CN101561196B - 一种基于斯特林制冷机的大功率脉管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于斯特林制冷机的大功率脉管制冷机。它包括曲柄连杆压缩活塞、级后水冷器、回热器、冷端换热器和脉管***。原有菲利普斯斯特林制冷机冷端运动部件膨胀活塞由脉管***代替，脉管***包括脉管、热端换热器、惯性管和气库。大功率脉管制冷机由于冷端无运动部件，从而解决了膨胀活塞带来的机器磨损和振动严重等困扰问题，可显著提高制冷机的可靠性，拓宽其应用范围。该大功率脉管制冷机采用工艺成熟的环形回热器，减少气体在回热器中的环形流动，有效避免了大功率脉管制冷机普遍存在的温度和流动不均匀问题，增加径向温度的对称性，从而可以减少大功率脉管制冷机中回热器损失，提高制冷机效率。

Description

一种基于斯特林制冷机的大功率脉管制冷机
技术领域
本发明涉及低温制冷机，特别涉及一种基于斯特林制冷机的大功率脉管制冷机。
背景技术
1860年Kirk采用逆斯特林循环制冷获得成功，拉开了斯特林制冷机研究的序幕。1954年荷兰菲利普斯实验室首次制成实用的斯特林制冷机用于空气液化，其结构如图1所示，包括一个油润滑压缩机，由曲柄连杆(主连杆5和副连杆1)带动有一定运动相位差的压缩活塞2和膨胀活塞6，水冷器3、回热器4和冷端换热器7。该型斯特林制冷机的制冷量较大，结构紧凑、制冷系数(COP)较高，生产历史悠久，制造工艺成熟。然而，上述结构的斯特林制冷机存在如下问题：第一，由于冷端采用膨胀活塞提供相位差，致使该机冷端结构复杂，整机可靠性降低，而密封材料的磨损、缸体的磨损制约了其可靠性的进一步提高。第二，由于冷端膨胀活塞是运动部件，致使该机冷端振动明显，制约了此类结构制冷机的使用范围。虽然人们试图采用各种手段提高其性能，但上述缺点一直得不到根本解决，有限的改进也以昂贵的成本为代价。究其原因是因为造成这些缺陷的根本原因在于膨胀腔中存在着运动部件。
20世纪60年代提出的脉管制冷机，直到经过1984年引入小孔和90年代增加双向进气及引入惯性管等重大改进，使实用成为可能后，才成为低温界研究的热点，并逐渐走上实用化。与斯特林制冷机相比，脉管制冷机由于不存在低温下的运动部件，具有如下优点：低温下无运动磨损，无间隙密封，无电磁干扰，低机械振动，成本低，可靠性高，免维修，寿命长。这些优点对低温制冷机而言是十分可贵的，可以更好地满足高新技术领域的需要。
随着高温超导和液化技术的发展，大功率脉管制冷逐渐提到了议事日程，并逐渐成为低温制冷领域的研究热点。美国、德国、法国、日本等发达国家纷纷加入了竞争行列，在制冷温度和制冷功率上都取得了一定进展，但是离既定目标还存在相当距离。研究表明大功率脉管制冷机绝非是现有小功率制冷机尺寸的简单放大，很多复杂的传热与流动问题仅仅产生于大功率的脉管制冷机中。回热器作为低温制冷机中的核心部件，是实现功热转换的场所，是提高制冷效率的关键所在。在大尺寸下回热器内部存在严重的流动不均匀性，试验研究表明，同一圆周上的温度差甚至可高达30K以上，这种流动不均匀性显著降低了回热器效率，严重制约了大功率脉管制冷机的发展进步。现有的改进主要包括在回热器中增加横向导热措施或增加气体分配器，这些措施在一定程度上改善了回热器性能，但仍然没有根除回热器中流动的不均匀性。
发明内容
本发明的目的是为克服现有菲利普斯斯特林制冷机冷端存在运动部件的不足，提供一种基于斯特林制冷机的大功率脉管制冷机。
基于斯特林制冷机的大功率脉管制冷机包括曲柄连杆、压缩活塞、水冷器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、惯性管、气库，活塞杆推动压缩活塞通过水冷器与回热器连通、然后与脉管连通，脉两端分别配置有热端换热器和冷端换热器，热端换热器通过惯性管与气库连通。
