可達(dá)液氦溫區(qū)的兩級(jí)斯特林循環(huán)制冷機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及斯特林循環(huán)制冷機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可達(dá)液氦溫區(qū)的兩級(jí)斯特林循環(huán)制冷機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]許多儀器在深低溫，特別是液氦溫區(qū)條件下具有更好的性能和效率，更高的運(yùn)行速度和靈敏度。因此，液氦溫區(qū)低溫制冷技術(shù)具有重要的研宄意義，在航空航天、國(guó)防領(lǐng)域、低溫超導(dǎo)、醫(yī)療等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。
[0003]獲得液氦溫區(qū)低溫環(huán)境的方式主要包括液氦低溫恒溫器或者液氦溫區(qū)低溫制冷機(jī)兩種。前者采用液氦作為冷源，可獲得較高的可靠性、穩(wěn)定性，但體積大、重量重且需要定期補(bǔ)充液氦，維護(hù)復(fù)雜昂貴、使用不方便。采用低溫制冷機(jī)作為冷源，結(jié)構(gòu)緊湊且后期維護(hù)費(fèi)用低，對(duì)于小型的液氦設(shè)備以及空間體積受限的場(chǎng)合具有顯著優(yōu)勢(shì)，但其可靠性和效率有待進(jìn)一步提高。因此，發(fā)展液氦溫區(qū)低溫制冷機(jī)在滿足特殊應(yīng)用場(chǎng)合需求、降低運(yùn)行成本以及降低氦供應(yīng)方面均具有十分重要的意義。
[0004]目前典型的液氦溫區(qū)低溫制冷機(jī)主要運(yùn)行頻率為l-2Hz的G-M制冷機(jī)或者G-M型脈管制冷機(jī)。其中兩級(jí)G-M制冷機(jī)已經(jīng)成功商業(yè)化，廣泛用于低溫泵和低溫系統(tǒng)中，一般采用輸入功率在6-12kW左右的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)兩級(jí)冷頭結(jié)構(gòu)，獲得1W@4.2K左右的制冷量。兩級(jí)G-M脈管制冷機(jī)采用與G-M制冷機(jī)相同的壓縮機(jī)，驅(qū)動(dòng)兩級(jí)的脈管冷頭，目前性能已接近兩級(jí)G-M制冷機(jī)的水平，初步獲得商業(yè)化應(yīng)用。此類制冷機(jī)體積大、質(zhì)量重，適用于對(duì)體積和重量要求不高且制冷量需求較大的場(chǎng)合，此類制冷機(jī)需要定期更換油吸附器，無法滿足航天及國(guó)防軍事領(lǐng)域?qū)煽啃灾亓矿w積方面等的要求。
[0005]為了滿足體積和質(zhì)量要求較高、而制冷量要求較低的需求(例如中遠(yuǎn)紅外、γ射線、X射線等空間探測(cè)器的迫切需要300mW(M.2K以下制冷量的小型、長(zhǎng)壽命制冷機(jī))，多級(jí)斯特林循環(huán)制冷機(jī)成為最佳方案。斯特林循環(huán)制冷機(jī)采用直線壓縮機(jī)(無閥)作為驅(qū)動(dòng)源，一般的工作頻率為30-60HZ。此類壓縮機(jī)電功轉(zhuǎn)化為PV功效率較高(可達(dá)80%左右)，具有潛在的高效性；并且直線壓縮機(jī)由于采用彈性軸承或氣體軸承消除了機(jī)械摩擦，具有較長(zhǎng)的使用壽命。此外，由于運(yùn)行頻率較高，斯特林型脈管制冷機(jī)還具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，美國(guó)Lockheed Martin先進(jìn)技術(shù)中心(LMATC)提出了四級(jí)斯特林脈管制冷機(jī)方案，達(dá)到了液氦溫區(qū)。雖然該制冷機(jī)的體積和重量較G-M制冷機(jī)顯得比較有優(yōu)勢(shì)，但是制冷系統(tǒng)級(jí)數(shù)較多，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，效率低。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型的目的在于提供一種可達(dá)液氦溫區(qū)的兩級(jí)斯特林循環(huán)制冷機(jī)，該制冷機(jī)采用單級(jí)斯特林制冷機(jī)預(yù)冷單級(jí)的斯特林脈管冷頭，僅通過兩級(jí)結(jié)構(gòu)便可達(dá)到液氦溫區(qū)，能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)、降低制冷機(jī)的體積和重量。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案:
