采用全碳气凝胶的深低温排出器及斯特林制冷机

摘要

本发明公开了一种采用全碳气凝胶的深低温排出器包括壳体、冷端和热端，所述冷端设有一层吸附层，该吸附层是由全碳气凝胶构成。在深低温排出器的冷端设有一侧具有较强吸附能力的全碳气凝胶层，以使吸附了氦气的全碳超轻气凝胶材料在10K及10K以下较宽的温度范围内也具有较高的体积比热容，以在10K以下的深低温具有较高的回热效率。本发明还公开了一种斯特林制冷机，将具有全碳气凝胶的深低温排出器应用到斯特林制冷机中，以使斯特林制冷机在深低温区具有良好的稳定性和可靠性，制冷效果高。

说明书

技术领域

本发明涉及斯特林制冷机，尤其涉及一种采用全碳气凝胶的深低温排 出器及斯特林制冷机。

背景技术

液氦温区在国防军事、能源医疗、航空航天、低温物理等领域有着不 可或缺的重要作用。自荷兰物理学家Kamerlingh.Onnes于1908年首次实 现氦的液化以来，液氦温区（4K）一直是低温工程领域研究的重点和难 点。同时，特别是20世纪80年代以来，人类对深低温制冷技术有了更高 的技术和性能要求，对低温制冷机的效率、可靠性、体积和重量，以及振 动等提出了越来越苛刻的要求。

回热式制冷技术是低温制冷技术的一个重要分支，与其他制冷技术相 比，由于采用了填充有高体积比热容填料的回热器，回热式制冷技术具有 效率高、结构紧凑、可获得深低温(液氦温区)等优点，目前在国防军事、 能源医疗、低温物理等领域得到广泛应用。

斯特林制冷机和脉管制冷机是两种典型的回热式低温制冷机，目前它 们已广泛应用于空间任务中，但是该两种机型目前仅在80K和35K温区 发展相对成熟，而在10K及以下温区仍存在较大的技术困难，这使得低 温温区高效回热制冷机成为当前低温制冷领域的研究难点和热点。

与脉管制冷机相比，斯特林制冷机由于采用了主动控制的排出器，可 以有效的减小通过回热填料的压力损失，从而可在冷端获得较大的膨胀压 比；其次，排出器可以回收工质的膨胀功，使斯特林制冷机的理论效率等 于卡诺效率，而脉管制冷机由于无法回收脉管中的膨胀功，其本征效率低 于斯特林制冷机；同时由于不需要惯性管/气库等调相机构和脉管，斯特林 制冷机比脉管制冷机具有更加紧凑的结构，加之间隙密封和板弹簧支撑技 术的日益成熟，使得斯特林制冷机在空间以及军事等领域得到广泛的应 用。

但是为获得10K以下的制冷温度，斯特林制冷机必须采用3级甚至 更多级的结构，而过多的级数导致其排出器过长，由于斯特林膨胀机中的 排出器和气缸之间采用间距极小(约10μm)的间隙密封，同时由于排出器 跨越温区大，材料物性变化剧烈，以致过长的排出器无法保证活塞和气缸 之间的间隙，极易造成磨损，从而致使无法获得高可靠性和长寿命，因此 其应用限制在20K以上温区和两级结构。

作为回热式制冷机的一种，限制斯特林制冷机获得深低温的另一个技 术难题是：氦气的体积比热容在15K以下温区急剧增大，而常用回热填 料（如铅丸、不锈钢等材料）的比热容则显著下降，虽然磁性回热填料 （Er3Ni、GOS等）具有较高的体积比热容峰值，但是该峰值也只存在其 相变温度区域内，从而引起深低温回热器的效率急剧减小（如图4所示）， 进而导致深低温斯特林制冷机效率极低，所以寻找在深低温下（<10K） 具有高比热容的回热填料是提高当前深低温温区斯特林制冷机效率低下 的一个关键。

气凝胶，是一种具有多孔结构的外表呈固体状的物质，密度极小，可 以获得95%及以上的孔隙率，具有较强的吸附能力，当前世界上最轻的全 碳气凝胶的密度仅为0.16毫克/立方厘米，同时具有非常好的力学性能， 可以在体积压缩至20%时恢复原状，而且具有较好的隔热性能，气凝胶的 制备以及应用成为当前的研究热点。

