CN116379632B - 一种斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了应用于制冷机领域的一种斯特林制冷机，包括安装在制冷机壳体上的冷端、热端，制冷机壳体上安装有散热环，冷端与热端之间连接有蓄热管，制冷机壳体与冷端之间连接有与蓄热管相匹配的连接管，热端上连接有循环冷却器，散热环靠近蓄热管的一端安装有一对热补偿器；热端包括热气缸和活动塞，热气缸与活动塞之间连接有导热连杆，活动塞上固定连接有与导热连杆相匹配的延伸柱；循环冷却器包括冷却循环泵，冷却循环泵上连接有输入管和输出管，可以实现在制冷机进行制冷工作时，在其热端温度不足时可对其进行快速进行补偿加热处理，其热端温度过高时可及时进行准确的降温处理，对装置内温度实时监测。

Description

一种斯特林制冷机

技术领域

本申请涉及制冷机领域，特别涉及一种斯特林制冷机。

背景技术

斯特林制冷机是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。目前斯特林制冷机已向大冷量发展，制冷量由几十瓦发展到几百瓦；制冷温区也变广，向100K～270K的中高温区发展。

对于小型斯特林制冷机，压缩氦气进入蓄冷器流道，压缩气缸本身就作为热端散热器，不需要单独设置热端散热器。但对于大冷量的斯特林制冷机，由于热端热负荷较大，需要单独设置热端散热器。

目前的斯特林制冷机中用于热端的散热器，不易对热端温度进行补偿加热，且不易根据不同的制冷工作状态对热端进行冷却或热补偿。

发明内容

本申请目的在于提供一种方便热端进行温度监控、散热和热补偿的斯特林制冷机，相比现有技术提供一种斯特林制冷机，包括安装在制冷机壳体上的冷端、热端，制冷机壳体上安装有散热环，冷端与热端之间连接有蓄热管，制冷机壳体与冷端之间连接有与蓄热管相匹配的连接管，热端上连接有循环冷却器，散热环靠近蓄热管的一端安装有一对热补偿器；

热端包括热气缸和活动塞，热气缸与活动塞之间连接有导热连杆，活动塞上固定连接有与导热连杆相匹配的延伸柱；

循环冷却器包括冷却循环泵，冷却循环泵上连接有输入管和输出管；

制冷机壳体内安装有与热端相匹配的内滑筒，内滑筒上开设有与循环冷却器相匹配的导流通道，延伸柱上开设有冷却通道；

热补偿器包括一对电热夹板，电热夹板与制冷机壳体之间连接有电动推杆，电热夹板上安装有压力传感器。

本方案可以实现在制冷机进行制冷工作时，在其热端温度不足时可对其进行快速进行补偿加热处理，其热端温度过高时可及时进行准确的降温处理，对装置内温度实时监测，易于保证其热端的加热和冷却步骤精确可控。

进一步的，制冷机壳体的尾端固定连接有锥形壳，锥形壳靠近制冷机壳体的一端滑动连接有与活动塞同轴设置的辅助推杆，辅助推杆位于锥形壳内的一端固定连接有活塞盘，锥形壳上安装有导气管，导气管包括两个位于锥形壳内的排气管和一个输气管，输气管与两个排气管之间连接有电磁三通阀；通过锥形壳内的充放气对辅助推杆位置调节，可通过辅助推杆对热端进行辅助位移，且在热端过度位移时，可通过辅助推杆对热端进行辅助缓冲。

可选的，制冷机壳体和锥形壳内均安装有与热端相匹配的弹簧板，弹簧板分别与活动塞和辅助推杆的顶端固定连接；弹簧板用于热端的辅助复位。

进一步的，电热夹板包括与蓄热管管壁贴合的加热弧板，加热弧板的外端固定连接有密封板，加热弧板***连接管管壁，连接管上开设有与加热弧板相匹配的通孔。

可选的，制冷机壳体靠近散热环的一端安装有辅助冷却管路，辅助冷却管路与循环冷却器连接，可通过循环冷却器辅助提升散热环散热效率。

进一步的，还包括适用于制冷机的热稳定调控***，热稳定调控***包括安装在制冷机外端的处理器，循环冷却器、热补偿器和压力传感器均与处理器连接，锥形壳内安装有气压传感器，气压传感器和多个温度传感器均与处理器信号连接，制冷机壳体内安装有多个温度传感器，多个温度传感器分别位于冷端、热气缸、散热环和延伸柱处。

