多級(jí)低溫制冷機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低溫制冷技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多級(jí)低溫制冷機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]工作于液氫至液氦溫區(qū)的小型低溫制冷機(jī)在超導(dǎo)電子、空間探測(cè)、低溫物理等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用需求，對(duì)促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。在此溫區(qū)，目前使用比較廣泛的小型低溫制冷機(jī)技術(shù)包括J-T節(jié)流制冷機(jī)、G-M制冷機(jī)、G-M型脈沖管制冷機(jī)、斯特林制冷機(jī)以及斯特林型脈沖管制冷機(jī)等。
[0003]J-T節(jié)流制冷機(jī)工作原理基于氣體工質(zhì)的內(nèi)稟不可逆效應(yīng)，效率難以提高。而且對(duì)于小冷量深低溫系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于節(jié)流孔較小，溫區(qū)較低，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的潔凈度要求很高，易發(fā)生節(jié)流孔堵塞等問(wèn)題，引起制冷機(jī)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(yīng)用最多的是G-M機(jī)和G-M型脈沖管制冷機(jī)，其采用油壓縮機(jī)產(chǎn)生高低壓，利用旋轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生l-2Hz的周期性壓力波動(dòng)，進(jìn)而在回?zé)崞鲀?nèi)產(chǎn)生制冷機(jī)效應(yīng)。在磁性蓄冷材料出現(xiàn)之后，目前G-M制冷機(jī)的最低溫能夠到達(dá)2K以下，并在液氦溫區(qū)取得幾W以上的冷量，目前已經(jīng)商業(yè)化并被廣泛應(yīng)用。其優(yōu)勢(shì)在于切換閥運(yùn)行頻率低，回?zé)崞鲹Q熱充分，流動(dòng)損失較小，有利于到達(dá)液氦等溫區(qū)，制冷機(jī)能夠達(dá)到相對(duì)較高的效率。但其高低壓切換采用旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)，氣體流經(jīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)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(jī)產(chǎn)生高低壓氣體，需要配備油分離器等設(shè)備，系統(tǒng)體積龐大，并需要定期進(jìn)行維護(hù)，壽命難以保證。此外，G-M制冷機(jī)采用了低溫下運(yùn)行的排出器進(jìn)行調(diào)相，雖然具有較高的調(diào)相能力，但降低了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)增加冷端的振動(dòng)。G-M型脈沖管制冷機(jī)在制冷機(jī)側(cè)采用脈沖管加調(diào)相機(jī)構(gòu)來(lái)代替運(yùn)動(dòng)部件，有效減小了冷端振動(dòng)，然而由于調(diào)相能力的下降，其熱效率進(jìn)一步低于G-M制冷機(jī)。
[0005]斯特林制冷機(jī)利用活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)在系統(tǒng)內(nèi)形成周期性的壓力波動(dòng)，同時(shí)利用低溫下運(yùn)行的排出器調(diào)節(jié)整機(jī)聲場(chǎng)分布，在回?zé)崞鲀?nèi)產(chǎn)生制冷效應(yīng)，其本質(zhì)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(yùn)行頻率能夠獲得更小的系統(tǒng)體積重量。然而對(duì)于液氫以下溫區(qū)，由于回?zé)崞鲀蓚?cè)溫差范圍大，需要采用多級(jí)結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)以上膨脹腔，排出器與壁面之間需要兩端微米級(jí)的間隙密封，而采用磁性填料(通常為球形)后，進(jìn)一步增加了回?zé)崞鏖L(zhǎng)度，而排出器長(zhǎng)度與回?zé)崞飨喈?dāng)，較長(zhǎng)的排出器不僅易引起彎曲，微米級(jí)的間隙密封對(duì)工藝的要求很高，易導(dǎo)致較低的效率以及運(yùn)行壽命。
