二级斯特林和单级脉管气耦合级联的多级低温制冷机

摘要

本发明公开了一种二级斯特林和单级脉管气耦合级联的多级低温制冷机。在该制冷机结构中，二级斯特林制冷机作为三级制冷机的第一级和第二级，高频脉管制冷机连接在斯特林制冷机的第二级之后并作为第三级，高频脉管制冷机可以采用U型和同轴型的布置结构，高频脉管制冷机可以采用常温惯性管与常温气库的组合和低温惯性管和低温气库的组合进行调相。该制冷机兼具斯特林制冷机和高频脉管制冷机的优点，具有明显的热力学优势；通过控制二级斯特林制冷机的排出器和压缩机之间的相位角可以在脉管制冷机回热器的入口处获得液氦温区高频脉管制冷机所需的工作条件，其最低制冷温度可能达到液氦温区，同时在不同的温区提供制冷量。

说明书

技术领域

本发明涉及回热式低温制冷机，尤其涉及一种二级斯特林和单级脉管气耦合 级联的多级低温制冷机。

背景技术

与G-M制冷机、布雷顿制冷机和斯特林制冷机相比，脉管制冷机在冷端 没有运动部件，具有结构简单、成本低、机械振动小、可靠性高和寿命长等优 点，这使得脉管制冷机成为当前的研究热点。脉管制冷机按照工作频率可以分 成低频脉管制冷机和高频脉管制冷机，其中高频脉管制冷机由于体积小、重量 轻、效率高、结构紧凑等优点成为空间用长寿命低温制冷机的理想选择，从而 受到广泛的关注。同时航空航天等领域的部分光学器件和仪器的工作温度一般 在4K或者更低的温度，这使得液氦温区高频脉管制冷机的研究成为热点，但 是由于液氦温区的制冷机理和损失机理尚缺乏全面的掌握，使得单纯采用高频 脉管制冷机结构到达液氦温度还存在很多困难，目前只有美国Lockheed Martin公司使用四级结构到达液氦温区，但是结构复杂，效率低。而采用三 级结构还没有达到液氦温区的报道。

斯特林制冷机与脉管制冷机同属回热式制冷机，它的理论效率等于卡诺效 率，比不回收膨胀功的脉管制冷机的效率高，而且牛津板弹簧支撑技术和间隙 密封技术的发展，使得压缩机内的活塞、膨胀机内的排出器与汽缸之间的非接 触往复运动成为可能，成功解决了斯特林制冷机长寿命运行的难题，因此斯特 林制冷机具有效率高、振动小和长寿命的优势。目前已有多台斯特林制冷机应 用在80K和35K的空间技术领域中。但是，随着制冷温度的进一步降低，多级 斯特林制冷机中膨胀腔排出器变得过长，难以保证低温端排出器与汽缸之间的 非接触往复运动，这使得空间长寿命斯特林制冷机到达液氦温区存在困难。目 前，现有三级斯特林制冷机的制冷温度尚无法到达液氦温区。

预冷型单级高频脉管制冷机的数值模拟结果显示：若要使高频脉管制冷机 的冷端温度达到液氦温度，其热端温度随着冷端压比的提高而显著提高。当使 用He-4作为工质，冷端压比(P_max/P_min)为1.4时，在特定尺寸、回热材料和较 低的充气压力条件下(一般为0.5-1.0MPa)，4K高频脉管制冷机的热端温度接 近40K，而现有的二级斯特林制冷机和二级高频脉管制冷机的最低制冷温度远 低于该温度，但是由于高频脉管制冷机运行时充气压力较高，在回热器中的压 力损失较大，在冷端无法获得大的压比(单级一般达到1.20-1.25，二级一般在 1.15-1.20)，使得三级高频脉管制冷机很难达到液氦温区。而分析指出：氦气 的粘度随着温度的降低而显著降低，即回热器的压力损失主要发生在300-80K 的高温段，由于斯特林制冷机中存在主动式控制部件——排出器，使得其可调 节制冷机的冷端压比，所以采用二级斯特林制冷机和单级高频脉管制冷机的复 合型结构可以实现液氦温区高频脉管制冷机低温段所需的大压比和小的充气 压力，即采用二级斯特林制冷机和单级高频脉管制冷机的复合型结构理论上是 能够到达液氦温区，而且兼具两者的结构紧凑、效率高、长寿命和高可靠性等 优点。

