CN108592481B - 采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱 - Google Patents

Abstract

根据本发明的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱，包括冰箱箱体以及制冷***，冰箱箱体包括冷藏室、冷冻室和变温室,冷藏室位于冰箱箱体上半部分，冷冻室和变温室位于冰箱下半部分；制冷***由压缩节流制冷***、斯特林制冷机‑热管***构成，斯特林制冷机‑热管***包括脉管型自由活塞斯特林制冷机、冷端重力热管、热端重力热管、导冷铜套和导热铜套，热端重力热管的冷凝段管路向上排布在冰箱外壳左壁面内侧，冷端重力热管蒸发段管路向下排布在变温室内部后壁面及左右壁面，冷端重力热管的冷凝段通过导冷铜套与脉管型自由活塞斯特林制冷机的冷头相连接，热端重力热管的蒸发段通过导热铜套与脉管型自由活塞斯特林制冷机的热端相连。

Description

采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱

技术领域

本发明属于家电领域，具体涉及一种采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱。

背景技术

随着人们生活水平的提高，普通冰箱(温度高于-18℃)的冷冻功能逐渐无法满足人们对一些食品的冷冻要求，如一些海鲜需要在 -40℃以下保存更好。以肉食品为例，在普通冰箱保存时，7℃冷藏不能超过2日，0℃冷藏不能超过5日，-18℃冷冻时，时间也不能超过1个月。对于需要长时间保存的食品，冷冻温度越低，越可抑制微生物生长繁殖和酶的活性，营养损失比较小，保存鲜度越好。

传统的家用冰箱制冷一般采用单级蒸汽压缩式节流制冷***，由压缩机、冷凝器、节流部件和蒸发器四个基本部分组成，各个部分通过管道连接在一起组成一个封闭的***。***内充以一定量的制冷剂，制冷剂在***内通过压缩、冷凝、节流、蒸发四个循环过程制冷。采用蒸汽压缩制冷的冰箱制冷速度快，制冷效果好，技术成熟，因此性能稳定、寿命长。采用蒸汽压缩制冷的冰箱工作时，压缩机在温控器的控制下间歇启停。当冰箱中的温度高于设定温度时，压缩机启动制冷，柜内温度降低，直至冰箱中的温度达到设定温度以下的某一临界值，压缩机停止工作，冰箱内温度开始上升。当温度上升至另一高于设定温度的临界值时，压缩机又开始启动工作。以上过程反复循环。因此，即使冰箱处于稳定状态，箱体中的温度也有周期性的波动，这对于一些像海鲜类的高级食品保存不利。而且单级蒸汽压缩节流制冷***也很难实现-40℃以下的制冷温度，无法满足对一些食品保存的温度需求。

热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有很高的导热性。重力热管只能单向导热，且冷凝段必须高于蒸发段。工作时，重力热管内部的工作液体在蒸发段吸热汽化成为蒸汽，蒸汽上升至冷却段释放热量重新凝结成液体，再依靠重力回流到蒸发段。本发明所使用的热管为两相闭式热虹吸管(重力热管)。

斯特林制冷循环由两个等温过程和等容过程组成，其理论循环效率为卡诺效率。相对来说，在低温制冷工况下采用斯特林制冷技术具有更高的制冷效率。斯特林制冷机采用气体膨胀制冷的闭式循环，由压缩单元与膨胀单元无阀连通而成。采用氦气作为制冷工质，不会对臭氧层产生破坏，是一种极其环保的制冷技术。自由活塞斯特林制冷机没有复杂的管路***，压缩机和膨胀机集成在一起，具有运动部件少、无油润滑、不易磨损、可靠性高、寿命长、结构紧凑、重量轻、制冷效率高等优点，而且还具有控温精度高，满负荷和局部负荷下都具有较高的效率，通过调节输入电压即可控制制冷量和制冷温度。

