低温级压缩腔；低温膨胀活塞组件依靠活塞两端面积差、支撑板簧刚度以及自身动质量调节系统声场分布。
8.进一步地，膨胀活塞端与压缩活塞端的侧面分别与气缸壁采用间隙密封连接。
9.进一步地，低温膨胀活塞组件、高温级冷端换热器以及二级回热器热端换热器的温度一致，工作于指液氮温度以下温区。
10.进一步地，低温级冷指为单级结构脉冲管冷指或双级结构脉冲管冷指。
11.进一步地，单级结构脉冲管冷指包括依次连接的二级回热器热端换热器、二级回热器、二级冷端换热器、二级脉冲管、二级脉冲管热端换热器以及调相机构；二级脉冲管布置于二级冷端换热器、二级回热器、二级回热器热端换热器、活塞、高温级冷端换热器、高温级回热器、主室温换热器的内部中心轴上。
12.进一步地，调相机构为室温排出器结构，位于线性压缩机的压缩腔内，或与线性压缩机的压缩腔通过连接管连接。
13.进一步地，双级结构脉冲管冷指包括二级回热器热端换热器、二级回热器、二级冷端换热器、二级脉冲管、二级脉冲管热端换热器、调相机构、三级回热器、三级冷端换热器、三级脉冲管、三级脉冲管热端换热器；二级回热器热端换热器、二级回热器、二级冷端换热器依次连接，二级冷端换热器分别与二级脉冲管、三级回热器相连；二级脉冲管为环形结构，布置于二级冷端换热器、二级回热器、二级回热器热端换热器、活塞、高温级冷端换热器、高温级回热器、主室温换热器的内部中心轴上，同时位于三级脉冲管同轴外侧；二级脉冲管热端换热器连接二级脉冲管和调相机构；三级回热器与三级冷端换热器、三级脉冲管、三级脉冲管热端换热器、调相机构依次连接；三级脉冲管布置于三级冷端换热器、三级回热器、二级脉冲管的内部中心轴上；三级脉冲管热端换热器连接三级脉冲管和调相机构。
14.进一步地，调相机构为室温阶梯排出器结构，位于线性压缩机的压缩腔内，或与线性压缩机的压缩腔通过连接管连接。
15.本发明提供的采用低温膨胀活塞耦合的深低温区多级混合结构制冷机，与现有技术相比，具有以下优点：
16.低温膨胀活塞能够将高温级冷端膨胀声功高效传输到低温级回热器热端，显著降低级间声功传输损耗，提高整机效率；低温膨胀活塞利用自身板簧刚度、动质量及两侧面积差进行相位调节，为回热器提供合适的声场条件；低温级调相机构室温排出器组件进一步将低温级冷端膨胀声功回收，同时调节系统声场分布，实现制冷效率的提高。本发明提供的采用低温膨胀活塞耦合的深低温区多级斯特林型混合结构制冷机具有效率高、系统紧凑等优点。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为实施例1中制冷机的结构剖视图；
19.图2为实施例2中制冷机的结构剖视图；
20.图3为低温膨胀活塞组件的结构剖视图。
21.图中：1、主室温换热器；2、高温级回热器；3、高温级冷端换热器；4、活塞；5、二级回热器热端换热器；6、二级回热器；7、二级脉冲管8、二级冷端换热器；9、低温级压缩腔；10、气缸；11、板簧；12、高温级膨胀腔；13、二级脉管热端换热器；14、室温排出器结构；15、线性压缩机活塞；16、三级回热器；17、三级冷端换热器；18、三级脉冲管；19、三级脉管热端换热器；20、压缩腔；21、室温阶梯排出器结构。
具体实施方式
22.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
23.实施例1
24.本实施例提供一种采用低温膨胀活塞耦合的深低温区多级混合结构制冷机，结构剖视图如图1所示，包括低温膨胀活塞组件、高温级冷指、低温级冷指、直线压缩机。低温级冷指为单级结构脉冲管冷指。直线压缩机的压缩腔20内设置有直线压缩机活塞15。
25.低温膨胀活塞组件包括气缸壁10、活塞4及支撑板簧11；活塞4包括两个活塞端，分别为膨胀活塞端与压缩活塞端，膨胀活塞端与压缩活塞端的端面面积不同；支撑板簧11为环形结构，位于膨胀活塞端与压缩活塞端之间，外侧与气缸壁10固定，内侧对活塞4起到固定支撑作用；膨胀活塞端与压缩活塞端的侧面分别与气缸壁10采用间隙密封连接。
