多级低温制冷机制造技术

本发明专利技术涉及低温制冷领域，公开了一种多级低温制冷机，其包括排出器组件、压缩机组件和制冷机外壳，所述排出器组件包括排出器气缸和一对排出器活塞，一对所述排出器活塞对置设于所述排出器气缸中，所述排出器活塞与所述排出器气缸之间采用间隙密封连接，所述排出器活塞采用阶梯结构；所述压缩机组件包括一对对置设于所述制冷机外壳中的压缩机活塞和压缩机气缸，所述压缩机活塞与压缩机气缸采用间隙密封连接，所述压缩机气缸的端口处与所述制冷机外壳密封固定连接。本发明专利技术结构简单，振动小，可靠性高，能够减小回热器内的损失，提升制冷性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及低温制冷
，特别是涉及一种多级低温制冷机。
技术介绍
工作于液氢至液氦温区的小型低温制冷机在超导电子、空间探测、低温物理等领域中有广泛的应用需求，对促进相关产业领域的发展具有重要的推动作用。在此温区，目前使用比较广泛的小型低温制冷机技术包括J-T节流制冷机、G-M制冷机、G-M型脉冲管制冷机、斯特林制冷机以及斯特林型脉冲管制冷机等。J-T节流制冷机工作原理基于气体工质的内禀不可逆效应，效率难以提高。而且对于小冷量深低温系统来说，由于节流孔较小，温区较低，对系统内部的洁净度要求很高，易发生节流孔堵塞等问题，引起制冷机失效，降低了可靠性。在深低温区(液氢-液氦温区)得到应用最多的是G-M机和G-M型脉冲管制冷机，其采用油压缩机产生高低压，利用旋转阀产生l-2Hz的周期性压力波动，进而在回热器内产生制冷机效应。在磁性蓄冷材料出现之后，目前G-M制冷机的最低温能够到达2K以下，并在液氦温区取得几W以上的冷量，目前已经商业化并被广泛应用。其优势在于切换阀运行频率低，回热器换热充分，流动损失较小，有利于到达液氦等温区，制冷机能够达到相对较高的效率。但其高低压切换采用旋转阀结构，气体流经时会产生较大的压降损失，引起难以避免的不可逆损失，系统热效率难以提高；另一方面其利用油压缩机产生高低压气体，需要配备油分离器等设备，系统体积庞大，并需要定期进行维护，寿命难以保证。此外，G-M制冷机采用了低温下运行的排出器进行调相，虽然具有较高的调相能力，但降低了系统可靠性，同时增加冷端的振动。G-M型脉冲管制冷机在制冷机侧采用脉冲管加调相机构来代替运动部件，有效减小了冷端振动，然而由于调相能力的下降，其热效率进一步低于G-M制冷机。斯特林制冷机利用活塞的往复运动在系统内形成周期性的压力波动，同时利用低温下运行的排出器调节整机声场分布，在回热器内产生制冷效应，其本质为可逆的斯特林循环，具有较高的效率。工作频率通常为30-100HZ，较高的运行频率能够获得更小的系统体积重量。然而对于液氢以下温区，由于回热器两侧温差范围大，需要采用多级结构，采用两个以上膨胀腔，排出器与壁面之间需要两端微米级的间隙密封，而采用磁性填料(通常为球形)后，进一步增加了回热器长度，而排出器长度与回热器相当，较长的排出器不仅易引起弯曲，微米级的间隙密封对工艺的要求很高，易导致较低的效率以及运行寿命。斯特林型脉冲管制冷机与斯特林制冷机类似，同样采用活塞的往复运动在系统内形成周期性的压力波动。与斯特林制冷机相比，去除了排出器结构，采用脉冲管结构隔离冷端与室温环境，在脉冲管的热端利用了阻力元件来调整回热器内声学阻抗分布。脉冲管的采用使得制冷机在冷端无运动部件，带来了结构简单、振动小、可靠性高、寿命长、成本低等优点。在两级或多路旁通结构中，最低温能够到达液氢温区以下，但热效率与G-M相比仍有较大差距。其主要原因在于惯性管、双向进气结构等调相机构的调相能力远低于排出器结构，回热器声场分布较差，流动损失难以降低。此外，多级结构中，较高温区级采用惯性管调相使得大量的声功无法回收，限制了效率的提高。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是如何减小回热器中的压力波动与体积流率之间的相位差，以获得最佳的制冷性能，同时回收较高温区的大量膨胀声功，避免低温下的运动部件。( 二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种多级低温制冷机，其包括排出器组件、压缩机组件和制冷机外壳，所述排出器组件包括排出器气缸和一对排出器活塞，一对所述排出器活塞对置设于所述排出器气缸中，所述排出器活塞与所述排出器气缸之间采用间隙密封连接，所述排出器活塞采用阶梯结构；所述压缩机组件包括一对对置设于所述制冷机外壳中的压缩机活塞和压缩机气缸，所述压缩机活塞与压缩机气缸采用间隙密封连接，所述压缩机气缸的端口处与所述制冷机外壳密封固定连接。