申请号2016105783878的发明专利“多温区冰箱”中采用斯特林制冷机用来实现酒柜控温精度高，环境适应性好，湿度、温度波动小的功能，但传统斯特林制冷机的膨胀活塞仍具有冷热端高频运动带来的泵气损失、穿梭损失以及轴向导热损失等缺陷。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种使用新型高效的脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱，本发明的同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机取消了传统自由活塞斯特林制冷机较长的低温膨胀活塞，以较短室温区工作的功回收膨胀活塞代替。自由活塞斯特林制冷机的膨胀气缸变成了脉管冷指的脉冲管，脉冲管冷端布置有层流化的导流器，热端设有二级热端换热器。这种改变结合了自由活塞斯特林制冷机和脉管制冷机的优点，通过取消在冷热端高频运动的膨胀活塞，消除了低温膨胀活塞带来的泵气损失、穿梭损失以及轴向导热损失。通过热端设置较短的室温膨胀活塞解决了脉管制冷机的声功回收问题，因此，当完全回收冷端声功时，该新型脉管型自由活塞斯特林制冷机理论效率为卡诺循环效率。同时，取消低温膨胀活塞降低了制冷机制造难度，减小了整机质量。

本发明提供了一种采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱，具有这样的特征，包括冰箱箱体以及制冷***。

冰箱箱体包括冷藏室、冷冻室和变温室,冷藏室位于冰箱箱体上半部分，冷冻室和变温室位于冰箱下半部分；制冷***由压缩节流制冷***、自由活塞斯特林制冷机-热管***构成，自由活塞斯特林制冷机-热管***包括脉管型自由活塞斯特林制冷机、冷端重力热管、热端重力热管、导冷铜套和导热铜套，热端重力热管的冷凝段管路向上排布在冰箱外壳左壁面内侧，冷端重力热管蒸发段管路向下排布在变温室内部后壁面及左右壁面，冷端重力热管的冷凝段通过导冷铜套与脉管型自由活塞斯特林制冷机的冷头相连接，热端重力热管的蒸发段通过导热铜套与脉管型自由活塞斯特林制冷机的热端相连，脉管型自由活塞斯特林制冷机包括直线电机、压缩单元、膨胀机单元以及机架，其中，机架包括法兰、设置在法兰中的活塞管以及底座，法兰呈圆盘形状，该法兰的一侧还设置有同心的小圆盘，底座呈筒状，一端与法兰的另一侧相连，另一端为自由端，底座的中心线与法兰的中心线重合，活塞管为直通管，一端开口位于小圆盘的外侧，另一端开口位于底座内，活塞管内具有柱形活塞腔，用于容纳制冷机的压缩活塞和膨胀活塞，活塞腔上设置有多个穿透活塞管管壁的通孔，直线电机包括外轭铁、内轭铁以及动子，外轭铁、内轭铁分别设置在机架上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中，压缩单元具有压缩活塞、压缩活塞弹簧，压缩活塞弹簧通过连接件与机架固定连接，压缩活塞设置在活塞管中，一端与动子相连且与压缩活塞弹簧相连，另一端为自由端，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、冷端换热器，一级热端换热器呈圆筒状，套在活塞管的外壁上且设置在小圆盘的端面上，脉冲管的一端与活塞管外侧一端相连，另一端与冷端换热器相连，回热器呈圆筒状，设置在脉冲管的外侧，一端与冷端换热器相连，另一端与一级热端换热器相连，二级热端换热器设置在脉冲管内，膨胀活塞在活塞管中，膨胀活塞弹簧通过连接件与机架固定连接，膨胀活塞杆的一端与膨胀活塞相连，另一端穿过压缩活塞、压缩活塞弹簧后与膨胀活塞弹簧相连，压缩活塞、膨胀活塞以及活塞腔构成压缩腔，膨胀活塞、二级热端换热器以及活塞腔构成膨胀腔。

在本发明提供的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，的导冷铜套为圆形铜套，一端开孔与脉管型自由活塞斯特林制冷机的冷头连接，圆形铜套内侧与脉管型自由活塞斯特林制冷机的冷头之间涂有导热硅脂，圆形铜套内设有圆环形凹槽，使传热工质在圆环形凹槽流动充分换热；圆形铜套侧面开有两个与圆环形凹槽连通的导冷小孔。