发明内容

本发明的目的是克服现有三级高频脉管制冷机和三级斯特林制冷机无法 到达液氦温区的技术缺点，提供一种二级斯特林和单级脉管气耦合级联的多级 低温制冷机。

一种二级斯特林和单级脉管气耦合级联的多级低温制冷机包括压缩机、二 级斯特林制冷机、脉管制冷机，二级斯特林制冷机通过第二级斯特林制冷机冷 端流道、第二级斯特林制冷机冷端集气管与脉管制冷机依次相连，二级斯特林 制冷机包括电动机组、压力室、排出器、导流器，电动机组、排出器位于压力 室中，电动机组驱动排出器，脉管制冷机包括回热器热端换热器、回热器、脉 管制冷机冷端集气管、脉管制冷机冷端流道、脉管冷端换热器、脉管、脉管热 端换热器、常温惯性管、常温气库，回热器热端换热器与回热器相连，回热器 与脉管制冷机冷端流道、脉管冷端换热器、脉管依次相连，回热器、脉管制冷 机冷端流道、脉管冷端换热器、脉管分别与脉管制冷机冷端集气管相连，脉管 与脉管热端换热器、常温惯性管、常温气库依次相连。

一种二级斯特林和单级脉管气耦合级联的多级低温制冷机包括压缩机、二 级斯特林制冷机、脉管制冷机，二级斯特林制冷机通过第二级斯特林制冷机冷 端流道、第二级斯特林制冷机冷端集气管与脉管制冷机依次相连，二级斯特林 制冷机包括电动机组、压力室、排出器、导流器，电动机组、排出器位于压力 室中，电动机组驱动排出器，脉管制冷机包括回热器热端换热器、回热器、脉 管制冷机冷端集气管、脉管制冷机冷端流道、脉管冷端换热器、脉管、脉管热 端换热器、低温惯性管、低温气库，回热器热端换热器与回热器相连，回热器 与脉管制冷机冷端流道、脉管冷端换热器、脉管依次相连，回热器、脉管制冷 机冷端流道、脉管冷端换热器、脉管分别与脉管制冷机冷端集气管相连，脉管 与脉管热端换热器、低温惯性管、低温气库依次相连，脉管热端换热器、低温 惯性管、低温气库分别与第二级斯特林制冷机冷端集气管相连。

一种二级斯特林和单级脉管气耦合级联的多级低温制冷机包括压缩机、二 级斯特林制冷机、脉管制冷机，二级斯特林制冷机通过第二级斯特林制冷机冷 端流道、第二级斯特林制冷机冷端集气管与脉管制冷机依次相连，二级斯特林 制冷机包括电动机组、压力室、排出器、导流器，电动机组、排出器位于压力 室中，电动机组驱动排出器，脉管制冷机包括回热器热端换热器、回热器、脉 管制冷机冷端集气管、脉管冷端换热器、脉管、常温惯性管、常温气库，回热 器热端换热器与回热器相连，回热器与脉管同轴排列，回热器、脉管与脉管冷 端换热器相连，回热器、脉管、脉管冷端换热器分别与脉管制冷机冷端集气管 相连，脉管与回热器热端换热器、常温惯性管、常温气库依次相连。