进一步的，延伸柱内安装有与处理器信号连接的位移传感器和***。通过位移传感器和***定位热气缸位置，可通过热气缸位置和移动速率辅助判定装置是否工作正常。

进一步的，斯特林制冷机的工作流程为：

A1，制冷机制冷过程中热端处气体循环吸热和放热，温度传感器实时热气缸处温度；

A2，若监测到热气缸到达右止点时，其瞬时温度达到设定温度T1，则保持装置继续正常工作；

若其瞬时温度高于设定温度T1时进行A2.1步骤；

若其瞬时温度低于设定温度T1时进行A2.2步骤；

A2.1，处理器控制循环冷却器工作，对热端进行降温处理，使热端先降温至设定温度T1，再进行A3步骤；

A2.2，处理器驱动热补偿器工作，通过热补偿器对热气缸进行热处理，使其温度上升至设定值T1，此时热气缸处气体膨胀，从而使热气缸与电热夹板分离，然后热补偿器复位，再进行A3步骤；

A3，热气缸温度恢复至设定温度T1后，循环冷却器进行常规冷却工作，使制冷机继续制冷工作。

可选的，A2的替换步骤为：若监测到热气缸的最大位移点未到达预设右止点时，进行A2.2步骤。

可选的，A2.2步骤中热气缸处温度升温至设定温度T1的具体流程包括：通过导气管向锥形壳内充气，使活动塞右端气压增大，从而使热端进一步向左位移，直至热补偿器与热气缸位置匹配，然后电热夹板将热气缸夹紧并进行加热，直至热气缸处温度升至T1，然后恢复锥形壳内气压平衡。

相比于现有技术，本申请的优点在于：

（1）可以实现在制冷机进行制冷工作时，在其热端温度不足时可对其进行快速进行补偿加热处理，其热端温度过高时可及时进行准确的降温处理，对装置内温度实时监测，易于保证其热端的加热和冷却步骤精确可控。

（2）制冷机壳体的尾端固定连接有锥形壳，锥形壳靠近制冷机壳体的一端滑动连接有与活动塞同轴设置的辅助推杆，辅助推杆位于锥形壳内的一端固定连接有活塞盘，锥形壳上安装有导气管，导气管包括两个位于锥形壳内的排气管和一个输气管，输气管与两个排气管之间连接有电磁三通阀；通过锥形壳内的充放气对辅助推杆位置调节，可通过辅助推杆对热端进行辅助位移，且在热端过度位移时，可通过辅助推杆对热端进行辅助缓冲。

（3）延伸柱内安装有与处理器信号连接的位移传感器和***，通过位移传感器和***定位热气缸位置，可通过热气缸位置和移动速率辅助判定装置是否工作正常。

附图说明

图1为本申请的立体图；

图2为本申请的俯视图；

图3为本申请的剖视图；

图4为图3中A处的结构示意图；

图5为本申请的进行热端温度监测工作时的逻辑流程图；

图6为本申请的热稳定调控***框图；

图7为本申请的热补偿器工作流程图；

图8为本申请的热补偿器工作时的状态变化图；

图9为本申请的循环冷却器工作时延伸柱处的部分结构示意图；

图10为本申请的第二实施例工作时的逻辑流程图。

图中标号说明：

1制冷机壳体、101内滑筒、2冷端、3热端、301热气缸、302活动塞、303导热连杆、304延伸柱、305辅助推杆、306活塞盘、4循环冷却器、401输入管、402输出管、5热补偿器、501电热夹板、502电动推杆、6锥形壳、7弹簧板。

具体实施方式

实施例将结合说明书附图，对本申请技术方案进行清楚、完整地描述，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1：