另外，在本发明提供的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，导热铜套为环形铜套，环形铜套内表面和脉管型自由活塞斯特林制冷机的热端之间涂有导热硅脂，环形铜套内部设有环形凹槽，使传热工质在环形凹槽流动充分换热；环形铜套侧面开有两个与环形凹槽连通的导热小孔。

另外，在本发明提供的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，变温室的制冷温度范围为 -60-10℃，变温室由脉管型自由活塞斯特林制冷机提供冷量；脉管型自由活塞斯特林制冷机是直线电机驱动的整体式自由活塞斯特林制冷机，脉管型自由活塞斯特林制冷机安装于冰箱的左侧中部，脉管型自由活塞斯特林制冷机尾部固定有减震块，并且减震块朝向冰箱箱体背板。

另外，在本发明提供的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，冷端重力热管包括第一冷端热管和第二冷端热管，第一冷端热管和第二冷端热管分别与导冷铜套侧面的第一、二导冷小孔连接，冷端重力热管管路向下倾斜15°角，内部所用工质为R170；热端重力热管包括第一热端热管和第二热端热管，第一热端热管和第二热端热管分别与导热铜套侧面的第一、二导热小孔连接，热端重力热管管路向下倾斜10°。

另外，在本发明提供的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱中，其特征在于，还包括设置在脉冲管一端且位于脉冲管内的导流器。

另外，在本发明提供的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，在冷端换热器和回热器还设置有第一滤层，第一滤层呈筒状，采用不锈钢丝网制成。

另外，在本发明提供的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，回热器呈筒状，采用聚酯类薄膜制成。

发明的作用与效果

与现有的冰箱相比，本发明的有益效果在于：

(1)由于采用自由活塞斯特林制冷机，可以使冰箱的最低制冷温度达到-60℃，并且可以通过改变驱动电压来调节压缩活塞行程，从而控制制冷量和制冷温度。可根据不同冷冻温度的要求分类保存食品。

(2)由于将自由活塞斯特林与重力热管相结合，有效解决了自由活塞斯特林导冷和散热问题，并且与冰箱箱体紧密结合，增加了传热的高效性，安装简单，不占用箱体内部容积。

(3)本发明的同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机取消了传统自由活塞斯特林制冷机较长的低温膨胀活塞，以较短室温区工作的功回收膨胀活塞代替。自由活塞斯特林制冷机的膨胀气缸变成了脉管冷指的脉冲管，脉冲管冷端布置有层流化的导流器，热端设有二级热端换热器。这种改变结合了自由活塞斯特林制冷机和脉管制冷机的优点，通过取消在冷热端高频运动的膨胀活塞，消除了低温膨胀活塞带来的泵气损失、穿梭损失以及轴向导热损失。通过热端设置较短的室温膨胀活塞解决了脉管制冷机的声功回收问题，因此，当完全回收冷端声功时，该新型脉管型自由活塞斯特林制冷机理论效率为卡诺循环效率。同时，取消低温膨胀活塞降低了制冷机制造难度，减小了整机质量。

