CN108800713B - 采用斯特林制冷机的多温区风冷冰箱及控温方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的采用斯特林制冷机的多温区风冷冰箱及控温方法，多温区风冷冰箱，包括冰箱箱体、制冷部、控制部，温区风冷冰箱的控温方法，包括如下初始控温步骤：步骤1，风冷冰箱具的三个风室内的温度均停留在环境温度，脉管型自由活塞斯特林制冷机以最大功率运行，此时三个风室内的风室进风阀以及风室回风阀均保持最大开度；步骤2，当第一风室达到第一目标温度后，第一风室内的风室进风阀和风室回风阀关闭；步骤3，当第二风室达到第二目标温度后，第二风室内的风室进风阀和风室回风阀关闭；步骤4，当第三风室达到第三目标温度后，第三风室内的风室进风阀和风室回风阀关闭；步骤5，制冷机、冷端风机停止运行；步骤6，启动电热丝进行融霜。

Description

采用斯特林制冷机的多温区风冷冰箱及控温方法

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风冷冰箱。

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。

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。

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风冷冰箱，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风冷冰箱，具有这样的特征，包括冰箱箱体、制冷部、控制部，其中，冰箱箱体具有至少一个风室、设置在风室外部的送风道以及回风道，风室的风室壁上分别设置有连通送风道与风室内部的送风口以及连通回风道与风室内部的回风口，回风口的位置高于送风口的位置，回风口与送风口不在同一风室壁中，送风道与回风道均为密闭通道且相连通，制冷部包括脉管型自由活塞斯特林制冷机、冷端翅片换热器、冷端风机、缠绕在冷端翅片换热器外部的电热丝，脉管型自由活塞斯特林制冷机具有冷指，冷指具有冷端和热端，冷端换热器设置在冷端上且位于送风道与回风道的连接处，冷端换热器分隔送风道与回风道，送风装置设置在送风道或回风道中，位于冷端换热器旁，控制部包括控制器、风室内温度传感器、冷头温度传感器、风室送风阀、风室回风阀，风室送风阀设置在送风口中，风室回风阀设置在回风口中，室内温度传感器设置在风室内，冷头温度传感器设置在冷端上，控制器分别与室内温度传感器、冷头温度传感器、风室送风阀、风室回风阀相连，控制器分别控制风室送风阀、风室回风阀的阀门开合的大小，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。

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风冷冰箱控温方法，具有这样的特征，包括如下初始控温步骤：

步骤1，风冷冰箱具有三个风室，分别为第一风室、第二风室、第三风室，三个风室内的温度均停留在环境温度，脉管型自由活塞斯特林制冷机以最大功率运行，此时三个风室内的风室进风阀以及风室回风阀均保持最大开度；

步骤2，当第一风室达到第一目标温度后，第一风室内的风室进风阀和风室回风阀关闭，第一风室完成降温，制冷机仍以最大功率运行；

步骤3，当第二风室达到第二目标温度后，第二风室内的风室进风阀和风室回风阀关闭，第二风室完成降温，制冷机仍以最大功率运行；

步骤4，当第三风室达到第三目标温度后，第三风室内的风室进风阀和风室回风阀关闭，第三风室完成降温；

步骤5，制冷机、冷端风机停止运行；

步骤6，启动电热丝进行融霜，避免霜层太厚而增大冷端翅片换热器的传热热阻。

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风冷冰箱控温方法中，还可以具有这样的特征，包括如下精确控温步骤：

步骤7，当第三风室内温度高于第三目标设定温度Ⅰ时，检测冷端温度是否高于第三目标设定温度Ⅱ，若高于第三目标设定温度Ⅱ，启动制冷机和热端风机并以最大输入功率运行，始终保持冷端温度为第三目标设定温度Ⅱ，开启冷端风机，第三风室内的风室进风阀和风室回风阀均开启20％开度，将低温的冷风引入第三风室内，当第三风室内内温度达到第三目标设定温度Ⅰ时，制冷机停机，第三风室内的风室进风阀和风室回风阀关闭；

步骤8，当第二风室内温度高于第二目标设定温度Ⅰ时，检测冷端温度是否高于第二目标设定温度Ⅱ，若高于第二目标设定温度Ⅱ，启动制冷机和热端风机，始终保持冷端温度为第二目标设定温度Ⅱ，开启冷端风机，第二风室内的风室进风阀和风室回风阀均开启20％开度，将低温的冷风引入第二风室内，当第二风室内内温度达到第二目标设定温度Ⅰ时，制冷机停机，第二风室内的风室进风阀和风室回风阀关闭；

