[发明专利]一种膨胀机单元及脉管型自由活塞斯特林制冷机

说明书

根据本发明的膨胀机单元及脉管型自由活塞斯特林制冷机，膨胀机单元，包括膨胀活塞、膨胀活塞弹簧、膨胀活塞杆、一级热端换热器、二级热端换热器、回热器、脉冲管以及冷端换热器，膨胀活塞管为直通管，用于连接制冷机的脉冲管，膨胀活塞管内具有柱形膨胀活塞腔，压缩活塞管为直通管，压缩活塞管内具有柱形压缩活塞腔，压缩活塞腔与膨胀活塞腔同轴线且相连通，平行于压缩活塞腔轴线，圆盘上设置有多个连通压缩活塞腔与外部的通孔，压缩活塞腔的内径大于膨胀活塞腔的内径，膨胀活塞腔的内径与脉冲管的内径是相同的，膨胀活塞在膨胀活塞管中，压缩活塞、膨胀活塞、压缩活塞腔以及膨胀活塞腔构成压缩腔。

技术领域

本发明属于制冷领域，具体涉及一种膨胀机单元及脉管型自由活塞斯特林制冷机。

背景技术

低温制冷机制冷作为一种重要的获取低温的方法，其广泛应用于航空、军事、超导、通信、电子、冶金、工业气体液化以及生物医疗等领域。特别是近年来，我国航天事业的蓬勃发展，使得低温制冷机在航空航天的应用需求越来越明显。

生命科学、空间材料科学实验是空间科研的重要组成部分。据统计，2000年9月至2010年3月国际空间站科研实验中与人体医学、生物技术相关的实验任务占据了全部研究活动的一半以上，我国载人航天任务实施之初，就针对空间生命科学、医学相关科研工作需要，提出了空间低温存储装置研制的需求。空间生命科学、空间材料科学等空间科学实验研究在准备阶段、中间过程和实验结束后，都需要在空间站舱内温度可控的低温环境中保存实验样品。可以说，空间低温冰箱已经成为了空间站的标准配置。目前，NASA在国际空间站(ISS)投入使用的冷藏冷冻设备中，主要制冷方式有热电制冷、逆布雷顿制冷和斯特林循环制冷。

GLACIER(General Laboratory Active Cryogenic ISS ExperimentRefrigerator)是NASA研制的第一台可同时用于空间站及飞船两个平台的-80℃低温存储装置，采用自由活塞斯特林制冷机制冷，在风模式下，可实现4℃至-95℃的制冷温度；在水冷却模式下，可实现4℃至-160℃的低温存储。为进一步提高在轨及上、下行过程中低温存储能力，NASA与阿拉巴马大学伯明翰分校合作开发了单模块单元尺寸(273x460x522mm)的低温存储产品Polar。该装置同样采用了自由活塞斯特林制冷机作为冷源，可实现-80℃低温存储及样本运输，最大保存容积为12.7L。

斯特林制冷机的理论制冷效率等于卡诺效率，其实际运行时的效率也是目前所有低温制冷机中效率最高的一种。自由活塞斯特林制冷机结构由William Beale于20世纪60年代提出，其主要特征是采用直线压缩机驱动、柔性弹簧支撑、间隙密封结合气体轴承等技术，具有结构紧凑、噪音小、寿命长、可靠性高等优点。Sunpower公司开发的商业自由活塞斯特林制冷机在液氮温区的最高相对卡诺效率已经突破20％，其子公司Stirling Ultracold公司(原Global Cooling 公司)研制的低温冰箱采用的就是自由活塞斯特林制冷机。2012，Stirling Ultracold公司比较了两级复叠低温冰箱和斯特林低温冰箱，发现采用自由活塞斯特林制冷机的低温冰箱在节能方面具有重大优势，与传统的低温冰箱相比，斯特林低温冰箱可节能超过50％。

由以上自由活塞斯特林制冷机的应用现状可见，自由活塞斯特林制冷机具有较好的应用前景，在空间制冷应用方面尤其值得关注，针对低温冰箱领域来说，其主要制冷温区在120～200K之间，而目前国内外研究的低温斯特林制冷机主要在液氮温区附近。特别是国内科研机构，对中温区(120K～200K)制冷的小型低温机械制冷机的研究相对不足。

由于空间制冷对能耗有严格的要求，因此提高制冷机的效率一直就是空间制冷机的主流研究方向，目前主流的空间制冷机主要是斯特林制冷机和脉管制冷机，比较二者的理论制冷效率，从热力学角度而言，同温限工作下的脉管制冷机效率总是低于斯特林制冷机的。