一种二级斯特林和单级脉管气耦合级联的多级低温制冷机包括压缩机、二 级斯特林制冷机、脉管制冷机，二级斯特林制冷机通过第二级斯特林制冷机冷 端流道、第二级斯特林制冷机冷端集气管与脉管制冷机依次相连，二级斯特林 制冷机包括电动机组、压力室、排出器、导流器，电动机组、排出器位于压力 室中，电动机组驱动排出器，脉管制冷机包括回热器热端换热器、回热器、脉 管制冷机冷端集气管、脉管冷端换热器、脉管、低温惯性管、低温气库，回热 器热端换热器与回热器相连，回热器与脉管同轴排列，回热器、脉管与脉管冷 端换热器相连，回热器、脉管、脉管冷端换热器分别与脉管制冷机冷端集气管 相连，脉管与回热器热端换热器、低温惯性管、低温气库依次相连。脉管、回 热器热端换热器、低温惯性管、低温气库分别与第二级斯特林制冷机冷端集气 管相连。

一种二级斯特林和单级脉管气耦合级联的多级低温制冷机包括压缩机、二 级斯特林制冷机、脉管制冷机，二级斯特林制冷机通过第二级斯特林制冷机冷 端流道、第二级斯特林制冷机冷端集气管与脉管制冷机依次相连，二级斯特林 制冷机包括电动机组、压力室、排出器、导流器，电动机组、排出器位于压力 室中，电动机组驱动排出器，脉管制冷机包括回热器热端换热器、回热器、脉 管制冷机冷端集气管、脉管制冷机冷端流道、脉管冷端换热器、脉管、脉管热 端换热器、常温惯性管、常温气库，回热器热端换热器与回热器、脉管冷端换 热器、脉管、脉管热端换热器、常温惯性管、常温气库依次相连。

一种二级斯特林和单级脉管气耦合级联的多级低温制冷机包括压缩机、二 级斯特林制冷机、脉管制冷机，二级斯特林制冷机通过第二级斯特林制冷机冷 端流道、第二级斯特林制冷机冷端集气管与脉管制冷机依次相连，二级斯特林 制冷机包括电动机组、压力室、排出器、导流器，电动机组、排出器位于压力 室中，电动机组驱动排出器，脉管制冷机包括回热器热端换热器、回热器、脉 管制冷机冷端集气管、脉管制冷机冷端流道、脉管冷端换热器、脉管、脉管热 端换热器、低温惯性管、低温气库，回热器热端换热器与回热器、脉管冷端换 热器、脉管、脉管热端换热器、低温惯性管、低温气库依次相连，脉管热端换 热器、低温惯性管、低温气库分别与第二级斯特林制冷机冷端集气管相连。

本发明通过控制二级斯特林制冷机的压缩机和膨胀机之间的相位角使制 冷工质进入第三级的工作压力和压比符合液氦温区高频脉管制冷机所需的工 作条件，从而使用三级结构到达液氦温区。通过对预冷型液氦温区高频脉管制 冷机进行数值模拟，得知液氦温区高频脉管制冷机的工作压力较低，但是冷端 压比较高，而且其热端温度随着冷端压比的增大而显著提高，但是由于脉管制 冷机冷端缺乏主动式的控制部件，使得其冷端压比无法控制；而斯特林制冷机 可以通过调节排出器的行程来控制其冷端压比和压力，将斯特林制冷机膨胀之 后的工质气体引入高频脉管制冷机便可达到液氦温区，从而解决三级高频脉管 制冷机和三级斯特林制冷机暂时无法到达液氦温区的问题。

附图说明

图1是使用常温惯性管和常温气库调相的二级斯特林和单级脉管(U型)气 耦合级联的多级低温制冷机；

图2是使用低温惯性管和低温气库调相的二级斯特林和单级脉管(U型)气 耦合级联的多级低温制冷机；

图3是使用常温惯性管和常温气库调相的二级斯特林和单级脉管(同轴型) 气耦合级联的多级低温制冷机；

图4是使用低温惯性管和低温气库调相的二级斯特林和单级脉管(同轴型) 气耦合级联的多级低温制冷机；

图5是使用常温惯性管和常温气库调相的二级斯特林和单级脉管(直线型) 气耦合级联的多级低温制冷机；

图6是使用低温惯性管和低温气库调相的二级斯特林和单级脉管(直线型) 气耦合级联的多级低温制冷机；

图中：压缩机1、二级斯特林制冷机2、电动机组3、压力室4、排出器5、 导流器6、第二级斯特林制冷机冷端流道7、第二级斯特林制冷机冷端集气管8、 脉管制冷机9、回热器热端换热器10、回热器11、脉管制冷机冷端集气管12、 脉管制冷机冷端流道13、脉管冷端换热器14、脉管15、脉管热端换热器16、 常温惯性管17、常温气库18、低温惯性管19、低温气库20。