[0006]斯特林型脈沖管制冷機(jī)與斯特林制冷機(jī)類似，同樣采用活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)在系統(tǒng)內(nèi)形成周期性的壓力波動(dòng)。與斯特林制冷機(jī)相比，去除了排出器結(jié)構(gòu)，采用脈沖管結(jié)構(gòu)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(lái)調(diào)整回?zé)崞鲀?nèi)聲學(xué)阻抗分布。脈沖管的采用使得制冷機(jī)在冷端無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，帶來(lái)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、振動(dòng)小、可靠性高、壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。在兩級(jí)或多路旁通結(jié)構(gòu)中，最低溫能夠到達(dá)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(jìn)氣結(jié)構(gòu)等調(diào)相機(jī)構(gòu)的調(diào)相能力遠(yuǎn)低于排出器結(jié)構(gòu)，回?zé)崞髀晥?chǎng)分布較差，流動(dòng)損失難以降低。此外，多級(jí)結(jié)構(gòu)中，較高溫區(qū)級(jí)采用慣性管調(diào)相使得大量的聲功無(wú)法回收，限制了效率的提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何減小回?zé)崞髦械膲毫Σ▌?dòng)與體積流率之間的相位差，以獲得最佳的制冷性能，同時(shí)回收較高溫區(qū)的大量膨脹聲功，避免低溫下的運(yùn)動(dòng)部件。
[0009]( 二)技術(shù)方案
[0010]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種多級(jí)低溫制冷機(jī)，其包括排出器組件、壓縮機(jī)組件和制冷機(jī)外殼，所述排出器組件包括排出器氣缸和一對(duì)排出器活塞，一對(duì)所述排出器活塞對(duì)置設(shè)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(jié)構(gòu)；所述壓縮機(jī)組件包括一對(duì)對(duì)置設(shè)于所述制冷機(jī)外殼中的壓縮機(jī)活塞和壓縮機(jī)氣缸，所述壓縮機(jī)活塞與壓縮機(jī)氣缸采用間隙密封連接，所述壓縮機(jī)氣缸的端口處與所述制冷機(jī)外殼密封固定連接。
[0011]其中，還包括一級(jí)回?zé)崞?、二?jí)回?zé)崞鳌⒁患?jí)脈沖管和二級(jí)脈沖管，所述一級(jí)回?zé)崞飨露嗽O(shè)有室溫端換熱器，所述一級(jí)回?zé)崞鞯纳隙嗽O(shè)有一級(jí)冷端換熱器，所述二級(jí)回?zé)崞鞯南露伺c所述一級(jí)冷端換熱器相連，所述二級(jí)回?zé)崞鞯纳隙嗽O(shè)有二級(jí)冷端換熱器；所述一級(jí)脈沖管的上端與所述一級(jí)冷端換熱器相連，其下端設(shè)有一級(jí)熱端換熱器，所述二級(jí)脈沖管的上端與二級(jí)冷端換熱器相連，其下端設(shè)有二級(jí)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(shè)有環(huán)形凹槽，所述排出器氣缸設(shè)有連通所述環(huán)形凹槽的第一空腔，一對(duì)所述排出器活塞的小軸活塞端相對(duì)設(shè)置，兩者之間留有間隙，所述排出器氣缸設(shè)有與所述間隙連通的第二空腔，所述排出器氣缸設(shè)有連通兩個(gè)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(jí)熱端換熱器相連，所述第一空腔、第三空腔以及一級(jí)熱端換熱器之間的空腔形成一級(jí)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(jí)膨脹腔。
[0013]其中，相對(duì)設(shè)置的兩對(duì)所述壓縮機(jī)活塞與壓縮機(jī)氣缸連接后之間的空間，以及所述壓縮機(jī)氣缸的端口與所述制冷機(jī)外殼連接后之間形成的空間共同構(gòu)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(nèi)或者位于所述壓縮腔外，當(dāng)所述排出器組件位于所述壓縮腔外時(shí)，所述排出器氣缸與所述壓縮腔之間通過(guò)連接管連通，所述排出器氣缸設(shè)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(cè)端面與所述排出器氣缸的側(cè)壁通過(guò)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(cè)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(jí)脈沖管與所述二級(jí)脈沖管同軸設(shè)置；或者所述一級(jí)脈沖管設(shè)于所述二級(jí)脈沖管之外，兩者之間通過(guò)連接件連接。
[0018](三)有益效果
