[实用新型]一种微型低温制冷机

说明书

本实用新型是关于一种利用斯特林热力循环来冷却红外探测器和低温电子器件的微型低温制冷机。

为了提高红外探测器件的探测率以及给超导器件提供工作条件，都必须提供一个低温环境（77K以下），由此发展了一系列微型低温制冷机。在制冷机中为了阻止高压气体向低压气体泄漏，以往是用密封环来保证的，这样会引起磨损和污染，导致制冷机的效率降低；旋转电机轴封处的工质气体泄漏，则会引起制冷机失效。所以制冷机的工作寿命一般只有几百到一千多小时。八十年代初期和中期，美国的Philips实验室和日本的Hitach机械工程实验室分别研制了一种磁轴承、动磁式直线电机结构制冷机（有关内容可参见资料 ［1］NASA Goddard Space Flight Center Report，430－1003－001（1985）和［2］Tanio FUKUDA，et al，Development of Stirling Cryocooler in Space，低温工学，Vol 27 No.3（1992）），依靠电磁力使活塞悬浮在汽缸中间，并利用八个高灵敏的径向位置传感器进行反馈控制，活塞和汽缸之间始终保持17微米的间隙，没有摩擦。当活塞在直线电机的驱动下作高速往复运动时，就形成了间隙密封，寿命估计可达5万小时。但是其中的磁轴承和位置传感器具有极大的难度，其可靠性和稳定性还没有最终解决。

本实用新型的目的是提供一种结构和技术更加简单可靠、间隙保持在10微米以内、工作寿命可达5万小时以上的双驱动分置式微型低温制冷机。

本实用新型的目的是通过如下技术方案完成的。所说的制冷机采用双驱动、分置式结构，由压缩机和位移器组成，两者之间用细铜管连接，制冷机中充有高纯氦气。压缩活塞和推移活塞通过主轴由一组特殊线形的膜片弹簧支撑在汽缸中间，不与壁面接触。压缩机和位移器有各自独立的动圈式直线电机，驱动活塞作往复运动，其位移由差动变压器式位置传感器监测。当压缩活塞和推移活塞在直线电机及控制系统的驱动下以一定的相位差运动时，制冷机中的氦气通过细铜管由压缩汽缸至位移汽缸，经历压缩和膨胀过程，就会在冷头部分产生冷量。

膜片弹簧是实现间隙密封的关键技术，经过复杂的有限元计算，设计加工了特殊线形的膜片弹簧，由三条相同的用数值计算得到的近似于渐开线的开槽组成，用铍青铜加工制成。其特点是既有足够的径向刚度，又有较小的轴向刚度和轴向应力，这样既保证了活塞不与汽缸接触，又提高了膜片弹簧的疲劳寿命，可以进行几十亿次的往复运动。

直线电机的优点是可以封闭在制冷机的壳体中以完全排除轴封泄漏，同时不存在侧向力带来的摩擦。压缩机和位移器各用一个动圈式直线电机，工作原理是音圈动作。钕铁硼永磁体产生恒定磁场，再配以软铁导磁体组成极靴。载流导体制成动圈，动圈是特殊的无骨架结构，可以提高运动频率和减小磁阻损失。

在制冷机驱动和控制方面，采用了差动变压器式位置传感器及单片计算机。其中差动变压器式位置传感器采用了独特的增益放大自动调节电路，线性度和灵敏度大大优于其它种类的位置传感器。在控制程序中编写了柔性启动程序、气动力判断程序和自我保护程序。

本实用新型采用简单的膜片弹簧结构，免除了复杂的磁轴承和径向位置传感器，依靠其径向刚度，实现了10微米的间隙。动圈式无骨架直线电机，减小了驱动部分的质量，使制冷机的结构更为紧凑，并排除了轴封泄漏。差动变压器式位置传感器和单片计算机技术实现了压缩活塞和推移活塞的位置、行程和相位的全数字量的自动控制。制冷机采用了这三项技术后，工作寿命可达5万小时以上。

下面结合附图对本实用新型实施例作进一部阐述。

图1为本实用新型双驱动分置式微型低温制冷机的结构示意图。

制冷机由压缩机1和位移器23组成，通过细铜管11相连，制冷机中充有氦气，压力为1.25MPa。在压缩机1中，压缩活塞9、动圈6和铁芯2固定在主轴5上，主轴5则固定在膜片弹簧4上，膜片弹簧4固定在机壳上。由于膜片弹簧4具有很高的径向刚度，压缩活塞9始终保持在压缩汽缸10中间。动圈6、极靴7和磁钢8组成直线电机。当动圈6中通过交变电流时，就会带动主轴5和压缩活塞9一起作往复运动。铁芯2随主轴一起移动，位移变化则由位置传感器3测出。控制系统通过位移信号来进行闭环反馈控制。位移器23的结构与压缩机1基本相同，区别在于推移活塞14中有回热器，位移汽缸15与冷头12相接，冷头12上安装器件，外有真空室13。其它部件为磁钢16，极靴17，动圈18，主轴19，膜片弹簧20，位置传感器21，铁芯22。当压缩活塞和推移活塞在控制系统控制下以70－90°的相位差、40Hz频率运动时，就有冷量产生。本实施例经试用和测试，在77K时制冷量为0.5～1瓦，重量轻于4.7公斤。