附图说明

图1是本发明所采用的脉管型自由活塞斯特林制冷机外部示意图。

图2是本发明所用脉管型自由活塞斯特林制冷机冷端导冷铜套示意图。

图3是本发明所用脉管型自由活塞斯特林制冷机热端导热铜套示意图。

图4是本发明采用的脉管型自由活塞斯特林制冷机、导冷铜套、导热铜套的组合装配示意图。

图5是本发明的脉管型自由活塞斯特林制冷机及重力热管***的组合装配示意图。

图6本发明的压缩节流制冷***、脉管型自由活塞斯特林制冷机和重力热管***的组合装配示意图。

图7是本发明的制冷***及冰箱箱体组合正面视图。

图8是本发明的制冷***及冰箱箱体组合背面视图。

图9是本发明冰箱的外型示意图。

图10是本发明的多温区冰箱的工作原理示意图。

图11是本发明的实施例中脉管型自由活塞斯特林制冷机剖面示意图。

图12是本发明的实施例中机架的立体示意图。

图13是图12中A向视图。

图14是图13中C-C剖视图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱作具体阐述。

实施例

如图1至图9所示，一种斯特林制冷机与压缩节流制冷相结合的多温区冰箱，包括冰箱箱体700、制冷***。冰箱箱体700包括冰箱外壳706，显示屏707，冰箱门708，绝热层705。箱体内部空间有冷藏室701，位于冰箱上半部分，冷冻室703，位于冰箱下半部分右侧，变温室702，位于冰箱下半部分左侧，每个室内均有置物板704。显示屏707连接控制器800，既可显示各制冷室内的温度，也可以控制变频压缩机608的运行频率和自由活塞斯特林制冷机100的输入电压，可有效控制各室内的制冷温度。

制冷***包括压缩节流制冷***600和自由活塞斯特林制冷机- 热管***500。压缩节流制冷***600包括：变频压缩机608，冷凝器604，干燥过滤器601，毛细管607，冷冻室集液器606，冷冻室蒸发器605，冷藏室集液器603，冷藏室蒸发器602。变频压缩机608 位于冰箱底部，冰箱后侧变频压缩机位置处有通风口，便于将压缩机产生的热量排到环境中；冷凝器604位于冰箱右侧，安装于冰箱外壳706内侧，可将热量通过外壳传递到环境中；干燥过滤器601 位于蒸发器604末端，将蒸发器604和毛细管607连接；毛细管607 另外一端连接冷冻室蒸发器605，冷冻室蒸发器605，位于冰箱下半部分的右侧，用于给冷冻室703提供冷量；冷冻室蒸发器605和冷藏室蒸发器602相连，冷藏室蒸发器602排列与于冰箱上半部分，给冷藏室701提供冷量；冷藏室集液器603和冷冻室集液器606分别位于冷藏室蒸发器602和冷冻室蒸发器605入口端。

如图4，5所示，自由活塞斯特林制冷机-热管***500由自由活塞斯特林制冷机***400和热管***构成，自由活塞斯特林制冷机***400包括脉管型自由活塞斯特林制冷机100，导冷铜套200，导热铜套300。热管***包括冷端重力热管、热端重力热管，其中，冷端重力热管由第一冷端热管503和第二冷端热管504组成，热端重力热管由第一热端热管501和第二热端热管502组成。为使其正常工作，导冷的第一冷端热管503和第二冷端热管504的管路向下倾斜 15°角，导热的第一热端热管501和第二热端热管502的管路向下倾斜10°角。脉管型自由活塞斯特林制冷机100安装于冰箱中间偏左部位，可方便连接第一热端热管501和第二热端热管502以及第一冷端热管503和第二冷端热管504。螺栓102可将制冷机的减震块101 固定在脉管型自由活塞斯特林制冷机100尾部上。

第一热端热管501和第二热端热管502中所用工质为R600a，排布在冰箱左侧面上半部分，冰箱外壳706内侧，下端分别和导热铜套300上的第一、二导热小孔301，302连接，用于为自由活塞斯特林制冷机100的热端103散热；第一冷端热管503和第二冷端热管 504中所用工质为R170，折叠排布在变温室702内侧，上端分别与导冷铜套上的的第一、二导冷小孔202、203连接，将自由活塞斯特林制冷机100的冷头104产生的冷量传递到变温室702内。导冷铜套 200和导热铜套300内部均有凹槽使工质在其中流动相变换热。

如图2所示，导冷铜套200为圆形铜套，一端开孔与自由活塞斯特林制冷机100的冷头104连接，圆形铜套内侧与自由活塞斯特林制冷机100的冷头104之间涂有导热硅脂，圆形铜套内设有圆环形凹槽201，使传热工质R170在圆环形凹槽201流动充分换热；圆形铜套侧面开有两个与圆环形凹槽201连通的第一、二导冷小孔202、 203。

