[發明專利]一種多級斯特林制冷機

有效

• 申請號: 201310284693.7
• 申請日: 2013-07-07
• 公開（公告）號: CN103307799A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 孔令斌
• 申請（專利權）人: 孔令斌
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

所屬技術領域

本發明涉及一種斯特林制冷機，具體為一種多級斯特林制冷機。

背景技術

隨著科技進步，深度制冷技術在一些行業發揮著越來越重要的作用。航空航天、食品加工、醫療衛生、化肥生產、天然氣儲運、石油煉制等行業都離不開深度制冷技術。目前的深度制冷技術方案，主要利用林德循環經多級壓縮和節流膨脹實現深度制冷。

天然氣儲運是應用深度制冷技術的代表性行業。LNG產品絕大部份出自大型天然氣液化廠，用于天然氣調峰和天然氣海運貿易。而微型LNG液化裝置對油井伴生氣分離儲運、垃圾場和廢水處理廠的沼氣資源回收都必不可少。為了滿足對微型LNG液化裝置的需求，在美國能源部的資助下，美國天然氣技術研究所已經開發出一種已獲得專利權的微型天然氣液化裝置。該微型天然氣液化裝置是利用使用制冷劑的制冷系統，LNG日產量在五千到三萬加侖之間。美國天然氣技術研究所已經許可商業化合作伙伴Linde?BOC使用此項技術并在全世界范圍內積極推行商業化。由此可見，微型天然氣液化裝置極具市場潛力。斯特林制冷機用作微型天然氣液化裝置前景樂觀。

目前，小功率的斯特林制冷機已廣泛用作電子成像系統、電子控制系統的冷源，功率只有2到6瓦。大功率的斯特林制冷機尚無應用實例。根本原因是工質密封難，沒有簡單可靠的主體結構能滿足大功率深度制冷的要求。

中國發明專利斯特林可逆熱機(200710050949.2)以兩級密封技術完全杜絕了工質泄漏，而且結構緊湊。但是斯特林可逆熱機用作制冷機也達不到深度制冷溫度(-100℃以下)。《斯特林熱泵(制冷機)設計理論研究》一文揭示了制冷深度(熱泵揚程)和各結構參數及運行參數的內在聯系。采用兩臺以上的斯特林可逆熱機串聯，完全可以達到深度制冷溫度(-100℃以下)。一臺斯特林可逆熱機稱為一級。有幾臺串聯就稱為幾級斯特林制冷機，兩臺以上串聯統稱多級斯特林制冷機。第一級的熱量流入端從環境吸入熱量，第二級的熱量流入端從第一級的熱量流出端吸入熱量。以此類推。最后一級的熱量流出端向環境放出熱量。如何實現熱量的級間傳遞是多級斯特林制冷機成敗的關鍵。

中國發明專利一種斯特林熱機換熱式回熱器(201210000717.7)在同級內實現相位差為π的兩工作腔逆流換熱，達到熱量合理利用，在兩級間實現相位差為π的兩工作腔換熱，完成熱量兩級間可靠傳遞；中國發明專利多環連接型斯特林可逆熱機(201210174097.7)使斯特林制冷機具有較大的制冷深度，空間利用率也提高；中國發明專利一種斯特林熱機工況控制器(201110035499.6)保證各工作腔工質均衡，運行平穩；中國發明專利一種斯特林熱機換熱裝置(201210383424.1)使斯特林制冷機高效散熱。這些專利技術的組合應用，確定恰當的制冷機級數和電機功率，可以制成滿足各種制冷深度和制冷量要求的多級斯特林制冷機。中國發明專利一種斯特林熱泵熱水器(201210473554.4)就是單級斯特林制冷機(熱泵)的應用實例。

發明內容

本發明的目的是應用斯特林可逆熱機作制冷機，多級串聯，采用中國發明專利一種斯特林熱機換熱式回熱器(201210000717.7)作級間換熱器，設計一種能達到深度制冷溫度的多級斯特林制冷機。

為了實現上述目的，本發明的方案是：其結構包括若干級斯特林制冷機、級間換熱器、聯軸通道、工況控制器、電動機。其特征在于：所述電動機置于最后一級斯特林制冷機熱量流出端氣缸中央的二級密封腔內。電動機轉軸與各級斯特林制冷機熱機轉子在同一軸線上，并經聯軸通道連成一體。各級斯特林制冷機的二級密封腔連通為一個密封腔。各級斯特林制冷機的活塞組卡在各自的熱機轉子上，兩端活塞分別插入熱量流入端氣缸和熱量流出端氣缸。各級斯特林制冷機工作腔數量相同，同級相位差為π的兩工作腔連通同一回熱器的兩個換熱通道，相鄰兩級間相位差為π的兩工作腔連通同一級間換熱器的兩個換熱通道。所有工作腔連接到同一個工況控制器。工況控制器的密閉空間與二級密封腔連通。二級密封腔及各工作腔內充有工質。二級密封腔內工質壓力是所有工作腔的最低工作壓力。

所述工質為氫氣或氦氣。

所述第一級斯特林制冷機的氣缸直徑最小或沖程最短。氣缸直徑逐級增大，或沖程逐級增長。因為第一級工作溫度低、工質密度大，最低工作壓力一樣，輸運熱量最少。

所述各級斯特林制冷機可單獨連接各自的工況控制器，并將工況控制器的密閉空間與二級密封腔連通。