步骤9，当第一风室内温度高于第一目标设定温度Ⅰ时，检测冷端温度是否高于第一目标设定温度Ⅱ，若高于第一目标设定温度Ⅱ，启动制冷机和热端风机，始终保持冷端温度为第一目标设定温度Ⅱ，开启冷端风机，第一风室内的风室进风阀和风室回风阀均开启20％开度，将低温的冷风引入第一风室内，当第一风室内内温度达到第一目标设定温度Ⅰ时，制冷机停机，第二风室内的风室进风阀和风室回风阀关闭。

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风冷冰箱控温方法中，还可以具有这样的特征：其中，第三目标设定温度Ⅰ为第三目标温度+0.2℃，第三目标设定温度Ⅱ为第三目标温度-5℃。

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风冷冰箱控温方法中，还可以具有这样的特征：其中，第二目标设定温度Ⅰ为第二目标温度+0.2℃，第二目标设定温度Ⅱ为第二目标温度-5℃。

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风冷冰箱控温方法中，还可以具有这样的特征：其中，第一目标设定温度Ⅰ为第一目标温度+0.2℃，第一目标设定温度Ⅱ为第一目标温度-5℃。

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)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是本发明所采用的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区风冷冰箱制冷原理示意图；

图2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3是本发明的实施例中机架的立体示意图；

图4是图3中A向视图；以及

图5是图4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

多温区风冷冰箱包括冰箱箱体、制冷部、控制部。

如图1所示，冰箱箱体具有三个箱型风室，分别为从上至下依次设置的风室Ⅰ、风室Ⅱ、风室Ⅲ，风室Ⅰ、风室Ⅱ、风室Ⅲ均相互独立且剖面均为矩形。

送风道23k设置在三个风室的外部，回风道24k设置在三个风室的外部，送风道23k与回风道24k均为密闭通道且相连通。

三个风室的风室壁上分别设置有连通送风道与风室内部的送风口以及连通回风道与风室内部的回风口，实施例中，回风口的位置高于送风口的位置，送风口的位置靠近风室的底部，回风口与送风口不在同一风室壁中，回风口与送风口分别设置在相对的两个侧壁上。

送风道23k分别与风室Ⅰ、风室Ⅱ、风室Ⅲ的送风口相连通。

回风道24k分别与风室Ⅰ、风室Ⅱ、风室Ⅲ的回风口相连通。

制冷部包括脉管型自由活塞斯特林制冷机2k、冷端翅片换热器3k、冷端风扇4k、电热丝5k、热端翅片换热器6k、进风口7k、滤网8k、热端风扇9k、出风口10k。

脉管型自由活塞斯特林制冷机2k具有冷指，冷指具有冷端和热端。

冷端翅片换热器3k设置在冷端上且位于送风道23k与回风道24k的连接处，冷端翅片换热器3k分隔送风道23k与回风道24k。冷端翅片换热器3k上缠绕有电热丝5k，用于进行除霜。

冷端风扇4k设置在送风道23k中，位于冷端翅片换热器3k的前端。

热端翅片换热器6k设置在同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机2k的热端上，热端翅片换热器6k、热端风扇9k以及制冷机2k的机体设置在同一个密闭箱体内，密闭箱体的上部设置有引入新风的进风口7k和实现热端散热的出风口10k，在进风口7k中还设置有滤网8k，热端风扇9k设置在制冷机2k的机体的尾部，出风口10k正对热端风扇9k设置在密闭箱体的侧壁上。

控制部包括控制器1k、风室Ⅰ温度传感器11k、风室Ⅱ温度传感器12k、风室Ⅲ温度传感器13k、冷头温度传感器14k、控制回风阀门信道15k、控制温度传感器信道16k、控制进风阀门信道17k、控制冷端温度传感器信道18k、控制冷端风扇信道19k、控制电热丝20k、控制制冷机电源线21k、控制热端风扇22k、风室Ⅰ送风阀A、风室Ⅱ送风阀B、风室Ⅲ送风阀C、风室Ⅰ回风阀a、风室Ⅱ回风阀b、风室Ⅲ回风阀c、热端风扇9k、冷端风扇4k。

