[发明专利]一种采用低温膨胀活塞耦合的深低温区多级混合结构制冷机

说明书

本发明提供了一种采用低温膨胀活塞耦合的深低温区多级混合结构制冷机，属于低温制冷机的技术领域，包括低温膨胀活塞组件、高温级冷指、低温级冷指、直线压缩机。低温膨胀活塞组件包括气缸壁、活塞及支撑板簧，其中活塞包括两个活塞端，分别为膨胀活塞端与压缩活塞端，高温级冷端换热器与膨胀活塞端之间的空腔形成高温级膨胀腔，二级回热器热端换热器与压缩活塞端之间的空腔形成低温级压缩腔。高温级冷端的膨胀声功通过低温膨胀活塞直接传递给低温级冷指，可大幅降低级间声功传输损耗，同时低温膨胀活塞还可以有效调节系统声场分布。本发明能够提升深低温区制冷机的制冷效率，同时系统紧凑、具有较高功率密度。

技术领域

本发明属于低温制冷机的技术领域，具体公开了一种采用低温膨胀活塞耦合的深低温区多级混合结构制冷机。

背景技术

深低温区制冷技术在国防军事、航天探测、低温超导、生物医疗等领域有重要应用，斯特林制冷机技术和脉冲管制冷机技术是两种应用较为广泛的低温制冷技术。

目前斯特林制冷机的应用主要集中在较高温区，深低温区运行的多级架构会引起排出器长度增加，进而难以保证排出器和气缸之间的同轴度，导致寿命和可靠性降低。

与斯特林制冷机相比，斯特林型脉冲管制冷机低温端无运动部件带来了振动小、可靠性高、寿命长等优点；然而存在冷端膨胀声功耗散导致本征效率低的缺陷，深低温区运行的效率较低。近年来，众多学者提出了声功回收型脉冲管制冷机，通过各种结构形式将回收膨胀声功至压缩腔以提高整机效率。

然而对于多级斯特林型脉冲管制冷机，线性压缩机输出的有限声功经多级传送到冷端，高温级冷端膨胀声功不论耗散还是回收至压缩腔，都会造成实际传输到低温级的声功减小，显著的级间声功传输损耗，限制了整机效率的提高。

发明内容

本发明提供一种采用低温膨胀活塞耦合的深低温区多级混合结构制冷机，显著降低多级脉冲管制冷机级间声功传输损耗，同时能够有效调节声场分布，以提高整机制冷性能。

本发明提供一种采用低温膨胀活塞耦合的深低温区多级混合结构制冷机，包括低温膨胀活塞组件、高温级冷指、低温级冷指、直线压缩机；低温膨胀活塞组件包括气缸壁、活塞及支撑板簧；活塞包括两个活塞端，分别为膨胀活塞端与压缩活塞端，膨胀活塞端与压缩活塞端的端面面积不同；支撑板簧为环形结构，位于所述膨胀活塞端与压缩活塞端之间，外侧与气缸壁固定，内侧对活塞起到固定支撑作用；高温级冷指包括依次相连的主室温换热器、高温级回热器、高温级冷端换热器，主室温换热器与所述直线压缩机的压缩腔相连，高温级冷端换热器与低温膨胀活塞组件的气缸壁相连，高温级冷端换热器与膨胀活塞端之间的空腔形成高温级膨胀腔；低温级冷指为脉冲管冷指，脉冲管冷指的二级回热器热端换热器与低温膨胀活塞组件的气缸壁相连，二级回热器热端换热器与压缩活塞端之间的空腔形成低温级压缩腔；低温膨胀活塞组件依靠活塞两端面积差、支撑板簧刚度以及自身动质量调节系统声场分布。

进一步地，膨胀活塞端与压缩活塞端的侧面分别与气缸壁采用间隙密封连接。

进一步地，低温膨胀活塞组件、高温级冷端换热器以及二级回热器热端换热器的温度一致，工作于指液氮温度以下温区。

进一步地，低温级冷指为单级结构脉冲管冷指或双级结构脉冲管冷指。

进一步地，单级结构脉冲管冷指包括依次连接的二级回热器热端换热器、二级回热器、二级冷端换热器、二级脉冲管、二级脉冲管热端换热器以及调相机构；二级脉冲管布置于二级冷端换热器、二级回热器、二级回热器热端换热器、活塞、高温级冷端换热器、高温级回热器、主室温换热器的内部中心轴上。

进一步地，调相机构为室温排出器结构，位于线性压缩机的压缩腔内，或与线性压缩机的压缩腔通过连接管连接。