发明内容

本发明提供了一种采用全碳气凝胶的深低温排出器，在采用全碳气凝 胶的深低温排出器的冷端吸附一层具有较强吸附能力的全碳气凝胶层，以 使吸附了氦气的全碳超轻气凝胶材料在10K及10K以下较宽的温度范围 内也具有较高的体积比热容，以在10K以下的深低温具有较高的回热效 率。

一种采用全碳气凝胶的深低温排出器，包括壳体、冷端和热端，所述 冷端设有一层吸附层，该吸附层是由全碳气凝胶构成。

所述壳体为中空或可填充有回热填料。该壳体是由薄壁不锈钢管组 成。所述回热填料包括不锈钢丝网、铅丸、磁性填料中的至少一种。

所述吸附层可采用可拆卸的机械结构或利用低温胶连接在所述采用 全碳气凝胶的深低温排出器的冷端。

本发明中，采用全碳气凝胶的深低温排出器的冷端的适用温区为10K 及10K以下，热端适用温区为10-300K。

如背景技术中所述，为获得较低的制冷温度，必须采用三级或者更多 的结构，但是过长的排出器无法保证排出器和气缸之间的间隙密封，从而 造成磨损和疲劳，以使斯特林制冷机的性能和可靠性降低，利用上述提及 的采用全碳气凝胶的深低温排出器，其吸附层在被压缩80%后仍可恢复原 状，可以有效避免该深低温排出器与气缸之间的磨损，同时全碳气凝胶压 缩减小的空间可以用来作为冷腔供气体膨胀，以减小冷端膨胀腔的尺寸， 最终减小冷端的漏热，提高整机效率。

本发明还提供了一种斯特林制冷机，将具有全碳气凝胶的深低温排出 器应用到斯特林制冷机中，以使斯特林制冷机在深低温区具有良好的稳定 性和可靠性，制冷效果高。

作为一种技术方案，一种斯特林制冷机，包括冷指及与该冷指连通并 提供工作流体的压缩机，所述冷指包括弹簧、深低温排出器、第一级气缸、 第一级冷端换热器、第二级气缸、第二级冷端换热器、第三级气缸和第三 级冷端换热器；所述第一级气缸、第一级冷端换热器、第二级气缸、第二 级冷端换热器、第三级气缸和第三级冷端换热器依次连接组成冷腔；所述 冷腔内同轴设置有与其间隙密封配合的深低温排出器，深低温排出器通过 弹簧连接在第一级气缸的热端；所述深低温排出器为上述采用全碳气凝胶 的深低温排出器。

所述冷指还可包括与压缩机相连实现流体连通的传输管。

作为另一种技术方案，一种斯特林制冷机，包括冷指、与该冷指连通 并提供工作流体的压缩机以及与该冷指同轴设置并带有活塞的膨胀机，所 述冷指包括深低温排出器、热端换热器、第一级气缸、第一级冷端换热器、 第二级气缸、第二级冷端换热器、第三级气缸和第三级冷端换热器；所述 热端换热器、第一级气缸、第一级冷端换热器、第二级气缸、第二级冷端 换热器、第三级气缸和第三级冷端换热器依次连接组成冷腔；所述冷腔内 同轴设置有与其间隙密封配合的深低温排出器，深低温排出器与膨胀机同 轴设置，深低温排出器的热端与所述活塞相连；所述深低温排出器为上述 采用全碳气凝胶的深低温排出器。

所述压缩机连接有一个与冷指相通实现流体连通的传输管。

第一种技术方案为气动式斯特林制冷机，第二种技术方案为牛津型双 驱动斯特林制冷机，与气动式斯特林制冷机相比，牛津型双驱动斯特林制 冷机具有排出器主动相位控制和调节功能。

