[发明专利]无油低震动GM型脉管制冷机

说明书

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，具体是涉及一种无油低震动GM型脉管制冷机。

背景技术

已获得成熟应用的低温(此处所述“低温”，一般指120K以下温区。)制冷机有斯特林制冷机、GM制冷机、脉管制冷机以及采用这些回热式制冷机预冷的J-T节流制冷机，这些制冷机均需要至少一台压缩机作为驱动源，而压缩机组的体积和重量通常占制冷机整机的50％以上，对脉管制冷机而言，压缩机组是这些制冷机中唯一含运动部件的部分，因此，压缩机组的体积、重量、可靠性也决定了脉管制冷机的特性。

脉管制冷机根据驱动源的不同可以分为斯特林型和GM型两类。前者大多采用线性压缩机驱动，频率较高，一般在10Hz以上，以此获得单位体积较大的制冷量，目前可以达到空间应用的要求，而也因频率较高导致回热器换热不充分等问题，在20K以下获得制冷量所需付出的代价太大，限制其在深低温区的应用，目前虽然可以通过三级及以上结构达到液氦温区，但效率极低，仍暂无空间应用。后者现多采用驱动GM制冷机的涡旋式压缩机驱动，并通过高低压控制阀将氦涡旋式压缩机输出的直流工质转变为GM型脉管制冷机所需的交变流动工质，并将高低压切换频率控制在1-3Hz的范围内，高低压力的比值也较大。这使得氦工质能够在回热器内充分换热，绝热膨胀制冷效果也更加显著，因此两级的GM脉管制冷机结构即能达到2.2K的制冷温度，在4.2K能够获得1W以上的制冷量。而传统的GM型脉管制冷机使用的这种涡旋式压缩机改装自家用空调的涡旋压缩机，需要油润滑，导致压缩机组包含了复杂的回油管路和油吸附器等，使其体积和重量成倍增加；同时，油吸附器更换周期短，限制了制冷机整机的使用寿命。因此GM型脉管制冷机也未被考虑用于空间项目。

随着科学技术的进步，当前有两种可满足空间应用长寿命要求的压缩机技术可用于替代传统GM型脉管制冷机的涡旋式压缩机：其一为吸附式压缩机；二为浮动涡旋式压缩机。

吸附式压缩机已成熟应用于空间制冷技术，但在制冷机领域，目前仅在JT节流制冷机中获得应用。该类压缩机除进排气阀组外无任何运动部件，仅依靠吸附剂对工质在高温和低温下分别通过物理或者化学释放或者吸附来取得压缩工质的效果，基本解决运动部件带来的损耗和振动问题。在对低震动要求极高空间应用场合，这是当前唯一被采用的压缩驱动方式；

浮动涡旋式压缩机技术采用动定涡卷之间自补给设计结构，从而解决其他设计结构因产品正常运行造成的磨损问题，使其能量效率和容积效率在整个使用寿命期间呈现逐步提高直至完全磨合状态，目前可以做到全无油润滑，无振动，最高压比达到200:1以上，能够满足空间高效，紧凑和长寿命的要求。因此将浮动涡旋式压缩机技术应用于低温制冷机，特别是空间用低温制冷技术，其效果是非常明显的。

以此两种压缩驱动方式替换传统的涡旋式压缩机，必能使GM型脉管制冷机的空间应用成为可能，使脉管制冷机在液氦温区的空间应用成为现实。

发明内容

本发明提供了无油低震动GM型脉管制冷机，该制冷机采用无油低振动的压缩机作为制冷机的驱动源，解除了传统GM型脉管制冷机由油吸附器造成的寿命限制，能够满足空间应用高效、紧凑和可靠(长寿命)等要求。

一种无油低震动GM型脉管制冷机，包括制冷组件、以及驱动制冷组件的压缩单元，所述压缩单元为无油低振动的GM型压缩装置；所述制冷组件为脉管制冷组件；所述GM型压缩装置在制冷组件内产生的工质交变流动频率在1-3Hz范围内。

作为优选，所述GM型压缩装置为单级或多级串联的吸附式压缩机组，所述吸附式压缩机组包括多个并联设置的吸附压缩单元。

作为优选，所述吸附压缩单元包括：

一个或多个串联设置的吸附器；

设于每个吸附器出口管路上的单向排气阀；

设于每个吸附器入口管路上的单向进气阀；

对吸附器加热的可控加热部件。

GM型压缩装置中同时包括控制加热部件按照设定周期交替运行的控制器。

上述技术方案中，各吸附器进出口均设有单向阀，吸附器内吸附剂通过物理或化学反应释放之前吸附的气体，在吸附器腔内形成一定高压时，出口单向排气阀因产生的前后正向压差自动打开，而入口单向进气阀因产生的反向压差而保持闭合；吸附器内通过物理或化学反应吸附气体，在吸附器腔内形成低压时，入口单向进气阀因产生的前后正向压差自动打开，而出口单向排气阀因产生的反向压差而保持闭合。各吸附压缩单元以一定顺序在每个周期内交替运行，构成稳定的高低气压源。此过程使工质在制冷组件腔体内产生一定压差的交变流动，从而在冷端换热器处获得制冷量。