[發明專利]一種基于斯特林制冷機的大功率脈管制冷機

有效

• 申請號: 200910098629.3
• 申請日: 2009-05-18
• 公開（公告）號: CN101561196A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發明（設計）人: 孫久策;邱利民;巢偉;孫大明;甘智華
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14;F25B40/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明涉及低溫制冷機，特別涉及一種基于斯特林制冷機的大功率脈管制 冷機。

背景技術

1860年Kirk采用逆斯特林循環制冷獲得成功，拉開了斯特林制冷機研究 的序幕。1954年荷蘭菲利普斯實驗室首次制成實用的斯特林制冷機用于空氣液 化，其結構如圖1所示，包括一個油潤滑壓縮機，由曲柄連桿(主連桿5和副 連桿1)帶動有一定運動相位差的壓縮活塞2和膨脹活塞6，水冷器3、回熱器 4和冷端換熱器7。該型斯特林制冷機的制冷量較大，結構緊湊、制冷系數(COP) 較高，生產歷史悠久，制造工藝成熟。然而，上述結構的斯特林制冷機存在如 下問題：第一，由于冷端采用膨脹活塞提供相位差，致使該機冷端結構復雜， 整機可靠性降低，而密封材料的磨損、缸體的磨損制約了其可靠性的進一步提 高。第二，由于冷端膨脹活塞是運動部件，致使該機冷端振動明顯，制約了此 類結構制冷機的使用范圍。雖然人們試圖采用各種手段提高其性能，但上述缺 點一直得不到根本解決，有限的改進也以昂貴的成本為代價。究其原因是因為 造成這些缺陷的根本原因在于膨脹腔中存在著運動部件。

20世紀60年代提出的脈管制冷機，直到經過1984年引入小孔和90年代增加 雙向進氣及引入慣性管等重大改進，使實用成為可能后，才成為低溫界研究的 熱點，并逐漸走上實用化。與斯特林制冷機相比，脈管制冷機由于不存在低溫 下的運動部件，具有如下優點：低溫下無運動磨損，無間隙密封，無電磁干擾， 低機械振動，成本低，可靠性高，免維修，壽命長。這些優點對低溫制冷機而 言是十分可貴的，可以更好地滿足高新技術領域的需要。

隨著高溫超導和液化技術的發展，大功率脈管制冷逐漸提到了議事日程， 并逐漸成為低溫制冷領域的研究熱點。美國、德國、法國、日本等發達國家紛 紛加入了競爭行列，在制冷溫度和制冷功率上都取得了一定進展，但是離既定 目標還存在相當距離。研究表明大功率脈管制冷機絕非是現有小功率制冷機尺 寸的簡單放大，很多復雜的傳熱與流動問題僅僅產生于大功率的脈管制冷機 中。回熱器作為低溫制冷機中的核心部件，是實現功熱轉換的場所，是提高制 冷效率的關鍵所在。在大尺寸下回熱器內部存在嚴重的流動不均勻性，試驗研 究表明，同一圓周上的溫度差甚至可高達30K以上，這種流動不均勻性顯著降 低了回熱器效率，嚴重制約了大功率脈管制冷機的發展進步。現有的改進主要 包括在回熱器中增加橫向導熱措施或增加氣體分配器，這些措施在一定程度上 改善了回熱器性能，但仍然沒有根除回熱器中流動的不均勻性。

發明內容

本發明的目的是為克服現有菲利普斯斯特林制冷機冷端存在運動部件的 不足，提供一種基于斯特林制冷機的大功率脈管制冷機。

基于斯特林制冷機的大功率脈管制冷機包括曲柄連桿、壓縮活塞、水冷器、 回熱器、冷端換熱器、脈管、熱端換熱器、慣性管、氣庫，活塞桿推動壓縮活 塞通過水冷器與回熱器連通、然后與脈管連通，脈兩端分別配置有熱端換熱器 和冷端換熱器，熱端換熱器通過慣性管與氣庫連通。

所述的回熱器為環形回熱器。水冷器為環形水冷器。脈管為圓管或環形管。

本發明的有益效果是，可以在保持制冷量的同時通過摒棄冷端運動部件減 少振動和運動磨損，提高制冷機的可靠性和應用范圍。而且環形回熱器的保留 有望克服大功率脈管制冷機中回熱器流動不均勻性問題。

附圖說明

圖1是現有菲利普斯斯特林制冷機示意圖。

圖2是改造后的大功率脈管制冷機第一個實施例的示意圖

圖3是改造后的大功率脈管制冷機第二個實施例的示意圖

圖中：曲柄連桿1、壓縮活塞2、水冷器3、回熱器4、冷端換熱器5、脈 管6、熱端換熱器7、慣性管8、氣庫9、副連桿10、膨脹活塞11。

具體實施方式

如圖2、圖3所示，基于斯特林制冷機的大功率脈管制冷機包括曲柄連桿 1、壓縮活塞2、水冷器3、回熱器4、冷端換熱器5、脈管6、熱端換熱器7、 慣性管8、氣庫9，活塞桿1推動壓縮活塞2通過水冷器3與回熱器4連通、 然后與脈管6連通，脈管6兩端分別配置有熱端換熱器7和冷端換熱器5，熱 端換熱器7通過慣性管8與氣庫9連通。

所述的回熱器4為環形回熱器。水冷器3為環形水冷器。脈管為圓管或環 形管。