所述膨胀机为现有的活塞式膨胀机，一般由板弹簧、磁铁、线圈、轭 铁等组成。

所述膨胀机包括：

带有一侧开口的膨胀机外壳；

固设在膨胀机外壳的开口处的环形固定架；

设置在环形固定架上的缸体；

活塞，同轴设于缸体内并与缸体间隙密封，活塞穿过环形固定架并与 深低温排出器的热端连接；

轭铁，包括设在缸体外壁的内轭铁、绕置于内轭铁外侧并固定在环形 固定架上的外轭铁；

嵌套在外轭铁中围绕内轭铁的线圈；

滑动配置在内轭铁与外轭铁之间的永磁体；

板弹簧，外侧固定在外轭铁上，内侧与活塞连接；

设置在环形固定架中与压缩机相通的第一流体通道；及

设于活塞外壁与环形固定架之间并与冷指相通的第二流体通道。

所述板弹簧中心开孔，板弹簧内侧为中心部分，外侧为外周部分。

与现有斯特林制冷机技术相比，本发明的有益效果体现在：

（1）本发明斯特林制冷机在深低温排出器冷端吸附有一层全碳气凝 胶层，以使采用全碳气凝胶的深低温排出器在10K及10K以下温区具有 较高的回热效率。这是因为全碳气凝胶在低温和高压下具有优异的吸附能 力，同时由于制冷机内的氦气在深低温温区的体积比热容较高，所以吸附 了氦气的全碳气凝胶在10K及10K以下较宽的温度范围内就具有较高的 体积比热容，而且它还具有较好的稳定性，有利于提高制冷机的稳定性和 可靠性。

（2）本发明在深低温排出器的冷端采用的全碳气凝胶层弹性极高， 其在被压缩80%后仍可恢复原状，故可有效避免排出器冷端与冷指之间的 磨损，同时全碳气凝胶压缩减小的空间可以用来作为冷腔供气体膨胀，以 减小冷端膨胀腔的尺寸，最终减小冷端的漏热，提高整机效率。

附图说明

图1为本发明采用全碳气凝胶的深低温排出器的结构示意图。

图2为本发明斯特林制冷机的一种实施方式的结构示意图。

图3为本发明斯特林制冷机的另一种实施方式结构示意图。

图4为多种物质的体积比热容与温度之间的关系。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，应当明 白，以下仅作为例示性，并不限制本发明的范围。

实施例1

参照图1，一种采用全碳气凝胶的深低温排出器AHD，包括壳体，填 充在该壳体内的回热填料，深低温排出器AHD的冷端设有吸附层，该吸 附层是由全碳气凝胶构成。壳体是由薄壁不锈钢管组成，不锈钢管内填充 有回热填料，吸附层是利用低温胶粘附在深低温排出器AHD的冷端。图 中，将深低温排出器AHD分为高温段HDP和低温段ACDP，高温段HDP 适用温区为10-300K，低温段ACDP适用温区为10K及10K以下，吸附 层为低温段ACDP。

实施例2

参照图2，一种斯特林制冷机，包括压缩机C和冷指，冷指包括传输 管TL、弹簧S、采用全碳气凝胶的深低温排出器AHD、第一级气缸C1、 第一级冷端换热器HX1、第二级气缸C2、第二级冷端换热器HX2、第三 级气缸C3和第三级冷端换热器HX3。

上述各部件的连接关系如下：压缩机C通过传输管TL依次与第一级 气缸C1、第一级冷端换热器HX1、第二级气缸C2、第二级冷端换热器 HX2、第三级气缸C3和第三级冷端换热器HX3相连；第一级气缸C1、 第一级冷端换热器HX1、第二级气缸C2、第二级冷端换热器HX2、第三 级气缸C3和第三级冷端换热器HX3依次连接组成冷腔，冷腔内同轴设置 有与冷腔间隙密封配合的采用全碳气凝胶的深低温排出器AHD，采用全 碳气凝胶的深低温排出器AHD的热端通过弹簧S与第一级气缸C1热端 相连。

本实施方式的斯特林制冷机的运行过程为：

高压阶段，经过压缩机C压缩后的高温高压气体通过传输管TL进入 采用全碳气凝胶的深低温排出器AHD，采用全碳气凝胶的深低温排出器 AHD向下运动；低压阶段，采用全碳气凝胶的深低温排出器AHD向上运 动，高压气体在第一级气缸C1、第二级气缸C2和第三级气缸C3的冷端 膨胀产生制冷效应，冷量分别从第一级冷端换热器HX1、第二级冷端换热 器HX2以及第三级冷端换热器HX3处取出以冷却待冷却的器件，由此完 成一个循环，直至达到稳定的最低制冷温度。