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0020]本發(fā)明提供的一種多級(jí)低溫制冷機(jī)，其包括排出器組件和壓縮機(jī)組件，所述排出器組件包括排出器氣缸和一對(duì)排出器活塞，一對(duì)所述排出器活塞對(duì)置設(shè)于所述排出器氣缸中，所述排出器活塞采用階梯結(jié)構(gòu)，從而能夠形成兩個(gè)或兩個(gè)以上的膨脹腔，用于分別調(diào)節(jié)不同級(jí)的回?zé)崞鞯膲毫Σ▌?dòng)與氣體流速之間的相位，分別在多個(gè)回?zé)崞鲀?nèi)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(nèi)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(jī)活塞分別采用對(duì)置設(shè)置，能夠相互抵消振動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、振動(dòng)小、可靠性高、壽命長(zhǎng)、成本低。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的一種多級(jí)制冷機(jī)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(shí)施例2的一種多級(jí)制冷機(jī)的縱向剖視圖；
[0026]圖4為本發(fā)明實(shí)施例3的一種多級(jí)制冷機(jī)的縱向剖視圖；
[0027]圖5為本發(fā)明實(shí)施例4的一種多級(jí)制冷機(jī)的縱向剖視圖。
[0028]圖中:1:線圈；2:動(dòng)子磁鐵；3:壓縮機(jī)活塞；4:壓縮機(jī)氣缸；5:壓縮腔；6:預(yù)冷用室溫端換熱器；7:預(yù)冷用一級(jí)回?zé)崞鳎?:預(yù)冷用一級(jí)冷端換熱器；9:預(yù)冷用一級(jí)脈沖管；10:預(yù)冷用一級(jí)熱端換熱器；11:一級(jí)膨脹腔；12:室溫端換熱器；13:—級(jí)回?zé)崞鳎?4:一級(jí)冷端換熱器；15:二級(jí)回?zé)崞鳎?6:二級(jí)冷端換熱器；17:二級(jí)脈沖管；18:二級(jí)熱端換熱器；19:二級(jí)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(dǎo)流絲網(wǎng)；25:一級(jí)脈沖管；26:一級(jí)熱端換熱器；27:制冷機(jī)外殼；28:大軸活塞端的外端面；29:側(cè)端面；30:小軸活塞端的端面；31:排出器氣缸；32:連接管。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0030]在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)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(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“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(duì)重要性。
[0031]此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說(shuō)明，“多個(gè)”、“多根”、“多組”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。
[0032]實(shí)施例1
[0033]如圖1和圖2所示，為本發(fā)明提供的一種多級(jí)低溫制冷機(jī)，其包括排出器組件、壓縮機(jī)組件和制冷機(jī)外殼27，所述排出器組件包括排出器氣缸31和一對(duì)排出器活塞20，一對(duì)所述排出器活塞20對(duì)置設(shè)于所述排出器氣缸31中，運(yùn)動(dòng)方向相反且產(chǎn)生的振動(dòng)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(jí)的間隙密封連接，所述排出器活塞20采用階梯軸結(jié)構(gòu)；排出器活塞20采用無(wú)連桿結(jié)構(gòu)，工作于室溫下，充分發(fā)揮排出器調(diào)相能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，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(jī)結(jié)構(gòu)；排出器組件密封長(zhǎng)度短，不易彎曲，同時(shí)不受低溫沖擊影響，具有更高的可靠性；所述壓縮機(jī)組件包括一對(duì)對(duì)置設(shè)于所述制冷機(jī)外殼27中的壓縮機(jī)活塞3和壓縮機(jī)氣缸4，產(chǎn)生振動(dòng)能相互抵消，所述壓縮機(jī)活塞3與壓縮機(jī)氣缸4采用微米級(jí)的間隙密封連接，所述壓縮機(jī)氣缸4的端口處與所述制冷機(jī)外殼27密封固定連接。
[0034]該制冷機(jī)還包括一級(jí)回?zé)崞?3、二級(jí)回?zé)崞?5、一級(jí)脈沖管25和二級(jí)脈沖管