26.高温级冷指包括依次相连的主室温换热器1、高温级回热器2、高温级冷端换热器3，主室温换热器1与直线压缩机的压缩腔20相连，高温级冷端换热器3与气缸壁10相连。
27.单级结构脉冲管冷指包括依次连接的二级回热器热端换热器5、二级回热器6、二级冷端换热器8、二级脉冲管7、二级脉冲管热端换热器13以及调相机构；二级回热器热端换热器5与气缸壁10相连；二级脉冲管7布置于二级冷端换热器8、二级回热器6、二级回热器热端换热器5、活塞4、高温级冷端换热器3、高温级回热器2、主室温换热器1的内部中心轴上。
28.高温级冷端换热器3与膨胀活塞端之间的空腔形成高温级膨胀腔12；二级回热器热端换热器5与压缩活塞端之间的空腔形成低温级压缩腔9；低温膨胀活塞组件、高温级冷端换热器3以及二级回热器热端换热器5的温度一致，工作于液氮温度以下温区。
29.上述制冷机的工作原理为：直线压缩机活塞15作往复运动，工质氦气在系统内形成周期性压力波动，工质气体经过直线压缩机的压缩腔20、主室温换热器1、高温级回热器2、高温级冷端换热器3、低温膨胀活塞组件中的高温级膨胀腔12，将高温级冷端热量转移到主室温换热器1释放，产生制冷效应；高温级冷端冷量用于冷却低温膨胀活塞组件和二级回热器热端换热器5，多余冷量可对外输出。低温级冷指中的工质经过低温膨胀活塞组件中的低温级压缩腔9、二级回热器热端换热器5、二级回热器6、二级冷端换热器8、二级脉冲管7、二级脉冲管热端换热器13及调相机构，将冷端换热器热量转移到二级回热器热端换热器5和二级脉冲管热端换热器13释放，获得更低温区。
30.低温膨胀活塞组件在活塞4两端面积差、支撑板簧11刚度以及自身动质量作用下，调节系统内声场分布，同时将高温级冷端膨胀声功高效传输至低温级冷指入口即二级回热器热端换热器5。
31.低温级冷指的调相机构为室温排出器结构14，位于线性压缩机的压缩腔内，或与线性压缩机的压缩腔20通过连接管连接，将低温级冷端膨胀声功回收至压缩机压缩腔20，同时可调节声场分布。最终在深低温区获得较高制冷效率。
32.实施例2
33.本实施例与实施例1的区别仅在于低温级冷指为双级结构脉冲管冷指，结构剖视图如图2所示。
34.双级结构脉冲管冷指包括二级回热器热端换热器5、二级回热器6、二级冷端换热
器8、二级脉冲管7、二级脉冲管热端换热器13、调相机构、三级回热器16、三级冷端换热器17、三级脉冲管18、三级脉冲管热端换热器19；二级回热器热端换热器5与气缸壁10相连；二级回热器热端换热器5、二级回热器6、二级冷端换热器8依次连接，二级冷端换热器8分别与二级脉冲管7、三级回热器16相连；二级脉冲管7为环形结构，布置于二级冷端换热器8、二级回热器6、二级回热器热端换热器5、活塞4、高温级冷端换热器3、高温级回热器2、主室温换热器1的内部中心轴上，同时位于三级脉冲管18同轴外侧；二级脉冲管热端换热器13连接二级脉冲管7和调相机构；三级回热器16与三级冷端换热器17、三级脉冲管18、三级脉冲管热端换热器19、调相机构21依次连接，三级脉冲管18布置于三级冷端换热器17、三级回热器16、二级脉冲管7的内部中心轴上。
35.调相机构为室温阶梯排出器结构21，位于线性压缩机的压缩腔内，或与线性压缩机的压缩腔通过连接管连接。
36.本实施例中制冷剂的工作原理与实施例1的不同之处在于：低温级冷指中的工质经过低温膨胀活塞组件中的低温级压缩腔9、二级回热器热端换热器5、二级回热器6、二级冷端换热器8；在二级冷端换热器8处工质发生分流，一部分流经二级脉冲管7、二级脉冲管热端换热器13及室温阶梯排出器结构21，在二级冷端换热器8处产生制冷效应，获得更低温区；冷量用于冷却三级回热器16的热端，多余的冷量可对外输出。另一部分工质流经三级回热器16、三级冷端换热器17、三级脉冲管18、三级脉管热端换热器19、室温阶梯排出器结构21，在三级冷端换热器17处产生制冷效应，工作温区进一步降低。
37.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。