CN118031449A - 一种多缸型大冷量斯特林低温制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多缸型大冷量斯特林低温制冷机，包括两组及以上制冷单元，所述制冷单元包括冷端换热器、回热器、水冷器、活塞组件、排出器组件、缸套组件；所述制冷单元安装于机身组件上，所述机身组件包括曲轴、活塞连杆轴颈、排出器连杆轴颈和机身，所述活塞连杆轴颈和排出器连杆轴颈的个数与制冷单元的个数相对应。本发明采用多缸结构布置，具有制冷功率大、制冷效率高、体积小、结构紧凑、工作温区宽、变负荷运行稳定及启停快速等优点，在45～150K温度区间具有1～10kW的制冷量；在超导磁体冷却、超导线缆冷却、气体液化等领域具有广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及低温制冷技术领域，尤其是涉及一种多缸型大冷量斯特林低温制冷机。
背景技术
低温回热式低温制冷机主要包括G-M制冷机、脉管制冷机及斯特林制冷机等。其中，G-M制冷机多用于获取更低的温度，制冷量十分有限，由于存在配气阀门，冷端振动和噪声较大，造成维护周期短、成本较高和热效率低的缺点。脉管制冷机消除了低温端运动部件，可靠性得到提升，但由于在大尺寸条件下存在不均匀流动和换热现象，实际热效率较低。
斯特林制冷机主要采用质量-弹簧-阻尼谐振***，实现活塞和排出器谐振运行，具有结构紧凑、寿命长、振动低。
如公开号为CN112815565A的中国专利文献公开了一种斯特林制冷机，包括壳体、活塞、排出器、外定组件及内定组件；活塞和排出器均安装在壳体内，排出器位于活塞的一侧，活塞的中部设有轴孔，排出器靠近活塞的一端连接有连杆，连杆穿过轴孔露置在活塞外；外定组件包括电磁铁芯、以及缠绕在电磁铁芯上的励磁线圈，活塞远离排出器的一端连接有活塞弹簧，活塞弹簧与壳体固定连接；连杆露置在活塞外的端部连接有排出器弹簧，排出器弹簧与壳体固定连接，排出器弹簧位于活塞弹簧内且排出器弹簧和活塞弹簧同轴线；电磁铁芯同轴套设在壳体外。
公开号为CN116753636A的中国专利文献公开了一种整体式自由活塞斯特林制冷机装置，包括：排出器结构和动力活塞结构、以及减振组件；动力活塞结构包括沿轴向方向依次设置的动力板弹簧、动力轴承以及动力活塞，其中动力板弹簧与动力轴承固定连接；排出器结构包括沿轴向方向依次设置的第一活塞、排出板弹簧、以及第二活塞，其中，排出板弹簧通过第一紧固件与第一活塞和第二活塞连接，从而使得在第一活塞和第二活塞在气压差作用下往复运动时，排出板弹簧径向支撑第一活塞和第二活塞。
然而，目前采用质量-弹簧-阻尼谐振***的斯特林制冷机均存在结构复杂、技术发展尚不成熟的问题。
发明内容
本发明提供了一种多缸型大冷量斯特林低温制冷机，采用曲柄连杆结构进行驱动，并采用多缸结构布置，制冷量大、结构紧凑、成本低，解决大冷量低温制冷机市场需求大、产品紧缺问题。
一种多缸型大冷量斯特林低温制冷机，包括机身组件以及安装在机身组件上的至少两组制冷单元；
所述的机身组件包括机身以及可转动设置在机身内部的曲轴，所述的曲轴上与每个制冷单元对应的位置均设有活塞连杆轴颈和排出器连杆轴颈；
所述的制冷单元包括冷端换热器、回热器、水冷器、活塞组件、排出器组件、缸套组件；
所述排出器组件包括膨胀气缸以及设置在膨胀气缸内的排出器，膨胀气缸与排出器之间形成膨胀腔；排出器的下端通过排出器连杆与排出器连杆轴颈连接，连接部位设有轴承机构；
所述缸套组件包括设置在膨胀气缸下端的气缸套；所述活塞组件包括设置在气缸套内的活塞，气缸套与活塞之间形成压缩腔；活塞的下端通过活塞连杆与活塞连杆轴颈连接，连接部位设有轴承机构；
所述冷端换热器、回热器、水冷器从上到下依次连接，布置在膨胀气缸外侧，并连通膨胀腔和压缩腔。
进一步地，所述排出器的下部外圆面设有密封环，所述活塞的外圆面上设有活塞环组。
进一步地，所述活塞的内圆面设有导向套；所述的排出器连杆穿过导向套内孔，上端与排出器相连，下端与排出器连杆轴颈相连。
进一步地，所述多缸型大冷量斯特林低温制冷机还包括真空罩及固定底板；所述回热器包括回热器外壳和回热器网片；
