[发明专利]一种可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷机

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合型制冷机，具体是涉及一种可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷机。

背景技术

现代科学技术中，许多仪器和设备的运行和发展离不开低温制冷技术，例如红外器件、低温电子器件、低温冷凝真空装置、超导磁体和超导磁共振成像仪等都需要符合要求的低温制冷机来提供冷却条件。

回热式制冷技术和间壁式制冷技术是低温制冷领域中的两个重要分支，根据这两种技术各自的特点，目前在低温物理、国防军事、能源、医疗等领域应用均较为广泛。

斯特林制冷机和节流制冷机分别是回热式和间壁式两种制冷技术中的典型低温制冷机。其中，斯特林制冷机利用电机驱动压缩机构和膨胀机构，利用回热填料与工质之间的换热完成制冷效应，具有结构紧凑、效率高、体积小等优点，经过长期的竞争开发、评估和实质性的研究，斯特林制冷机已经从所有候选的微型制冷机中脱颖而出，广泛应用于夜视仪、导弹制导系统的冷却器等，但斯特林制冷机受到驱动组件、传动机构等结构特点的限制，初始预冷时间较长，使其在要求迅速获得足够冷量的应用中受到了限制；节流制冷机利用焦耳-汤姆逊效应，利用高压气体通过节流装置膨胀到低压以产生制冷效应，节流制冷器通常具有开式和闭式两种形式，开式循环模式的节流制冷器采用高压储气器或高压气体钢瓶供气，这种系统不需要压缩机和制冷器之间的永久性连接，对压缩机与低温恒温器的分隔距离没有限制，系统除要求连续供给高压气体外，不需要功率输入，开式节流器可以与小高压气瓶组装成一个完整的系统，具有结构简单、启动时间短、制冷速度快、质量小等特点，但这种小型系统仅能维持较短时间的低温效应。闭式节流制冷器需要将节流元件、热交换器和气源制备设备组成封闭的循环系统，压缩机与制冷器永久的连接在一起，这种系统可以长期使用，但系统结构复杂，体积庞大，其应用领域受到极大的限制。

在某些应用领域中，既对预冷时间有苛刻的要求，又对探测器的体积和质量有严格的限制，例如红外制导系统。红外制导系统中，系统的尺寸规格直接影响到制导系统位标器的光学性能，制冷器的质量大小也会影响位标器的运动特性，如果有可能，设计人员会把制冷器的某些部件，如阀门、压力传感器、高压气瓶或贮液器等尽量放置在远离位标器的部位，有时干脆不装在弹上，而是装在发射架上，导弹发射后红外探测器只靠蓄冷工作，但在某些特定场合，蓄冷量并不足以满足使用要求。因此既能快速预冷，又能持续稳定提供冷量的微型制冷装置成为必然的需求。

目前国内对斯特林制冷机和节流制冷机的研究较多，但将斯特林制冷机与节流制冷机结合起来的研究还较为少见。利用斯特林制冷机可长期可靠工作的特点，结合开式节流制冷器快速制冷的优势，将二者组合成一套完整的斯特林-节流复合制冷系统，既可以快速地达到所需的制冷温度，又可以长期稳定的工作，并能够重复、多次使用，这样的制冷装置将具有广泛的应用领域。

发明内容

本发明的目的是克服斯特林制冷机启动较慢、预冷时间长和开式节流制冷器不能长期稳定工作的技术缺点，提供了一种可快速制冷同时可以长期稳定提供冷量的斯特林-节流复合型制冷机。

本发明的技术方案为：一种可快速降温的斯特林-节流复合型制冷机，包括斯特林制冷单元和节流制冷单元两部分，斯特林制冷单元与封装杜瓦1采用DDCA方式集成，节流制冷单元的套管式逆流热交换器6布置在节流制冷单元芯柱17与杜瓦1外壳之间的空容积内，斯特林制冷单元和节流制冷单元均由斯特林制冷单元的电控12统一控制启停。

本发明所用的斯特林制冷单元为经典的整体集成式斯特林制冷机，包括驱动电控12、直流无刷电机、曲柄连杆机构、压缩组件与膨胀组件，其本身为一独立的完整体，制冷工质为高纯氦气，氦气纯度优于99.999%以上，充气压力在3.2-3.5MPa。在进行复合型制冷机的组装前先进行性能测试，待性能达到指标后再进行与节流制冷单元的组装。

本发明所采用的斯特林制冷单元的冷头5上部中间加工出圆形冷头凸台19，冷头凸台19的上端面与冷帽2的底端面紧密接触，以减少冷头凸台19与冷帽2间的传热热阻，冷帽2的环形端面与冷头冷盘20的上端面紧配合，边缘处通过激光焊焊接成一体，焊接处要保证在节流制冷单元40MPa的绝对充气压力下，制冷工质的泄漏率在10^-9-10^-10Pa.m³/s。冷头凸台19的直径小于冷头冷盘20的外径，以实现冷帽2与冷头冷盘20焊接后形成节流制冷单元的环形积液腔3。