风室Ⅰ送风阀A、风室Ⅱ送风阀B、风室Ⅲ送风阀C分别设置在风室Ⅰ、风室Ⅱ、风室Ⅲ的送风口中。

风室Ⅰ回风阀a、风室Ⅱ回风阀b、风室Ⅲ回风阀c分别设置在风室Ⅰ、风室Ⅱ、风室Ⅲ的回风口中。

风室Ⅰ温度传感器11k、风室Ⅱ温度传感器12k、风室Ⅲ温度传感器13k分别设置在风室Ⅰ、风室Ⅱ、风室Ⅲ中。

冷头温度传感器14k设置在冷端上。

控制器1k分别与控制器1k、风室Ⅰ温度传感器11k、风室Ⅱ温度传感器12k、风室Ⅲ温度传感器13k、冷头温度传感器14k、控制回风阀门信道15k、控制温度传感器信道16k、控制进风阀门信道17k、控制冷端温度传感器信道18k、控制冷端风扇信道19k、控制电热丝20k、控制制冷机电源线21k、控制热端风扇22k、风室Ⅰ送风阀A、风室Ⅱ送风阀B、风室Ⅲ送风阀C、风室Ⅰ回风阀a、风室Ⅱ回风阀b、风室Ⅲ回风阀c、制冷机2k相连。

控制器1k分别控制制冷机2k、热端风扇9k、冷端风扇4k的开启，和停止以及风室Ⅰ送风阀A、风室Ⅱ送风阀B、风室Ⅲ送风阀C、风室Ⅰ回风阀a、风室Ⅱ回风阀b、风室Ⅲ回风阀c的阀门开合的大小。

如图2所示，同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机2k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3、4、5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1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。

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的相位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。

冰箱的控制器1k可根据实际负荷控制脉管型斯特林制冷机2k的驱动电压来实现各温区的制冷温度。制冷机冷端接翅片换热器3k，冷端风扇4k将不同温度的冷风分别通过可调节开度的送风阀A、B、C送至各风室，回风通过回风阀a、b、c流回制冷机2k冷端，与冷端的翅片换热器3k对流换热，温度降低；翅片换热器3k上缠绕电热丝5k，实现除霜功能；制冷机热端接翅片换热器6k，新风由进风口7k通过滤网8k进入制冷机热端，由风扇9k通过出风口10k到外界环境以实现热端散热；控制功能通过控制器1实现：由控制回风阀门信道15k、控制进风阀门信道17k分别控制六个阀门开度，控制温度传感器信道16k传递安装在各风室内的风室Ⅰ温度传感器11k、风室Ⅱ温度传感器12k、风室Ⅲ温度传感器13k的信号，控制冷端温度传感器信道18k控制制冷机冷端的冷头温度传感器14k，控制冷端风扇信道19k、控制电热丝20k、控制制冷机电源线21k、控制热端风扇22k分别控制风扇4k、电热丝5k、制冷机2k及风扇9k的启停。

I箱体设定温度为7℃

II箱体设定温度为-18℃

III箱体设定温度为-48℃

简述具体实施过程如下。

1、初始降温过程：

初始降温时，三个箱体内的温度均停留在环境温度(假设23℃)，脉管型斯特林制冷机2k以最大运行，此时进风阀A、B、C以及回风阀a、b、c均保持最大开度。

当I箱体达到目标温度(7℃-0.2℃，即6.8℃)后，进风阀A和回风阀a关闭，I箱体完成降温。此时进风阀B、C和回风阀b、c仍然保持最大开度，制冷机2k仍以最大功率运行。

当II箱体达到目标温度(-18℃-0.2℃，即-18.2℃)后，进风阀B和回风阀b关闭，II箱体完成降温。此时进风阀C和回风阀c仍然保持最大开度，制冷机2k仍以最大功率运行。

当III箱体达到目标温度(-48℃-0.2℃，即-48.2℃)后，进风阀C和回风阀c关闭，III箱体完成降温。此时所有箱体均完成降温，制冷机2k、冷端风扇4k、热端风扇9k停止运行。

在初次降温过程中，风道内的空气含湿量较大，所以在冷端翅片换热器3k表面会严重结霜，所以在完成初次降温后启动电热丝3k进行融霜，避免霜层太厚而增大冷端翅片换热器3k的传热热阻。

