[發(fā)明專利]一種新型斯特林循環(huán)熱力膨脹機構(gòu)

有效

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• 申請日: 2013-12-17
• 公開（公告）號: CN103629841A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 梁文清;姜濤;劉向波
• 申請（專利權(quán)）人: 常州鴻源動力科技有限公司
• 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

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及低溫制冷機，特別是分置式斯特林制冷機，具體為一種新型的斯特林熱力膨脹機構(gòu)。

技術(shù)背景

1816年蘇格蘭人斯特林(O.R.Stirling)提出一個由兩個等溫過程與兩個等容過程組成的熱力循環(huán)的專利，稱為斯特林循環(huán)。該循環(huán)最初用于熱力發(fā)動機，系統(tǒng)中的工質(zhì)氣體在不同溫位下被不斷壓縮和膨脹，最后輸出功。1834年，J.Hershel試用逆斯特林循環(huán)來制冰，1860年Kirk利用逆斯特林循環(huán)制冷獲得成功。這種采用逆斯特林循環(huán)制冷的機器通常稱為斯特林制冷機，其中的回?zé)徇^程變成蓄冷過程，回?zé)崞饕脖环Q之為蓄冷器。大約100年之后，荷蘭菲利浦實驗室在1954年首次制成實用的微型斯特林循環(huán)低溫制冷機。

斯特林制冷機有整體式和分置式兩種結(jié)構(gòu)。整體式斯特林制冷機將壓縮部分與膨脹制冷部分制成一體，其壓縮活塞與排出器通過曲柄連桿機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)榛钊闹本€運動，工質(zhì)在壓縮空間、蓄冷器(回?zé)崞?和膨脹空間等部分來回交替流動，而工質(zhì)氣體質(zhì)量不變，構(gòu)成閉式循環(huán)。斯特林循環(huán)的機器內(nèi)沒有閥門，內(nèi)部不可逆損失小，因此效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，但由于機器的旋轉(zhuǎn)運動導(dǎo)致振動大、噪音大、壽命短等缺陷。

美國在1970年代初期在整體式斯特林制冷機的研究基礎(chǔ)上發(fā)明了分置式斯特林制冷機，將壓縮機與排出器完全獨立地分開布置，在兩者之間通過細(xì)管子相連接，以避免或減少壓縮機的振動對冷頭的影響，使被冷卻的器件遠(yuǎn)離振動源。早期的分置式斯特林制冷機是由旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動、具有曲柄連桿機構(gòu)的壓縮機。為避免工質(zhì)氣體被油潤滑污染，采用了密閉的球軸承或干磨擦材料軸承。但是，這種機器由回轉(zhuǎn)運動引起的側(cè)向分力會將活塞推向氣缸壁，引起磨擦和磨損，限制了機器的壽命。因此，由旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動曲柄連桿的傳動發(fā)展為直線電機驅(qū)動，進(jìn)而采用雙活塞對置直線驅(qū)動，使壓縮機動子的動量得到了平衡，不但減少了運動部件，簡化了結(jié)構(gòu)，而且大幅度減小了振動和噪音，延長了壽命。在分置式斯特林制冷機中，排出器可以通過單獨的直線電機驅(qū)動，同時采用復(fù)雜的電控系統(tǒng)來精確控制壓縮活塞和排出器之間運動的相位差。但是，為了簡化結(jié)構(gòu)，提高可靠性，一般都是采用氣動型膨脹機。排出器由壓縮機產(chǎn)生的周期性壓力波所驅(qū)動，排出器及其支承彈簧組成一個受迫振動系統(tǒng)，產(chǎn)生的阻尼力能產(chǎn)生合適的相位差，使排出器的運動比壓縮活塞運動總是超前一個相位角，從而產(chǎn)生有效的制冷效應(yīng)。

目前分置式斯特林制冷機的熱力膨脹結(jié)構(gòu)多采用柔性軸承支撐的氣動結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，蓄冷器2和排出器8采用一體式布置，通過導(dǎo)向連桿5被柔性軸承6支撐并置于薄壁管1中，并形成狹縫密封7，狹縫密封7的寬度通常為0.005毫米至0.02毫米。工質(zhì)氣體經(jīng)過進(jìn)氣通道4，再進(jìn)入熱端死容積3，然后進(jìn)入蓄冷器8，最后進(jìn)入膨脹腔10。由于排出器需要上下移動，熱端死容積3就無法避免，由于熱端死容積3的存在，降低了分置式斯特林制冷機的整機性能。在該結(jié)構(gòu)中，為了減少從熱端死容積3直接進(jìn)入膨脹腔10的工質(zhì)氣體，必須采用狹縫密封7結(jié)構(gòu)，對薄壁管1、排出器8、導(dǎo)向連桿5的材料處理、加工和裝配要求非常高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服目前分置式斯特林制冷機中熱力膨脹結(jié)構(gòu)的熱端死容積大和機械加工精度要求高的問題，提出一種新型斯特林循環(huán)熱力膨脹機構(gòu)。

本發(fā)明新型斯特林循環(huán)熱力膨脹機構(gòu)包括薄壁管、蓄冷器、進(jìn)氣通道、導(dǎo)向連桿、柔性軸承、排出器、熱端調(diào)相腔、連接氣道以及膨脹腔，工質(zhì)氣體經(jīng)進(jìn)氣通道和連接氣道直接進(jìn)入蓄冷器，再進(jìn)入膨脹腔。膨脹腔內(nèi)的工質(zhì)氣體可以經(jīng)過排出器和薄壁管間的間隙進(jìn)入熱端調(diào)相腔，由于熱端調(diào)相腔與進(jìn)氣端無任何連接，隨著從膨脹腔過來的工質(zhì)氣體總量的增加，熱端調(diào)相腔內(nèi)壓力升高，具有自動調(diào)節(jié)來流工質(zhì)氣體壓力波和質(zhì)量波的功能，從而調(diào)節(jié)膨脹腔內(nèi)工質(zhì)氣體質(zhì)量波和壓力波的相位，提高膨脹效率。該新型結(jié)構(gòu)對排出器和薄壁管之間的間隙不再要求密封功能，大大降低了機械加工的難度。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：(1)結(jié)構(gòu)中避免了熱端死容積，工質(zhì)氣體經(jīng)過進(jìn)氣通道和連接氣道直接進(jìn)入蓄冷器，提高了整機效率；(2)由于工質(zhì)氣體經(jīng)過進(jìn)氣通道和連接氣道直接進(jìn)入蓄冷器，避免了工質(zhì)氣體不經(jīng)蓄冷器直接從薄壁管和排除器之間的間隙進(jìn)入膨脹腔，提高分置式斯特林制冷機整機效率的同時，避免了薄壁管和排除器之間的狹縫密封；(3)薄壁管和排除器之間的間隙與調(diào)相膨脹腔組成一個主動調(diào)相結(jié)構(gòu)，優(yōu)化膨脹腔內(nèi)壓力波和質(zhì)量波的相位關(guān)系，提高整機效率。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有斯特林循環(huán)熱力膨脹機構(gòu)示意圖