具体实施方式

本发明是一种二级斯特林和单级脉管气耦合级联的多级低温制冷机，其中 二级斯特林制冷机作为第一级和第二级，脉管制冷机作为第三级。同时，作为 第三级的高频脉管制冷机可以使用U型结构和同轴型结构，第三级的调相方式 可以采用常温惯性管与常温气库的组合和低温惯性管与低温气库的组合。

如图1所示，使用常温惯性管和常温气库调相的二级斯特林和单级脉管(U 型)气耦合级联的多级低温制冷机包括压缩机1、二级斯特林制冷机2、脉管 制冷机9，二级斯特林制冷机2通过第二级斯特林制冷机冷端流道7、第二级 斯特林制冷机冷端集气管8与脉管制冷机9依次相连，二级斯特林制冷机2包 括电动机组3、压力室4、排出器5、导流器6，电动机组3、排出器5位于压 力室4中，电动机组3驱动排出器5，脉管制冷机9包括回热器热端换热器10、 回热器11、脉管制冷机冷端集气管12、脉管制冷机冷端流道13、脉管冷端换 热器14、脉管15、脉管热端换热器16、常温惯性管17、常温气库18，回热器 热端换热器10与回热器11相连，回热器11与脉管制冷机冷端流道13、脉管 冷端换热器14、脉管15依次相连，回热器11、脉管制冷机冷端流道13、脉管 冷端换热器14、脉管15分别与脉管制冷机冷端集气管12相连，脉管15与脉 管热端换热器16、常温惯性管17、常温气库18依次相连。

如图2所示，使用低温惯性管和低温气库调相的二级斯特林和单级脉管(U 型)气耦合级联的多级低温制冷机包括压缩机1、二级斯特林制冷机2、脉管 制冷机9，二级斯特林制冷机2通过第二级斯特林制冷机冷端流道7、第二级 斯特林制冷机冷端集气管8与脉管制冷机9依次相连，二级斯特林制冷机2包 括电动机组3、压力室4、排出器5、导流器6，电动机组3、排出器5位于压 力室4中，电动机组3驱动排出器5，脉管制冷机9包括回热器热端换热器10、 回热器11、脉管制冷机冷端集气管12、脉管制冷机冷端流道13、脉管冷端换 热器14、脉管15、脉管热端换热器16、低温惯性管17、低温气库18，回热器 热端换热器10与回热器11相连，回热器11与脉管制冷机冷端流道13、脉管 冷端换热器14、脉管15依次相连，回热器11、脉管制冷机冷端流道13、脉管 冷端换热器14、脉管15分别与脉管制冷机冷端集气管12相连，脉管15与脉 管热端换热器16、低温惯性管17、低温气库18依次相连，脉管热端换热器16、 低温惯性管17、低温气库18分别与第二级斯特林制冷机冷端集气管8相连。

如图3所示，使用常温惯性管和常温气库调相的二级斯特林和单级脉管(同 轴型)气耦合级联的多级低温制冷机包括压缩机1、二级斯特林制冷机2、脉 管制冷机9，二级斯特林制冷机2通过第二级斯特林制冷机冷端流道7、第二 级斯特林制冷机冷端集气管8与脉管制冷机9依次相连，二级斯特林制冷机2 包括电动机组3、压力室4、排出器5、导流器6，电动机组3、排出器5位于 压力室4中，电动机组3驱动排出器5，脉管制冷机9包括回热器热端换热器 10、回热器11、脉管制冷机冷端集气管12、脉管冷端换热器14、脉管15、常 温惯性管17、常温气库18，回热器热端换热器10与回热器11相连，回热器 11与脉管15同轴排列，回热器11、脉管15与脉管冷端换热器14相连，回热 器11、脉管15、脉管冷端换热器14分别与脉管制冷机冷端集气管12相连， 脉管15与回热器热端换热器10、常温惯性管17、常温气库18依次相连。