[0009]一種可達(dá)液氦溫區(qū)的兩級(jí)斯特林循環(huán)制冷機(jī)，包括單級(jí)整體直線式自由活塞斯特林制冷機(jī)、直線式壓縮機(jī)和單級(jí)斯特林脈管制冷機(jī)。
[0010]所述的單級(jí)斯特林脈管制冷機(jī)包括依次相連的散熱器、回?zé)崞鳌⒗涠藫Q熱器、脈管、熱端換熱器、慣性管和氣庫；回?zé)崞魍ㄟ^U型管與脈管相連通。優(yōu)選的，所述的散熱器為水冷器或風(fēng)冷器。
[0011]所述的單級(jí)整體直線式自由活塞斯特林制冷機(jī)通過銅質(zhì)熱橋與脈管制冷機(jī)回?zé)崞飨噙B。所述的單級(jí)整體直線式自由活塞斯特林制冷機(jī)采用直線壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，且其壓縮機(jī)和排出器均采用氣體軸承支承或板簧支承，其排出器的回?zé)崽盍喜捎?0-20K溫區(qū)高比熱容材料。單級(jí)整體直線式自由活塞斯特林制冷機(jī)采用氣體軸承支承或板簧支承，能夠延長(zhǎng)其使用壽命，保證其可靠性。
[0012]所述的直線式壓縮機(jī)，其輸出端與水冷器相連，其輸出端與慣性管相連。優(yōu)選的，直線式壓縮機(jī)的輸出端通過雙向進(jìn)氣閥與慣性管相連。
[0013]在本實(shí)用新型所述的單級(jí)斯特林脈管制冷機(jī)中，采用的回?zé)崞骶哂袃刹糠只責(zé)崞骱腿糠只責(zé)崞鲀煞N結(jié)構(gòu)，具體地說:
[0014](I)所述的回?zé)崞鞣譃閮刹糠?，包括依次相連的第一部分回?zé)崞骱偷诙糠只責(zé)崞鳎凰龅诙糠只責(zé)崞鞯睦漕^通過冷端換熱器與脈管的冷頭相連，且第二部分回?zé)崞魍ㄟ^設(shè)置在冷端換熱器下方的U型管與脈管相連通；
[0015]所述的單級(jí)整體直線式自由活塞斯特林制冷機(jī)，其冷頭通過銅質(zhì)熱橋分別與第一部分回?zé)崞鞯睦漕^、第二部分回?zé)崞鞯臒岫讼噙B。
[0016](2)所述的回?zé)崞鞣譃槿糠?，包括依次相連的第一部分回?zé)崞?、第二部分回?zé)崞骱偷谌糠只責(zé)崞?；所述第三部分回?zé)崞鞯睦漕^通過冷端換熱器與脈管的冷頭相連，且第三部分回?zé)崞魍ㄟ^設(shè)置在冷端換熱器下方的U型管與脈管相連通。
[0017]所述的銅質(zhì)熱橋包括第一銅質(zhì)熱橋和第二銅質(zhì)熱橋。
[0018]所述的單級(jí)整體直線式自由活塞斯特林制冷機(jī)，其冷頭的中部通過第一銅質(zhì)熱橋分別與脈管制冷機(jī)第一部分回?zé)崞鞯睦漕^、第二部分回?zé)崞鞯臒岫讼噙B，其冷頭的下端通過第二銅質(zhì)熱橋分別與第二部分回?zé)崞鞯睦漕^、第三部分回?zé)崞鞯臒岫讼噙B。
[0019]本實(shí)用新型所采用的直線式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)為以下三種結(jié)構(gòu)中的任意一種:
[0020](I)所述的直線式壓縮機(jī)包括氣缸、活塞和用于將活塞支承在氣缸內(nèi)部的板彈簧。
[0021](2)所述的直線式壓縮機(jī)包括氣缸和活塞；活塞與氣缸之間通過氣體軸承支承活塞懸浮于氣缸內(nèi)部。
[0022](3)所述的直線式壓縮機(jī)包括氣缸、活塞和用于軸向定位活塞的板彈簧；活塞與氣缸之間通過氣體軸承支承活塞懸浮于氣缸內(nèi)部。