如图3所示，导热铜套300为环形铜套，环形铜套内表面和自由活塞斯特林制冷机100的热端103之间涂有导热硅脂，环形铜套内部设有环形凹槽303，使传热工质R600a在环形凹槽303流动充分换热；环形铜套侧面开有两个与环形凹槽303连通的第一、二导热小孔301、302。

如图10所示，在压缩节流制冷***600中，工质经变频压缩机 608压缩后成为高温高压气体，由压缩机608出口流入冷凝器604，在冷凝器604中冷凝放热后变为低温高压液体，经过毛细管607节流后变为低温低压液体，进入冷冻室蒸发器605蒸发吸热，然后继续进入冷藏室蒸发器602吸收热量，为冷冻室703和冷藏室701提供冷量。经过蒸发过程后工质变为低温低压气体，流进入变频压缩机 608，完成压缩节流循环过程。自由活塞斯特林制冷机的冷端接第一冷端热管503和第二冷端热管504，其工质为R170，在导冷铜套200 内冷凝后变为液态，在重力作用下向下流动，在变温室702内的蒸发段蒸发吸热变为气态，然后向上流动回到导冷铜套200内，完成循环过程。自由活塞斯特林热端接第一热端热管501和第二热端热管502，其工质为R600a，在导热铜套300内蒸发为气体向上流动，在冷凝段冷凝放热后变为液态，在重力作用下流回导热铜套300。显示屏707连接控制器800，既可显示各制冷室内的温度，也可以控制变频压缩机608的运行频率和自由活塞斯特林制冷机100的输入电压，达到精确控制各室内的制冷温度。

如图11所示，同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机100包括直线电机1、压缩单元、膨胀机单元、机架50、以及外壳60。

如图12、13、14所示，机架50包括法兰52、设置在法兰52中的活塞管51以及底座53。

其中，法兰52呈圆盘形状，该法兰的一侧还设置有同心的小圆盘521，法兰52上均匀设置有多个连接通孔。

底座53呈筒状，一端与法兰52的一侧相连，另一端为自由端，底座53的中心线与法兰52的中心线重合，底座53的自由端上设置有多个连接螺孔，实施例中，底座53为围绕法兰52的中心线设置的四个支腿。

活塞管51为直管，设置在法兰52中且与法兰52同轴线，外侧一端开口位于小圆盘521的外侧，内侧一端开口位于底座53内，活塞管51内具有柱形活塞腔，活塞腔上设置有多个垂直于活塞管轴线并穿透活塞管管壁的通孔511，实施例中，通孔511的截面为圆弧槽，数量为3个。

直线电机1包括外轭铁11、内轭铁14以及动子，外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中，动子包括永磁体13和永磁体支架15。

如图11所示，直线电机1主要包括外轭铁11、线圈12、永磁体 13、内轭铁14，永磁体支架15，动子包括永磁体13、永磁体支架15、连接件16、固定螺母18、压缩活塞19以及压缩活塞板弹簧17(计算动子质量时只取板弹簧质量的1/3)，永磁体支架15与永磁体13 相连接，并与压缩活塞19和连接件16通过螺纹连接。外轭铁11与内轭铁14为软磁材料，常用电功纯铁、硅钢片等材料制作，永磁体 13为永磁材料，常用汝铁硼、铝镍钴永磁材料来制作。外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14均为环形，并且采用同轴布置。外轭铁11、内轭铁14分别设置在机架50上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中。

当线圈通入直流电时，外轭铁11和内轭铁14会形成磁力回线，从而在外轭铁11和内轭铁14上产生磁极。当在线圈中通入交流电时，永磁体13就会受到交变电磁力而做往复直线运动。当永磁体13做往复直线运动时，会带动压缩活塞19做往复直线运动，压缩活塞板弹簧17提供轴向的往复弹性力以及径向支撑。