如图4所示，使用低温惯性管和低温气库调相的二级斯特林和单级脉管(同 轴型)气耦合级联的多级低温制冷机包括压缩机1、二级斯特林制冷机2、脉 管制冷机9，二级斯特林制冷机2通过第二级斯特林制冷机冷端流道7、第二 级斯特林制冷机冷端集气管8与脉管制冷机9依次相连，二级斯特林制冷机2 包括电动机组3、压力室4、排出器5、导流器6，电动机组3、排出器5位于 压力室4中，电动机组3驱动排出器5，脉管制冷机9包括回热器热端换热器 10、回热器11、脉管制冷机冷端集气管12、脉管冷端换热器14、脉管15、低 温惯性管19、低温气库20，回热器热端换热器10与回热器11相连，回热器 11与脉管15同轴排列，回热器11、脉管15与脉管冷端换热器14相连，回热 器11、脉管15、脉管冷端换热器14分别与脉管制冷机冷端集气管12相连， 脉管15与回热器热端换热器10、低温惯性管19、低温气库20依次相连。脉 管15、回热器热端换热器10、低温惯性管19、低温气库20分别与第二级斯特 林制冷机冷端集气管8相连。

如图5所示，使用常温惯性管和常温气库调相的二级斯特林和单级脉管(直 线型)气耦合级联的多级低温制冷机包括压缩机1、二级斯特林制冷机2、脉 管制冷机9，二级斯特林制冷机2通过第二级斯特林制冷机冷端流道7、第二 级斯特林制冷机冷端集气管8与脉管制冷机9依次相连，二级斯特林制冷机2 包括电动机组3、压力室4、排出器5、导流器6，电动机组3、排出器5位于 压力室4中，电动机组3驱动排出器5，脉管制冷机9包括回热器热端换热器 10、回热器11、脉管制冷机冷端集气管12、脉管制冷机冷端流道13、脉管冷 端换热器14、脉管15、脉管热端换热器16、常温惯性管17、常温气库18，回 热器热端换热器10与回热器11、脉管冷端换热器14、脉管15、脉管热端换热 器16、常温惯性管17、常温气库18依次相连。

如图6所示，使用低温惯性管和低温气库调相的二级斯特林和单级脉管(直 线型)气耦合级联的多级低温制冷机包括压缩机1、二级斯特林制冷机2、脉 管制冷机9，二级斯特林制冷机2通过第二级斯特林制冷机冷端流道7、第二 级斯特林制冷机冷端集气管8与脉管制冷机9依次相连，二级斯特林制冷机2 包括电动机组3、压力室4、排出器5、导流器6，电动机组3、排出器5位于 压力室4中，电动机组3驱动排出器5，脉管制冷机9包括回热器热端换热器 10、回热器11、脉管制冷机冷端集气管12、脉管制冷机冷端流道13、脉管冷 端换热器14、脉管15、脉管热端换热器16、低温惯性管19、低温气库20，回 热器热端换热器10与回热器11、脉管冷端换热器14、脉管15、脉管热端换热 器16、低温惯性管19、低温气库20依次相连，脉管热端换热器16、低温惯性 管19、低温气库20分别与第二级斯特林制冷机冷端集气管8相连。

综上所述，本发明包括三部分。第一部分是二级斯特林和单级脉管直线型 气耦合级联的多级低温制冷机；第二部分是单级高频脉管制冷机的回热器和脉 管可以采用U型、同轴型和直线型布置；第三部分是单级高频脉管制冷机的调 相方式可以是常温惯性管与常温气库的组合和低温惯性管与低温气库的组合。