本发明提供了一种斯特林制冷机，请参阅图1-9，一种斯特林制冷机，包括安装在制冷机壳体1上的冷端2、热端3，制冷机壳体1上安装有散热环，冷端2与热端3之间连接有蓄热管，制冷机壳体1与冷端2之间连接有与蓄热管相匹配的连接管，热端3上连接有循环冷却器4，散热环靠近蓄热管的一端安装有一对热补偿器5；

热端3包括热气缸301和活动塞302，热气缸301与活动塞302之间连接有导热连杆303，活动塞302上固定连接有与导热连杆303相匹配的延伸柱304；

循环冷却器4包括冷却循环泵，冷却循环泵上连接有输入管401和输出管402；制冷机壳体1靠近散热环的一端安装有辅助冷却管路，辅助冷却管路与循环冷却器4连接，可通过循环冷却器4辅助提升散热环散热效率。

热补偿器5包括一对电热夹板501，电热夹板501与制冷机壳体1之间连接有电动推杆502，电热夹板501上安装有压力传感器。电热夹板501包括与蓄热管管壁贴合的加热弧板，加热弧板的外端固定连接有密封板，加热弧板***连接管管壁，连接管上开设有与加热弧板相匹配的通孔。

请参阅图3，制冷机壳体1的尾端固定连接有锥形壳6，锥形壳6靠近制冷机壳体1的一端滑动连接有与活动塞302同轴设置的辅助推杆305，辅助推杆305位于锥形壳6内的一端固定连接有活塞盘306，活塞盘306与锥形壳6内壁贴合，锥形壳6上安装有导气管，导气管包括两个位于锥形壳6内的排气管和一个输气管，输气管与两个排气管之间连接有电磁三通阀，两个排气管的输出端分别位于活塞盘306的两侧；

通过锥形壳6内的充放气对辅助推杆305位置调节，可通过辅助推杆305对热端3进行辅助位移，且在热端3过度位移时，可通过辅助推杆305对热端3进行辅助缓冲，辅助缓冲效果可通过调整锥形壳6内气压进行调整。

制冷机壳体1和锥形壳6内均安装有与热端3相匹配的弹簧板7，弹簧板7分别与活动塞302和辅助推杆305的顶端固定连接；弹簧板7用于热端3的辅助复位。

请参阅图9，制冷机壳体1内安装有与热端3相匹配的内滑筒101，内滑筒101上开设有与循环冷却器4相匹配的导流通道，输入管401的输出端和输出管402的输入端分别位于两个导流通道内，延伸柱304上开设有冷却通道，冷却通道的输入口和输出口分别与导流通道的输入管401和输出管402相匹配，在热端3往返运动过程中可保证冷却通道与输入管401和输出管402相通一定时间；

在循环冷却器4对热端3进行冷却过程时，在冷却通道与输入管401和输出管402相通的时间段内，向延伸柱304内输入冷却介质，使延伸柱304与热气缸301之间的换热介质被冷却，从而实现热气缸301处热量通过换热介质向延伸柱304处转移，实现通过延伸柱304对热气缸301进行冷却，通过调整冷却通道与输入管401和输出管402相通的时间段内循环冷却器4的冷却介质循环速率，可实现热气缸301降温速率的调整。

请参阅图6，还包括适用于制冷机的热稳定调控***，热稳定调控***包括安装在制冷机外端的处理器，循环冷却器4、热补偿器5和压力传感器均与处理器连接，锥形壳6内安装有气压传感器，制冷机壳体1内安装有多个温度传感器，多个温度传感器分别位于冷端2、热气缸301、散热环和延伸柱304处，气压传感器和多个温度传感器均与处理器信号连接；延伸柱304内安装有与处理器信号连接的位移传感器和***。通过位移传感器和***定位热气缸301位置，可通过热气缸301位置和移动速率辅助判定装置是否工作正常。