压缩单元包括连接件16、压缩活塞板弹簧17、固定螺母18、压缩活塞19。压缩活塞板弹簧17通过固定螺母18与连接件16相连接，压缩活塞板弹簧17与机架50通过连接件固定连接，压缩活塞19设置在活塞腔中，一端与动子相连且与压缩活塞弹簧17相连，另一端为自由端。

膨胀机单元包括膨胀活塞21、膨胀活塞板弹簧22、活塞杆23、一级热端换热器26、二级热端换热器33、回热器25、脉冲管31、冷端换热器24、冷指壳35。

一级热端换热器26呈圆筒状，套在活塞管51的外壁上且设置在小圆盘521的端面上，一级热端换热器26与机架50为分体结构，一级热端换热器26与活塞管51的外壁过盈配合。

脉冲管31的一端与活塞管51外侧一端相连，另一端与冷端换热器24相连。

回热器25呈截面呈环形的圆筒状，设置在脉冲管31的外侧，一端与冷端换热器24相连，另一端与一级热端换热器26相连。回热器 25采用聚酯类薄膜、尼龙以及聚四氟乙烯材料中的任意一种制成，实施例中回热器25采用采用聚酯类薄膜制成，聚酯类薄膜的厚度为 20-50μm。

二级热端换热器33设置在脉冲管31内，位于脉冲管31与活塞管51的连接处，二级热端换热器33与机架50为分体结构，二级热端换热器33与活塞管51的内壁过盈配合。

膨胀活塞21设置在活塞管51中，膨胀活塞板弹簧22通过连接件与机架50固定连接，活塞杆23的一端与膨胀活塞21相连，另一端穿过压缩活塞19、压缩活塞板弹簧17后与膨胀活塞板弹簧22相连。

压缩活塞19、膨胀活塞21以及活塞腔构成压缩腔，压缩活塞19、二级热端换热器33以及活塞腔构成膨胀腔，膨胀腔与压缩腔为同轴布置。

冷指壳35设置在一级热端换热器26、回热器25、冷端换热器 24的外部，外壳60设置在机架50以及膨胀机单元30的外部，外壳 60、冷指壳35与机架50通过连接件连接成一体。

散热器27位于一级热端换热器26的外侧且设置在冷指壳35上，一级热端换热器26将热量通过冷指壳35传递给外侧的散热器27，最终释放给环境。

无阻尼动力吸振单元4与外壳60相连且设置在外壳60的外部，用于对制冷机进行减震。

膨胀活塞与压缩活塞的运动过程以及气体流动过程：

膨胀活塞板弹簧22与活塞杆23固定，膨胀活塞21与活塞杆23相连。

膨胀活塞21为纯气动驱动，利用膨胀活塞21和压缩活塞19之间的位移相位差产生制冷效应，通常膨胀活塞21的位移领先压缩活塞19 的位移70°～100°。由于直线电机为正弦交流电激励，所以膨胀活塞 21和压缩活塞19的运动也是呈正弦曲线的连续运动，但为了阐述其工作原理，假设膨胀活塞21与压缩活塞19按照循环规律做间歇性跳跃式运动。

声波压缩过程：膨胀活塞21停留在上止点不动，压缩活塞19由下止点向上运动，此时主压缩腔29内的声波被压缩，并流入气缸外侧的一级热端换热器26，将压缩过程产生的热量释放给一级热端换热器 26，一级热端换热器26再将热量通过外壳体传递给外侧的散热器27，最终释放给环境。理想情况下认为气缸与外壳体是完全导热的，同时一级热端换热器26与散热器27的换热面积无限大，因此工质的温度保持不变。但在实际过程中，等温压缩是不可能实现的，且膨胀活塞21 不可能间歇运动，在压缩活塞19向上运动的时膨胀活塞21已经开始向下运动。

回热器放热过程：压缩活塞19运动至上止点后不动，膨胀活塞21 向下运动，此时声波通过回热器25，与回热器25内的填料充分接触换热，将热量释放至回热器25内，此时回热器25的温度升高，声波温度和压力降低。但在实际换热过程中，回热器25换热过程并不是定容的，也不可能实声波和回热器25填料的完全换热。