所述回热器外壳上部与冷端换热器连接、下部与固定底板连接，回热器外壳与冷端换热器、真空罩和固定底板形成封闭真空腔体；所述的回热器网片为环状多孔结构，装填于回热器外壳内部，位于冷端换热器与水冷器之间。
进一步地，所述冷端换热器和回热器外壳的外壁面上缠绕有复合材料绝热纸。
进一步地，所述气缸套的外部依次套设有冷却夹套和气缸体，所述的冷却夹套内通入水或润滑油对气缸套进行冷却。
进一步地，所述排出器连杆轴颈在相位上领先于活塞连杆轴颈，工质气体在压缩腔内实现压缩过程，在膨胀腔内实现膨胀过程。
所述活塞在气缸套内往复运动，对压缩腔内的工质气体压缩做功；所述排出器在膨胀气缸内往复运行，改变膨胀腔体积，调配工质气体在压缩腔和膨胀腔之间往返流动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用曲柄连杆机构驱动斯特林制冷机活塞运行进行制冷，技术成熟高、零件通用性好、***格低，且容易设备维护保养。采用多缸结构布置，提高了制冷机的功率密度，制冷量大、***结构紧凑、运行振动和噪声低，在45～150K温度区间具有1～10kW制冷量。
2、相较于自由活塞斯特林制冷机弹簧-质量-阻尼谐振***的活塞和排出器间运行相位差自适应变化，曲柄连杆机构可以保证活塞和排出器间以恒定相位差运行，不受制冷机工作温度影响，使得本发明斯特林制冷机具有制冷效率高、工作温区宽、变负荷运行稳定及启停快速等优点。
3、本发明斯特林低温制冷机采用真空多层缠绕绝热结构对真空罩内的冷端换热器和回热器外壳进行保温绝热，具有绝热性能好、结构简单、实施方便等优点，消除了普通绝热材料吸水率高和吸附气体造成的绝热性能下降和不定期加热烘干等问题，将冷端换热器的冷能损失降至最低。
附图说明
图1为本发明实施例一种多缸型大冷量斯特林低温制冷机的结构示意图。
图中：1-冷端换热器；2-回热器；201-回热器外壳；202-回热器网片；3-水冷器；4-活塞组件；401-活塞；402-活塞环组；403-活塞连杆；5-排出器组件；501-排出器；502-排出器连杆；503-密封环；504-导向套；505-膨胀气缸；506-膨胀腔；6-缸套组件；601-气缸套；602-冷却夹套；603-气缸体；604-压缩腔；7-机身组件；701-曲轴；702-活塞连杆轴颈；703-排出器连杆轴颈；704-机身；8-底座；9-真空罩；10-固定底板；11-复合材料绝热纸。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种多缸型大冷量斯特林低温制冷机，包括两组及以上制冷单元，制冷单元包括冷端换热器1、回热器2、水冷器3、活塞组件4、排出器组件5、缸套组件6。
制冷单元安装于机身组件7上，机身组件7包括曲轴701、活塞连杆轴颈702、排出器连杆轴颈703和机身704，活塞连杆轴颈702和排出器连杆轴颈703的个数与制冷单元的个数相对应；机身704固定于底座8之上。
低温制冷机还包括真空罩9及固定底板10。回热器2包括回热器外壳201和回热器网片202；回热器外壳201上部与冷端换热器1连接、下部与固定底板10连接，并与冷端换热器1、真空罩9和固定底板10形成封闭真空腔体，冷端换热器1和回热器外壳201外壁面上缠绕有复合材料绝热纸11；回热器网片202为环状多孔结构，装填于回热器外壳201内部，位于冷端换热器1与水冷器3之间。
水冷器3用于冷却高温工质气体，需通入冷却水进行降温。
活塞组件4包括活塞401、活塞环组402及活塞连杆403，活塞401外圆面上开设有环槽，用于安装活塞环组402。
排出器组件5包括排出器501、排出器连杆502、密封环503、导向套504、膨胀气缸505和膨胀腔506。排出器501位于膨胀气缸505内，与排出器连杆502相连，所述排出器501的下部外圆面设有环槽，用于安装密封环503。
缸套组件6包括气缸套601、冷却夹套602、气缸体603和压缩腔604，冷却夹套602内可以通入水或润滑油对气缸套601进行冷却。