2、对各箱体精确控温的过程：

随着外界热负荷的渗入，各箱体温度会逐渐高于目标温度。

当III箱体的温度高于设定温度0.2℃时(即-47.8℃)，先检测冷头温度是否高于-53℃，若高于-53℃，制冷机2k和热端风机9k启动，以最大输入功率运行将冷头温度降低到-53℃后，降低制冷机2k的输入功率并始终保持冷头温度为-53℃，冷端风机4k开启，进风阀C和回风阀c开启20％开度(开度不能过大，否则箱体内的空气与风道内的空气相互串流，使箱体内的温度波动剧烈)，将低温的冷风吹入III箱体，当箱体温度达到-48.2℃时，制冷机2k停机，进风阀C和回风阀c关闭。因为要考虑冷端换热器3k与空气之间的传热温差(通常为5℃)，所以在冷却III箱体时，冷头温度不能只降低至-48℃，否则经过冷端翅片换热器3k的冷风温度可能仅为-43℃，无法将III箱体的温度降低至目标温度。此外，因为在完成了初次降温后进行了电加热容霜过程，所以冷头温度不会低于-53℃，无需考虑该情况下的控制方法。

同理，当II箱体内的温度高于设定温度0.2℃时(即-17.8℃)，先检测冷头温度是否为-23℃(此处也取5℃换热温差)，若高于-23℃，则制冷机2k和热端风机9k启动，将冷头温度降至-23℃后，降低制冷机2k的输入功率并始终保持冷头温度为-23℃，再开启冷端风机4k，进风阀B和回风阀b开启20％开度，将冷风吹入II箱体，当箱体温度达到-18.2℃时，制冷机2k停机，进风阀B和回风阀b关闭；若先检测到冷头温度低于-23℃，则启动电热丝5，使冷头温度快速上升至-23℃后，停止电加热，再运行制冷机2k和冷端风扇4k，制冷机2k的输入功率需始终保持冷头温度为-23℃，进风阀B和回风阀b开启20％开度，将冷风吹入II箱体。值得注意的是，当先检测冷头温度低于-23℃时，可以慢慢等待冷头温度自行上升至-23℃，但让冷头自行升温的时间过长，该时间段内II箱体的温度会较大的偏离设定温度，无法保证精确控温。所以采用电加热辅助，使冷头温度快速上升至-23℃。

当I箱体内的温度高于设定温度0.2℃时(即7.2℃)，先检测冷头温度是否为2℃(此处也取5℃换热温差)，若高于2℃，则制冷机2k和热端风机9k启动，将冷头温度降至2℃后，降低制冷机2k的输入功率并始终保持冷头温度为2℃，再开启冷端风机4k，进风阀A和回风阀a开启20％开度，将冷风吹入I箱体，当箱体温度达到6.8℃时，制冷机2k停机，进风阀A和回风阀a关闭；若先检测冷头温度时低于2℃，则启动电热丝5k，使冷头温度快速上升至2℃后，停止电加热，再运行制冷机2k和冷端风扇4k，制冷机2k的输入功率需始终保持冷头温度为2℃，进风阀A和回风阀a开启20％开度，将冷风吹入I箱体。

说明：

对III箱体进行精确控温时，将冷头温度设定为-53℃，目的一是考虑了冷端换热器3k与空气之间的5℃传热温差，目的二是为了减小

损失。假设将冷头温度设定至-80℃，则吹出的冷风约为-75℃，用-75℃的冷风来冷却目标温度为-48℃的箱体则

损失过大，此外将冷头降低至-80℃所需的输入功更大，制冷量更小，COP较低。综合考虑，将对III箱体精确控温时，保持冷头温度在-53℃效率最佳。同理，对I、II箱体精确控温时，保持冷头温度在2℃、-23℃效率最佳。

总结：

当箱体温度高于设定温度0.2℃时，开始对箱体进行降温。当箱体温度低于设定温度0.2℃时，停止对箱体进行降温。

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 (6)

1.一种采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区风冷冰箱，其特征在于，包括：

冰箱箱体、制冷部、控制部，

其中，所述冰箱箱体具有三个风室、设置在所述风室外部的送风道以及回风道，

所述风室的风室壁上分别设置有连通所述送风道与所述风室内部的送风口以及连通所述回风道与所述风室内部的回风口，所述回风口的位置高于所述送风口的位置，所述回风口与所述送风口不在同一所述风室壁中，