声波层流流动过程：气体流经冷端换热器24后通过导流器32，以层流的形式进入脉冲管31，把脉冲管31内气体推向膨胀腔28。气体受挤压后，压力和温度上升。产生的热量通过二级热端换热器33沿径向传递至一级热端换热器26，最终传递至散热器27并释放给环境。在膨胀腔28内的气体膨胀做功，辅助推动膨胀活塞向下止点，功回收压缩腔变小，起到了回收声功的作用。在实际工作过程中，压缩活塞19 并不会一直停留在上止点，而是会随膨胀活塞21一起向下运动，但需指出的是两者并不是同向运动而是膨胀活塞领先压缩活塞一定的相位角。

声波制冷过程：膨胀活塞21从下止点开始向上运动至上止点，压缩活塞19运动至下止点，膨胀活塞21将膨胀腔28内的声波推回至脉冲管31中，气体在脉冲管内膨胀吸热，产生制冷效应，在脉冲管31顶部靠近导流器32处达到最低制冷温度。产生的冷量通过冷端换热器24 导出至用冷环境。声波工质再沿原路径返回回热器25内并与填料充分接触换热，吸收回热器25内的热量后，重新返回主压缩腔29等待下一次压缩。该过程声波的温度和压力上升，回热器25温度下降。在实际过程中，压缩活塞19达到下止点时膨胀活塞21并未达到上止点，而是在返回上止点的过程中，但其在位移波相位上仍超前压缩活塞19。

本实施例适用于220K(-53℃)以上的制冷温度，可以提供 50W-200W的制冷量。

实施例的作用与效果

本实施例的脉管型自由活塞斯特林制冷机取消了传统自由活塞斯特林制冷机较长的低温膨胀活塞，以较短室温区工作的功回收膨胀活塞代替。自由活塞斯特林制冷机的膨胀气缸变成了脉管冷指的脉冲管，脉冲管冷端布置有层流化的导流器，热端设有二级热端换热器。这种改变结合了自由活塞斯特林制冷机和脉管制冷机的优点，通过取消在冷热端高频运动的膨胀活塞，消除了低温膨胀活塞带来的泵气损失、穿梭损失以及轴向导热损失。通过热端设置较短的室温膨胀活塞解决了脉管制冷机的声功回收问题，因此，当完全回收冷端声功时，该新型脉管型自由活塞斯特林制冷机理论效率为卡诺循环效率。同时，取消低温膨胀活塞降低了制冷机制造难度，减小了整机质量。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱，其特征在于，包括：

冰箱箱体以及制冷***，

所述冰箱箱体包括冷藏室、冷冻室和变温室,所述冷藏室位于冰箱箱体上半部分，所述冷冻室和所述变温室位于冰箱下半部分；所述制冷***由压缩节流制冷***、自由活塞斯特林制冷机-热管***构成，所述自由活塞斯特林制冷机-热管***包括脉管型自由活塞斯特林制冷机、冷端重力热管、热端重力热管、导冷铜套和导热铜套，所述热端重力热管的冷凝段管路向上排布在冰箱外壳左壁面内侧，所述冷端重力热管蒸发段管路向下排布在变温室内部后壁面及左右壁面，所述冷端重力热管的冷凝段通过导冷铜套与所述脉管型自由活塞斯特林制冷机的冷头相连接，所述热端重力热管的蒸发段通过导热铜套与所述脉管型自由活塞斯特林制冷机的热端相连，

所述脉管型自由活塞斯特林制冷机包括直线电机、压缩单元、膨胀机单元以及机架，

其中，所述机架包括法兰、设置在所述法兰中的活塞管以及底座，

所述法兰呈圆盘形状，该法兰的一侧还设置有同心的小圆盘，

所述底座呈筒状，一端与法兰的另一侧相连，另一端为自由端，所述底座的中心线与所述法兰的中心线重合，

所述活塞管为直通管，一端开口位于所述小圆盘的外侧，另一端开口位于所述底座内，所述活塞管内具有柱形活塞腔，用于容纳所述制冷机的压缩活塞和膨胀活塞，所述活塞腔上设置有多个穿透所述活塞管管壁的通孔，