请参阅图5，本方案的斯特林制冷机的工作流程为：

A1，制冷机制冷过程中热端3处气体循环吸热和放热，温度传感器实时热气缸301处温度；

A2，若监测到热气缸301到达右止点时，其瞬时温度达到设定温度T1，则保持装置继续正常工作（设定温度T1为：装置以设定制冷功率进行斯特林逆向循环时，热气缸301等容吸热后，热气缸301在右止点时的温度，该温度根据斯特林逆向循环原理进行计算）；

若其瞬时温度高于设定温度T1时进行A2.1步骤；

若其瞬时温度低于设定温度T1时进行A2.2步骤；

A2.1，处理器控制循环冷却器4工作，对热端3进行降温处理，使热端3先降温至设定温度T1，再进行A3步骤；

A2.2，处理器驱动热补偿器5工作，通过热补偿器5对热气缸301进行热处理，使其温度上升至设定值T1，此时热气缸301处气体膨胀，从而使热气缸301与电热夹板501分离，然后热补偿器5复位，再进行A3步骤；

请参阅图7-8，A2.2步骤中热气缸301处温度升温至设定温度T1的具体流程包括：通过导气管向锥形壳6内充气，使活动塞302右端气压增大，从而使热端3进一步向左位移，直至热补偿器5与热气缸301位置匹配，然后电热夹板501将热气缸301夹紧并进行加热，直至热气缸301处温度升至T1，然后恢复锥形壳6内气压平衡；

A3，热气缸301温度恢复至设定温度T1后，循环冷却器4进行常规冷却工作，使制冷机继续制冷工作（循环冷却器4的常规冷却工作流程由本领域技术人员根据现有技术进行设置，循环冷却器4进行常规冷却工作时可保障斯特林制冷机在正常工作时热端3温度正常下降）。

本实施例实时监测热气缸301在其右止点的温度，在其温度不稳定时，可及时对其进行热补偿或冷却处理，保证其等容吸热后热气缸301处温度可稳定至理论值，保证装置斯特林逆向循环的稳定进行。

实施例2：

本发明提供了一种斯特林制冷机，请参阅图10，为简便起见，下文仅描述与实施例1的区别点。该实施例2与实施例1的不同之处在于：

A2的步骤为：若监测到热气缸301的最大位移点未到达预设右止点时，进行A2.2步骤；

预设右止点由本领域技术人员根据设定温度T1和装置参数进行计算，预设右止点为：热气缸301进行斯特林逆向循环时，热气缸301等容吸热过程中向右位移的最大位移点。

通过监测热气缸301是否达到右止点来判断热气缸301是否可达到设定温度T1，在热气缸301未达到预设右止点时，可及时对热气缸301进行加热处理，使热气缸301可吸收足够热量到达右止点，使制冷机在出现意外状况而使热气缸301吸热不足时仍可保证其正常工作一定时间。

本方案可以实现在制冷机进行制冷工作时，在其热端3温度不足时可对其进行快速进行补偿加热处理，其热端3温度过高时可及时进行准确的降温处理，对装置内温度实时监测，易于保证其热端3的加热和冷却步骤精确可控。

以上所述，仅为本申请结合当前实际需求采用的最佳实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此。

Claims (10)

1.一种斯特林制冷机，包括安装在制冷机壳体（1）上的冷端（2）、热端（3），所述制冷机壳体（1）上安装有散热环，所述冷端（2）与热端（3）之间连接有蓄热管，所述制冷机壳体（1）与冷端（2）之间连接有与蓄热管相匹配的连接管，其特征在于，所述热端（3）上连接有循环冷却器（4），所述散热环靠近蓄热管的一端安装有一对热补偿器（5）；

所述热端（3）包括热气缸（301）和活动塞（302），所述热气缸（301）与活动塞（302）之间连接有导热连杆（303），所述活动塞（302）上固定连接有与导热连杆（303）相匹配的延伸柱（304）；

所述循环冷却器（4）包括冷却循环泵，所述冷却循环泵上连接有输入管（401）和输出管（402）；

所述制冷机壳体（1）内安装有与热端（3）相匹配的内滑筒（101），所述内滑筒（101）上开设有与循环冷却器（4）相匹配的导流通道，所述延伸柱（304）上开设有冷却通道；