实施例3

参照图3，一种斯特林制冷机包括带有传输管TL的压缩机C、冷指 和膨胀机；冷指包括热端换热器HHX、采用全碳气凝胶的深低温排出器 AHD、第一级气缸C1、第一级冷端换热器HX1、第二级气缸C2、第二级 冷端换热器HX2、第三级气缸C3和第三级冷端换热器HX3；膨胀机包括 膨胀机外壳S、环形固定架G、缸体PC、板弹簧F、线圈SC、活塞TP、 轭铁Y、永磁体M、永磁体支架H。

上述各部件的连接关系如下：压缩机C通过传输管TL与膨胀机相连， 膨胀机依次与热端换热器HHX、第一级气缸C1、第一级冷端换热器HX1、 第二级气缸C2、第二级冷端换热器HX2、第三级气缸C3和第三级冷端换 热器HX3相连，热端换热器HHX、第一级气缸C1、第一级冷端换热器 HX1、第二级气缸C2、第二级冷端换热器HX2、第三级气缸C3和第三级 冷端换热器HX3依次连接组成冷腔，冷腔内同轴设置有与冷腔间隙密封 配合的采用全碳气凝胶的深低温排出器AHD，采用全碳气凝胶的深低温 排出器AHD与膨胀机也同轴设置，采用全碳气凝胶的深低温排出器AHD 的热端与膨胀机的活塞TP相连。

膨胀机外壳S由带有一侧开口的桶体组成，桶体开口部位设有法兰 面。环形固定架G固设在膨胀机外壳S的开口处，环形固定架G内壁设 有向中心延伸的固定凸起，缸体PC固定在固定凸起上，环形固定架G中 设有第一气体通道，其通过传输管TL与压缩机C相连；环形固定架G两 端设有分别与桶体的法兰面相互固定的螺孔，利用螺栓可以将膨胀机外壳 S和环形固定架G相互固定。

缸体PC是一个与冷指同轴设置的筒体，筒体与环形固定架G内壁的 固定凸起密封固定。缸体PC内设有与缸体PC间隙密封的活塞TP，活塞 TP穿过环形固定架G并与采用全碳气凝胶的深低温排出器AHD的热端 连接。活塞外壁与环形固定架之间设有与冷指相通的第二流体通道，第一 流体通道与第二流体通道相通，实现工作流体从压缩机向冷指内输送。轭 铁Y由外轭铁和内轭铁组成，内轭铁设在缸体PC外壁，外轭铁绕置于内 轭铁外侧并固定在环形固定架G上；线圈SC嵌套在外轭铁中并围绕内轭 铁，固定在永磁体支架上的永磁体M滑动配置在内轭铁和外轭铁之间； 外轭铁与环形固定架G通过长螺栓相互固定，内轭铁与缸体PC通过长螺 栓相互固定。板弹簧F外侧通过一个固定支架与外轭铁相互固定，板弹簧 F内侧与永磁体支架H和活塞TP端部连接并通过螺栓相互固定。板弹簧 F、线圈SC、永磁体支架H、活塞TP、缸体PC、轭铁Y及永磁体M均 布置在膨胀机外壳S组成的封闭腔内。

本实施方式的斯特林制冷机的运行过程为：

高压阶段，经过压缩机C压缩后的高温高压气体通过传输管TL进入 采用全碳气凝胶的深低温排出器AHD，在永磁体M和线圈SC的共同作 用下采用全碳气凝胶的深低温排出器AHD向下运动；低压阶段，在永磁 体M和线圈SC的共同作用下采用全碳气凝胶的深低温排出器AHD向上 运动，高压气体在第一级气缸C1、第二级气缸C2和第三级气缸C3的冷 端膨胀产生制冷效应，冷量分别从第一级冷端换热器HX1、第二级冷端换 热器HX2以及第三级冷端换热器HX3处取出以冷却待冷却的器件，由此 完成一个循环，直至达到稳定的最低制冷温度。