[0023]由以上技術(shù)方案可知，本實(shí)用新型采用由單級(jí)自由活塞斯特林制冷機(jī)和單級(jí)斯特林脈管制冷機(jī)組成的兩級(jí)斯特林型循環(huán)制冷機(jī)，成功實(shí)現(xiàn)液氦溫區(qū)的工作溫度。本實(shí)用新型不僅降低了級(jí)聯(lián)耦合，減少了制冷量的損失，降低了壓縮機(jī)輸入功率；還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，本實(shí)用新型所述技術(shù)方案中的直線式壓縮機(jī)，運(yùn)用氣體軸承或者板彈簧支承，其輸出效率和整機(jī)可靠性較高，使得兩級(jí)斯特林型循環(huán)制冷機(jī)的運(yùn)行壽命可達(dá)到10萬小時(shí)以上。
【附圖說明】
[0024]圖1是實(shí)施例1中本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是實(shí)施例2中本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3是方案I中直線式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4是方案2中直線式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖5是方案3中直線式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]其中:
[0030]1、實(shí)施例1中的銅質(zhì)熱橋，101、實(shí)施例2中的第一銅質(zhì)熱橋，102、實(shí)施例2中的第二銅質(zhì)熱橋，2、單級(jí)整體直線式自由活塞斯特林制冷機(jī)，3、直線式壓縮機(jī)，4、雙向進(jìn)氣閥，5、氣庫，6、慣性管，7、熱端換熱器，8、水冷器(或風(fēng)冷器)，9、脈管，10、冷端換熱器，11、U型管，31、氣缸，32、活塞，33、板彈簧，R11、第一部分回?zé)崞?，R12、第二部分回?zé)崞?，R13、第三部分回?zé)崞鳌?br>【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明:
[0032]實(shí)施例1
[0033]如圖1所示的一種可達(dá)液氦溫區(qū)的兩級(jí)斯特林循環(huán)制冷機(jī)，包括單級(jí)整體直線式自由活塞斯特林制冷機(jī)2、直線式壓縮機(jī)3和單級(jí)斯特林脈管制冷機(jī)。
[0034]所述的單級(jí)斯特林脈管制冷機(jī)包括依次相連的水冷器(或風(fēng)冷器)8、第一部分回?zé)崞鱎l1、第二部分回?zé)崞鱎12、冷端換熱器10、脈管9、熱端換熱器7、慣性管6和氣庫5。所述第二部分回?zé)崞鱎12的冷頭通過冷端換熱器10與脈管9的冷頭相連，且第二部分回?zé)崞鱎12通過設(shè)置在冷端換熱器10下方的U型管11與脈管9相連通。
[0035]所述的單級(jí)整體直線式自由活塞斯特林制冷機(jī)2，其冷頭通過銅質(zhì)熱橋I分別與第一部分回?zé)崞鱎ll的冷頭、第二部分回?zé)崞鱎12的熱端相連。所述的單級(jí)整體直線式自由活塞斯特林制冷機(jī)2采用直線壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，且其壓縮機(jī)和排出器均采用氣體軸承支承或板簧支承，其排出器的回?zé)崽盍喜捎?0-20K溫區(qū)高比熱容材料(如ErPr材料或者Er3Ni材料
[0036]所述的直線式壓縮機(jī)3，其輸出端與水冷器8相連，其輸出端還可通過雙向進(jìn)氣閥4與慣性管6相連。
[0037]上述可達(dá)液氦溫區(qū)的兩級(jí)斯特林循環(huán)制冷機(jī)的工作原理為:
[0038]向單級(jí)整體直線式自由活塞斯特林制冷機(jī)2、直線式壓縮機(jī)3供給交流電。一方面，單級(jí)整體直線式自由活塞斯特林制冷機(jī)2工作，預(yù)冷銅質(zhì)熱橋1，并將第一部分回?zé)崞黝A(yù)冷至10~20K溫區(qū)，為第二級(jí)斯特林脈管制冷機(jī)低溫制冷提供預(yù)冷溫度。另一方面，直線壓縮機(jī)3工作，產(chǎn)生壓力波，水冷器8冷卻高溫壓力波，冷卻后的壓力波依次進(jìn)入第一部分回?zé)崞鱎ll與第二部分回?zé)崞鱎12，進(jìn)一步與回?zé)崞鞑牧辖粨Q熱量，高壓氣體位于第二部分回?zé)崞鱎12的前端膨脹制冷，在冷端換熱器10獲得