所述的回热器为环形回热器。水冷器为环形水冷器。脉管为圆管或环形管。
本发明的有益效果是，可以在保持制冷量的同时通过摒弃冷端运动部件减少振动和运动磨损，提高制冷机的可靠性和应用范围。而且环形回热器的保留有望克服大功率脉管制冷机中回热器流动不均匀性问题。
附图说明
图1是现有菲利普斯斯特林制冷机示意图。
图2是改造后的大功率脉管制冷机第一个实施例的示意图
图3是改造后的大功率脉管制冷机第二个实施例的示意图
图中：曲柄连杆1、压缩活塞2、水冷器3、回热器4、冷端换热器5、脉管6、热端换热器7、惯性管8、气库9、副连杆10、膨胀活塞11。
具体实施方式
如图2、图3所示，基于斯特林制冷机的大功率脉管制冷机包括曲柄连杆1、压缩活塞2、水冷器3、回热器4、冷端换热器5、脉管6、热端换热器7、惯性管8、气库9，活塞杆1推动压缩活塞2通过水冷器3与回热器4连通、然后与脉管6连通，脉管6两端分别配置有热端换热器7和冷端换热器5，热端换热器7通过惯性管8与气库9连通。
所述的回热器4为环形回热器。水冷器3为环形水冷器。脉管为圆管或环形管。
本发明保留原有斯特林制冷机的副连杆1、压缩活塞2、水冷却器3、回热器4，去除原有斯特林制冷机的主连杆10和膨胀活塞11，将压缩腔因移出主连杆而带来的缝隙重新填平焊死，保证压缩腔与原有膨胀活塞空间的密封，同时将膨胀腔与原膨胀活塞空间隔绝开来。在原有冷端换热器上开孔，将脉管******其中，使得从压缩腔压缩出的工质气体通过水冷器3和回热器4直接进入脉管***进行膨胀制冷，脉管***包括冷端换热器5、脉管6、热端换热器7、惯性管8和气库9。其中脉管6为圆管，提供气体的膨胀空间，惯性管8和气库9组成调相机构，用以调节脉冲压力波和质量流率波之间的相位差。
本发明将冷端运动部件-膨胀活塞彻底移出制冷机***，并将移出后带来的间隙以及膨胀腔填实。引入脉管和回热器连通，脉管两端分别布置冷端换热器和热端换热器，脉管热端换热器通过惯性管连通气库以实现相位调节。斯特林制冷机和脉管制冷机都是利用脉冲压力波和质量流率波之间的相位差来获得制冷量，所不同的是斯特林制冷机利用运动部件膨胀活塞调节相位，而脉管制冷机利用惯性管和气库调节相位，杜绝运动部件，因此减少了因膨胀活塞而导致的一系列因振动和磨损带来的问题。
同时本发明保留原有环形回热器，在脉管制冷机中使用环形回热器可以减少回热器气体流通横截面积，从而减少气体在回热器中的环形流动，有效抑制流动不均匀性，增加径向温度的对称性。因此可以减少大功率脉管制冷机中回热器损失，提高制冷机效率。
全新的改造方案，使得改造后的制冷机冷端不存在任何运动部件，同时能克服现有大功率脉管制冷机中存在的回热器流动不均匀性问题，使得改造后的制冷机保持相当制冷量。

Claims (3)

1.一种基于斯特林制冷机的大功率脉管制冷机，其特征在于包括曲柄连杆(1)、压缩活塞(2)、水冷器(3)、回热器(4)、冷端换热器(5)、脉管(6)、热端换热器(7)、惯性管(8)、气库(9)，曲柄连杆(1)推动压缩活塞(2)通过水冷器(3)与回热器(4)连通、然后与脉管(6)连通，脉管(6)两端分别配置有热端换热器(7)和冷端换热器(5)，热端换热器(7)通过惯性管(8)与气库(9)连通；所述的回热器(4)为环形回热器；所述的水冷器(3)为环形水冷器。
2.根据权利要求1所述的一种基于斯特林制冷机的大功率脉管制冷机，其特征在于所述的脉管为圆管。
3.根据权利要求1所述的一种基于斯特林制冷机的大功率脉管制冷机，其特征在于所述的脉管为环形管。
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