活塞401在气缸套601内往复运动，对压缩腔604内的工质气体压缩做功，活塞环组402用于密封压缩腔604内的高压工质气体；活塞连杆403上部与活塞401相连、下部与活塞连杆轴颈702相连，相连部位设有轴承机构，保证部件间进行相对运动；排出器501在膨胀气缸505内往复运行，改变膨胀腔506体积，调配工质气体在压缩腔604和膨胀腔506之间往返流动；密封环503采用耐磨高分子非金属材料制成；导向套504用于排出器连杆502的导向和密封，与活塞401的内圆面安装连接；所述排出器连杆502穿过导向套504内孔，上端与排出器501相连、下端与排出器连杆轴颈703相连，相连部位设有轴承机构，保证部件间进行相对运动；压缩腔604为活塞401与排出器501间形成的腔体，膨胀腔506为排出器501与冷端换热器1间形成的腔体，由于排出器连杆轴颈703在相位上领先于活塞连杆轴颈702，使得与其间接相连的排出器501和活塞401按照设计相位差运行，工质气体在压缩腔604和膨胀腔506实现压缩和膨胀过程。
本发明斯特林制冷机工作原理：电动机等动力设备驱动曲轴701旋转，并带动活塞401和排出器501运动，曲轴701每旋转一周，每个制冷单元内均完成等温压缩、定容放热、等温膨胀和定容吸热4个热力学过程，即一个逆斯特林循环：
等温压缩：排出器501向上运行达到上死点，活塞401从下死点向上运行，压缩腔604体积减小，工质气体的压力升高，并从压缩腔604流出进入水冷器3，与水冷器3内的冷却水进行换热，冷水温度升高，气体温度不变，容积减小、压力升高，实现等温压缩；
定容放热：排出器501从上死点向下运行，活塞401继续向上运动并达到上死点，膨胀腔506增加，压缩腔604减小，工质气体从水冷器3流出后经回热器2流入冷端换热器1和膨胀腔506，在流经回热器网片202时被冷却，气体容积保持不变，温度和压力降低，实现定容放热；
等温膨胀：排出器501继续向下运行并达到下死点，活塞401从上死点向下运动，膨胀腔506体积增大，工质气体从回热器2流出后进入冷端换热器1进行换热，吸收热量后流入膨胀腔506，冷端换热器1温度降低，气体温度保持不变，容积增大、压力降低；
定容吸热：排出器501从下死点向上运行达到初始位置，活塞401继续向下运行并达到下死点，膨胀腔506减小，压缩腔604增大，工质气体从冷端换热器1流出后经回热器2进入水冷器3和压缩腔604，在流经回热器网片202时被加热，气体容积保持不变，温度和压力升高。
如此循环，冷端换热器1的温度逐渐降低，直至达到所需低温。
特别是，冷端换热器1处于回热器外壳201与冷端换热器1、真空罩9和固定底板10形成的封闭真空腔体内，且外壁面上缠绕有复合材料绝热纸11，极大的降低了其与外界之间的辐射传热，减少冷能损失。
本发明采用多缸结构布置，具有制冷功率大、制冷效率高、体积小、结构紧凑、工作温区宽、变负荷运行稳定及启停快速等优点，在45～150K温度区间具有1～10kW的制冷量；在超导磁体冷却、超导线缆冷却、气体液化等领域具有广阔应用前景。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多缸型大冷量斯特林低温制冷机，其特征在于，包括机身组件(7)以及安装在机身组件(7)上的至少两组制冷单元；
所述的机身组件(7)包括机身(704)以及可转动设置在机身(704)内部的曲轴(701)，所述的曲轴(701)上与每个制冷单元对应的位置均设有活塞连杆轴颈(702)和排出器连杆轴颈(703)；
所述的制冷单元包括冷端换热器(1)、回热器(2)、水冷器(3)、活塞组件(4)、排出器组件(5)、缸套组件(6)；
所述排出器组件(5)包括膨胀气缸(505)以及设置在膨胀气缸(505)内的排出器(501)，膨胀气缸(505)与排出器(501)之间形成膨胀腔(506)；排出器(501)的下端通过排出器连杆(502)与排出器连杆轴颈(703)连接，连接部位设有轴承机构；
所述缸套组件(6)包括设置在膨胀气缸(505)下端的气缸套(601)；所述活塞组件(4)包括设置在气缸套(601)内的活塞(401)，气缸套(601)与活塞(401)之间形成压缩腔(604)；活塞(401)的下端通过活塞连杆(403)与活塞连杆轴颈(702)连接，连接部位设有轴承机构；