所述送风道与所述回风道均为密闭通道且相连通，

所述制冷部包括脉管型自由活塞斯特林制冷机、冷端翅片换热器、冷端风机、缠绕在所述冷端翅片换热器外部的电热丝，

所述脉管型自由活塞斯特林制冷机具有冷指，所述冷指具有冷端和热端，

所述冷端换热器设置在所述冷端上且位于所述送风道与所述回风道的连接处，所述冷端换热器分隔所述送风道与所述回风道，

所述送风装置设置在所述送风道或所述回风道中，位于所述冷端换热器旁，

所述控制部包括控制器、风室内温度传感器、冷头温度传感器、风室送风阀、风室回风阀，

所述风室送风阀设置在所述送风口中，所述风室回风阀设置在所述回风口中，

所述室内温度传感器设置在所述风室内，

所述冷头温度传感器设置在所述冷端上，

所述控制器分别与所述室内温度传感器、所述冷头温度传感器、所述风室送风阀、所述风室回风阀相连，所述控制器分别控制所述风室送风阀、所述风室回风阀的阀门开合的大小，

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，

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，

所述脉冲管内冷端设置有层流化的导流器，

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，

所述膨胀腔与所述压缩腔同轴布置。

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风冷冰箱的控温方法，其特征在于，包括如下初始控温步骤：

步骤1，所述风冷冰箱具有三个风室，分别为第一风室、第二风室、第三风室，三个风室内的温度均停留在环境温度，所述脉管型自由活塞斯特林制冷机以最大功率运行，此时三个风室内的所述风室进风阀以及风室回风阀均保持最大开度；

步骤2，当所述第一风室达到第一目标温度后，所述第一风室内的所述风室进风阀和所述风室回风阀关闭，所述第一风室完成降温，所述制冷机仍以最大功率运行；

步骤3，当所述第二风室达到第二目标温度后，所述第二风室内的所述风室进风阀和所述风室回风阀关闭，所述第二风室完成降温，所述制冷机仍以最大功率运行；

步骤4，当所述第三风室达到第三目标温度后，所述第三风室内的所述风室进风阀和所述风室回风阀关闭，所述第三风室完成降温；

步骤5，所述制冷机、所述冷端风机停止运行；

步骤6，启动电热丝进行融霜，避免霜层太厚而增大冷端翅片换热器的传热热阻。

3.根据权利要求2所述的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区风冷冰箱的控温方法，其特征在于：

随着外界热负荷的渗入，各箱体温度会逐渐高于目标温度，在步骤6后还包括如下精确控温步骤：

步骤7，当所述第三风室内温度高于第三目标设定温度Ⅰ时，检测所述冷端温度是否高于第三目标设定温度Ⅱ，若高于所述第三目标设定温度Ⅱ，启动所述制冷机和热端风机并以最大输入功率运行，始终保持所述冷端温度为所述第三目标设定温度Ⅱ，开启所述冷端风机，所述第三风室内的所述风室进风阀和所述风室回风阀均开启20％开度，将低温的冷风引入所述第三风室内，当所述第三风室内内温度达到所述第三目标设定温度Ⅰ时，所述制冷机停机，所述第三风室内的所述风室进风阀和所述风室回风阀关闭；

步骤8，当所述第二风室内温度高于第二目标设定温度Ⅰ时，检测所述冷端温度是否高于第二目标设定温度Ⅱ，若高于所述第二目标设定温度Ⅱ，启动所述制冷机和热端风机，始终保持所述冷端温度为所述第二目标设定温度Ⅱ，开启所述冷端风机，所述第二风室内的所述风室进风阀和所述风室回风阀均开启20％开度，将低温的冷风引入所述第二风室内，当所述第二风室内内温度达到所述第二目标设定温度Ⅰ时，所述制冷机停机，所述第二风室内的所述风室进风阀和所述风室回风阀关闭；

步骤9，当所述第一风室内温度高于第一目标设定温度Ⅰ时，检测所述冷端温度是否高于第一目标设定温度Ⅱ，若高于所述第一目标设定温度Ⅱ，启动所述制冷机和热端风机，始终保持所述冷端温度为所述第一目标设定温度Ⅱ，开启所述冷端风机，所述第一风室内的所述风室进风阀和所述风室回风阀均开启20％开度，将低温的冷风引入所述第一风室内，当所述第一风室内内温度达到所述第一目标设定温度Ⅰ时，所述制冷机停机，所述第二风室内的所述风室进风阀和所述风室回风阀关闭。

4.根据权利要求3所述的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区风冷冰箱的控温方法，其特征在于：

其中，所述第三目标设定温度Ⅰ为所述第三目标温度+0.2℃，所述第三目标设定温度Ⅱ为所述第三目标温度-5℃。

5.根据权利要求3所述的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区风冷冰箱的控温方法，其特征在于：

其中，所述第二目标设定温度Ⅰ为所述第二目标温度+0.2℃，所述第二目标设定温度Ⅱ为所述第二目标温度-5℃。

6.根据权利要求3所述的采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区风冷冰箱的控温方法，其特征在于：

其中，所述第一目标设定温度Ⅰ为所述第一目标温度+0.2℃，所述第一目标设定温度Ⅱ为所述第一目标温度-5℃。

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