[实用新型]二级斯特林和单级脉管气耦合级联的多级低温制冷机

说明书

技术领域

本实用新型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LockheedMartin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

本实用新型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。