所述热补偿器（5）包括一对电热夹板（501），所述电热夹板（501）与制冷机壳体（1）之间连接有电动推杆（502），所述电热夹板（501）上安装有压力传感器。

2.根据权利要求1所述的一种斯特林制冷机，其特征在于，所述制冷机壳体（1）的尾端固定连接有锥形壳（6），所述锥形壳（6）靠近制冷机壳体（1）的一端滑动连接有与活动塞（302）同轴设置的辅助推杆（305），所述辅助推杆（305）位于锥形壳（6）内的一端固定连接有活塞盘（306），所述锥形壳（6）上安装有导气管，所述导气管包括两个位于锥形壳（6）内的排气管和一个输气管，所述输气管与两个排气管之间连接有电磁三通阀。

3.根据权利要求2所述的一种斯特林制冷机，其特征在于，所述制冷机壳体（1）和锥形壳（6）内均安装有与热端（3）相匹配的弹簧板（7），所述弹簧板（7）分别与活动塞（302）和辅助推杆（305）的顶端固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种斯特林制冷机，其特征在于，所述电热夹板（501）包括与蓄热管管壁贴合的加热弧板，所述加热弧板的外端固定连接有密封板，所述加热弧板***连接管管壁，所述连接管上开设有与加热弧板相匹配的通孔。

5.根据权利要求1所述的一种斯特林制冷机，其特征在于，所述制冷机壳体（1）靠近散热环的一端安装有辅助冷却管路，所述辅助冷却管路与循环冷却器（4）连接。

6.根据权利要求2所述的一种斯特林制冷机，其特征在于，还包括适用于制冷机的热稳定调控***，所述热稳定调控***包括安装在制冷机外端的处理器，所述循环冷却器（4）、热补偿器（5）和压力传感器均与处理器连接，所述锥形壳（6）内安装有气压传感器，所述制冷机壳体（1）内安装有多个温度传感器，多个所述温度传感器分别位于冷端（2）、热气缸（301）、散热环和延伸柱（304）处，所述气压传感器和多个温度传感器均与处理器信号连接。

7.根据权利要求6所述的一种斯特林制冷机，其特征在于，所述延伸柱（304）内安装有与处理器信号连接的位移传感器和***。

8.根据权利要求7所述的一种斯特林制冷机，其特征在于，所述斯特林制冷机的工作流程为：

A1，制冷机制冷过程中热端（3）处气体循环吸热和放热，温度传感器实时热气缸（301）处温度；

A2，若监测到热气缸（301）到达右止点时，其瞬时温度达到设定温度T1，则保持装置继续正常工作；

若其瞬时温度高于设定温度T1时进行A2.1步骤；

若其瞬时温度低于设定温度T1时进行A2.2步骤；

A2.1，处理器控制循环冷却器（4）工作，对热端（3）进行降温处理，使热端（3）先降温至设定温度T1，再进行A3步骤；

A2.2，处理器驱动热补偿器（5）工作，通过热补偿器（5）对热气缸（301）进行热处理，使其温度上升至设定值T1，此时热气缸（301）处气体膨胀，从而使热气缸（301）与电热夹板（501）分离，然后热补偿器（5）复位，再进行A3步骤；

A3，热气缸（301）温度恢复至设定温度T1后，循环冷却器（4）进行常规冷却工作，使制冷机继续制冷工作。

9.根据权利要求8所述的一种斯特林制冷机，其特征在于，所述A2的替换步骤为：若监测到热气缸（301）的最大位移点未到达预设右止点时，进行A2.2步骤。

10.根据权利要求8所述的一种斯特林制冷机，其特征在于，所述A2.2步骤中热气缸（301）处温度升温至设定温度T1的具体流程包括：通过导气管向锥形壳（6）内充气，使活动塞（302）右端气压增大，从而使热端（3）进一步向左位移，直至热补偿器（5）与热气缸（301）位置匹配，然后电热夹板（501）将热气缸（301）夹紧并进行加热，直至热气缸（301）处温度升至T1，然后恢复锥形壳（6）内气压平衡。