其中，还包括一级回热器、二级回热器、一级脉冲管和二级脉冲管，所述一级回热器下端设有室温端换热器，所述一级回热器的上端设有一级冷端换热器，所述二级回热器的下端与所述一级冷端换热器相连，所述二级回热器的上端设有二级冷端换热器；所述一级脉冲管的上端与所述一级冷端换热器相连，其下端设有一级热端换热器，所述二级脉冲管的上端与二级冷端换热器相连，其下端设有二级热端换热器。其中，所述排出器活塞包括大轴活塞端和小轴活塞端，所述大轴活塞端和小轴活塞端的连接处设有环形凹槽，所述排出器气缸设有连通所述环形凹槽的第一空腔，一对所述排出器活塞的小轴活塞端相对设置，两者之间留有间隙，所述排出器气缸设有与所述间隙连通的第二空腔，所述排出器气缸设有连通两个所述环形凹槽的第三空腔，所述第一空腔的上端与所述一级热端换热器相连，所述第一空腔、第三空腔以及一级热端换热器之间的空腔形成一级膨胀腔；所述第二空腔与所述第二热端换热器相连，所述第二空腔与第二热端换热器之间的空腔形成二级膨胀腔。其中，相对设置的两对所述压缩机活塞与压缩机气缸连接后之间的空间，以及所述压缩机气缸的端口与所述制冷机外壳连接后之间形成的空间共同构成压缩腔，所述压缩腔与所述室温端换热器相连；所述排出器组件位于所述压缩腔内或者位于所述压缩腔外，当所述排出器组件位于所述压缩腔外时，所述排出器气缸与所述压缩腔之间通过连接管连通，所述排出器气缸设有连通所述压缩腔与室温端换热器的第四空腔。其中，所述大轴活塞端与所述环形凹槽相邻的侧端面与所述排出器气缸的侧壁通过支撑板簧连接。其中，所述大轴活塞端的外端面面积等于所述大轴活塞端与所述环形凹槽相邻的侧端面面积与所述小轴活塞端的端面面积之和。其中，所述排出器组件工作于室温区域。其中，所述一级脉冲管与所述二级脉冲管同轴设置；或者所述一级脉冲管设于所述二级脉冲管之外，两者之间通过连接件连接。(三)有益效果与现有技术相比，本专利技术具有以下优点:本专利技术提供的一种多级低温制冷机，其包括排出器组件和压缩机组件，所述排出器组件包括排出器气缸和一对排出器活塞，一对所述排出器活塞对置设于所述排出器气缸中，所述排出器活塞采用阶梯结构，从而能够形成两个或两个以上的膨胀腔，用于分别调节不同级的回热器的压力波动与气体流速之间的相位，分别在多个回热器内形成较小的相位差，以减小损失，提升制冷性能；所述的排出器活塞能够有效回收膨胀腔内的大量膨胀声功，提高了系统效率；所述排出器活塞和压缩机活塞分别采用对置设置，能够相互抵消振动，结构简单、振动小、可靠性高、寿命长、成本低。【附图说明】图1为本专利技术实施例1的一种多级制冷机的纵向剖视图；图2为图1中A的局部放大图；图3为本专利技术实施例2的一种多级制冷机的纵向剖视图；图4为本专利技术实施例3的一种多级制冷机的纵向剖视图；图5为本专利技术实施例4的一种多级制冷机的纵向剖视图。图中:1:线圈；2:动子磁铁；3:压缩机活塞；4:压缩机气缸；5:压缩腔；6:预冷用室温端换热器；7:预冷用一级回热器；8:预冷用一级冷端换热器；9:预冷用一级脉冲管；10:预冷用一级热端换热器；11:一级膨胀腔；12:室温端换热器；13:—级回热器；14:一级冷端换热器；15:二级回热器；16:二级冷端换热器；17:二级脉冲管；18:二级热端换热器；19:二级膨胀腔；20:排出器活塞；21:支本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多级低温制冷机，其特征在于，包括排出器组件、压缩机组件和制冷机外壳，所述排出器组件包括排出器气缸和一对排出器活塞，一对所述排出器活塞对置设于所述排出器气缸中，所述排出器活塞与所述排出器气缸之间采用间隙密封连接，所述排出器活塞采用阶梯结构；所述压缩机组件包括一对对置设于所述制冷机外壳中的压缩机活塞和压缩机气缸，所述压缩机活塞与压缩机气缸采用间隙密封连接，所述压缩机气缸的端口处与所述制冷机外壳密封固定连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓涛，戴巍，庞晓敏，李海冰，罗二仓，阳朝晖，陈帅，张益炳，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，中科力函深圳低温技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11