所述直线电机包括外轭铁、内轭铁以及动子，所述外轭铁、所述内轭铁分别设置在所述机架上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，所述动子设置在所述间隙中，

所述压缩单元具有压缩活塞、压缩活塞弹簧，所述压缩活塞弹簧通过连接件与所述机架固定连接，所述压缩活塞设置在所述活塞管中，一端与所述动子相连且与所述压缩活塞弹簧相连，另一端为自由端，

所述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、冷端换热器、导流器，

所述一级热端换热器呈圆筒状，套在所述活塞管的外壁上且设置在所述小圆盘的端面上，

所述脉冲管的一端与所述活塞管外侧一端相连，另一端与所述冷端换热器相连，

所述导流器设置在所述脉冲管一端且位于所述脉冲管内，

所述回热器呈圆筒状，设置在所述脉冲管的外侧，一端与所述冷端换热器相连，另一端与所述一级热端换热器相连，

所述二级热端换热器设置在所述脉冲管内，

所述膨胀活塞在所述活塞管中，所述膨胀活塞弹簧通过连接件与所述机架固定连接，所述膨胀活塞杆的一端与所述膨胀活塞相连，另一端穿过所述压缩活塞、所述压缩活塞弹簧后与所述膨胀活塞弹簧相连，

所述压缩活塞、所述膨胀活塞以及所述活塞腔构成压缩腔，

所述膨胀活塞、所述二级热端换热器以及所述活塞腔构成膨胀腔。

2.根据权利要求1所述的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱，其特征在于：

其中，所述的导冷铜套为圆形铜套，一端开孔与所述脉管型自由活塞斯特林制冷机的冷头连接，圆形铜套内侧与所述脉管型自由活塞斯特林制冷机的冷头之间涂有导热硅脂，圆形铜套内设有圆环形凹槽，使传热工质在圆环形凹槽流动充分换热；所述圆形铜套侧面开有两个与圆环形凹槽连通的导冷小孔。

3.根据权利要求1所述的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱，其特征在于：

其中，所述导热铜套为环形铜套，环形铜套内表面和所述脉管型自由活塞斯特林制冷机的热端之间涂有导热硅脂，环形铜套内部设有环形凹槽，使传热工质在环形凹槽流动充分换热；环形铜套侧面开有两个与环形凹槽连通的导热小孔。

4.根据权利要求1所述的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱，其特征在于：

其中，所述变温室的制冷温度范围为-60-10℃，变温室由所述脉管型自由活塞斯特林制冷机提供冷量；所述脉管型自由活塞斯特林制冷机是直线电机驱动的整体式自由活塞斯特林制冷机，所述脉管型自由活塞斯特林制冷机安装于冰箱的左侧中部，所述脉管型自由活塞斯特林制冷机尾部固定有减震块，并且所述减震块朝向冰箱箱体背板。

5.根据权利要求1所述的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱，其特征在于：

其中，所述冷端重力热管包括第一冷端热管和第二冷端热管，所述第一冷端热管和所述第二冷端热管分别与导冷铜套侧面的第一、二导冷小孔连接，所述冷端重力热管管路向下倾斜15°角，内部所用工质为R170；所述热端重力热管包括第一热端热管和第二热端热管，所述第一热端热管和所述第二热端热管分别与导热铜套侧面的第一、二导热小孔连接，所述热端重力热管管路向下倾斜10°。

6.根据权利要求1所述的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱，其特征在于，还包括：

设置在所述脉冲管一端且位于所述脉冲管内的导流器。

7.根据权利要求1所述的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱，其特征在于：

其中，在所述冷端换热器和所述回热器还设置有第一滤层，所述第一滤层呈筒状，采用不锈钢丝网制成。

8.根据权利要求1所述的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱，其特征在于：

其中，所述回热器呈筒状，采用聚酯类薄膜制成。

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