所述冷端换热器(1)、回热器(2)、水冷器(3)从上到下依次连接，布置在膨胀气缸(505)外侧，并连通膨胀腔(506)和压缩腔(604)。
2.根据权利要求1所述的多缸型大冷量斯特林低温制冷机，其特征在于，所述排出器(501)的下部外圆面设有密封环(503)，所述活塞(401)的外圆面上设有活塞环组(402)。
3.根据权利要求1所述的多缸型大冷量斯特林低温制冷机，其特征在于，所述活塞(401)的内圆面设有导向套(504)；所述的排出器连杆(502)穿过导向套(504)内孔，上端与排出器(501)相连，下端与排出器连杆轴颈(703)相连。
4.根据权利要求1所述的多缸型大冷量斯特林低温制冷机，其特征在于，所述多缸型大冷量斯特林低温制冷机还包括真空罩(9)及固定底板(10)；所述回热器(2)包括回热器外壳(201)和回热器网片(202)；
所述回热器外壳(201)上部与冷端换热器(1)连接、下部与固定底板(10)连接，回热器外壳(201)与冷端换热器(1)、真空罩(9)和固定底板(10)形成封闭真空腔体；所述的回热器网片(202)为环状多孔结构，装填于回热器外壳(201)内部，位于冷端换热器(1)与水冷器(3)之间。
5.根据权利要求4所述的多缸型大冷量斯特林低温制冷机，其特征在于，所述冷端换热器(1)和回热器外壳(201)的外壁面上缠绕有复合材料绝热纸(11)。
6.根据权利要求1所述的多缸型大冷量斯特林低温制冷机，其特征在于，所述气缸套(601)的外部依次套设有冷却夹套(602)和气缸体(603)，所述的冷却夹套(602)内通入水或润滑油对气缸套(601)进行冷却。
7.根据权利要求1所述的多缸型大冷量斯特林低温制冷机，其特征在于，所述排出器连杆轴颈(703)在相位上领先于活塞连杆轴颈(702)，工质气体在压缩腔(604)内实现压缩过程，在膨胀腔(506)内实现膨胀过程。
8.根据权利要求7所述的多缸型大冷量斯特林低温制冷机，其特征在于，所述活塞(401)在气缸套(601)内往复运动，对压缩腔(604)内的工质气体压缩做功；所述排出器(501)在膨胀气缸(505)内往复运行，改变膨胀腔(506)体积，调配工质气体在压缩腔(604)和膨胀腔(506)之间往返流动。
9.根据权利要求1所述的多缸型大冷量斯特林低温制冷机，其特征在于，所述多缸型大冷量斯特林低温制冷机的制冷过程如下：
动力设备驱动曲轴(701)旋转，并带动活塞(401)和排出器(501)运动，曲轴(701)每旋转一周，每个制冷单元内均完成等温压缩、定容放热、等温膨胀和定容吸热4个热力学过程，即一个逆斯特林循环：
等温压缩：排出器(501)向上运行达到上死点，活塞(401)从下死点向上运行，压缩腔(604)体积减小，工质气体的压力升高，并从压缩腔(604)流出进入水冷器(3)，与水冷器(3)内的冷却水进行换热，冷水温度升高，气体温度不变，容积减小、压力升高，实现等温压缩；
定容放热：排出器(501)从上死点向下运行，活塞(401)继续向上运动并达到上死点，膨胀腔(506)增加，压缩腔(604)减小，工质气体从水冷器(3)流出后经回热器(2)流入冷端换热器(1)和膨胀腔(506)，在流经回热器(2)的回热器网片(202)时被冷却，气体容积保持不变，温度和压力降低，实现定容放热；
等温膨胀：排出器(501)继续向下运行并达到下死点，活塞(401)从上死点向下运动，膨胀腔(506)体积增大，工质气体从回热器(2)流出后进入冷端换热器(1)进行换热，吸收热量后流入膨胀腔(506)，冷端换热器(1)温度降低，气体温度保持不变，容积增大、压力降低；
定容吸热：排出器(501)从下死点向上运行达到初始位置，活塞(401)继续向下运行并达到下死点，膨胀腔(506)减小，压缩腔(604)增大，工质气体从冷端换热器(1)流出后经回热器(2)进入水冷器(3)和压缩腔(604)，在流经回热器网片(202)时被加热，气体容积保持不变，温度和压力升高；
如此循环，冷端换热器(1)的温度逐渐降低，直至达到所需低温。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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