[發明專利]一種脈管型自由活塞斯特林制冷機及制冷方法

有效

• 申請號: 201810437352.1
• 申請日: 2018-05-09
• 公開（公告）號: CN108800643B
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 發明（設計）人: 陳曦;崔浩
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14
• 代理公司: 31204 上海德昭知識產權代理有限公司
• 代理人: 郁旦蓉;顏愛國

根據本發明的脈管型自由活塞斯特林制冷機及制冷方法，脈管型自由活塞斯特林制冷機，包括直線電機、壓縮單元、膨脹機單元以及機架。脈管型自由活塞斯特林制冷機的制冷方法，包括以下步驟：膨脹活塞從下止點開始向上運動至上止點；壓縮活塞運動至下止點；膨脹活塞將膨脹腔內的聲波推回至脈沖管中；工質氣體在脈沖管內膨脹吸熱，產生制冷效應；在脈沖管頂部靠近導流器處達到最低制冷溫度；產生的冷量通過冷端換熱器導出至用冷環境；聲波工質再沿原路徑返回回熱器內并與填料充分接觸換熱，吸收回熱器內的熱量后，重新返回壓縮腔等待下一次壓縮。

技術領域

本發明屬于制冷領域，具體涉及一種脈管型自由活塞斯特林制冷機及制冷方法。

背景技術

低溫制冷機制冷作為一種重要的獲取低溫的方法，其廣泛應用于航空、軍事、超導、通信、電子、冶金、工業氣體液化以及生物醫療等領域。特別是近年來，我國航天事業的蓬勃發展，使得低溫制冷機在航空航天的應用需求越來越明顯。

生命科學、空間材料科學實驗是空間科研的重要組成部分。據統計，2000年9月至2010年3月國際空間站科研實驗中與人體醫學、生物技術相關的實驗任務占據了全部研究活動的一半以上，我國載人航天任務實施之初，就針對空間生命科學、醫學相關科研工作需要，提出了空間低溫存儲裝置研制的需求?？臻g生命科學、空間材料科學等空間科學實驗研究在準備階段、中間過程和實驗結束后，都需要在空間站艙內溫度可控的低溫環境中保存實驗樣品。可以說，空間低溫冰箱已經成為了空間站的標準配置。目前，NASA在國際空間站(ISS)投入使用的冷藏冷凍設備中，主要制冷方式有熱電制冷、逆布雷頓制冷和斯特林循環制冷。

GLACIER(General Laboratory Active Cryogenic ISSExperimentRefrigerator)是NASA研制的第一臺可同時用于空間站及飛船兩個平臺的-80℃低溫存儲裝置，采用自由活塞斯特林制冷機制冷，在風模式下，可實現4℃至-95℃的制冷溫度；在水冷卻模式下，可實現4℃至-160℃的低溫存儲。為進一步提高在軌及上、下行過程中低溫存儲能力，NASA與阿拉巴馬大學伯明翰分校合作開發了單模塊單元尺寸(273x460x522mm)的低溫存儲產品Polar。該裝置同樣采用了自由活塞斯特林制冷機作為冷源，可實現-80℃低溫存儲及樣本運輸，最大保存容積為12.7L。

斯特林制冷機的理論制冷效率等于卡諾效率，其實際運行時的效率也是目前所有低溫制冷機中效率最高的一種。自由活塞斯特林制冷機結構由William Beale于20世紀60年代提出，其主要特征是采用直線壓縮機驅動、柔性彈簧支撐、間隙密封結合氣體軸承等技術，具有結構緊湊、噪音小、壽命長、可靠性高等優點。Sunpower公司開發的商業自由活塞斯特林制冷機在液氮溫區的最高相對卡諾效率已經突破20％，其子公司Stirling Ultracold公司(原Global Cooling公司)研制的低溫冰箱采用的就是自由活塞斯特林制冷機。2012，Stirling Ultracold公司比較了兩級復疊低溫冰箱和斯特林低溫冰箱，發現采用自由活塞斯特林制冷機的低溫冰箱在節能方面具有重大優勢，與傳統的低溫冰箱相比，斯特林低溫冰箱可節能超過50％。

由以上自由活塞斯特林制冷機的應用現狀可見，自由活塞斯特林制冷機具有較好的應用前景，在空間制冷應用方面尤其值得關注，針對低溫冰箱領域來說，其主要制冷溫區在120～200K之間，而目前國內外研究的低溫斯特林制冷機主要在液氮溫區附近。特別是國內科研機構，對中溫區(120K～200K)制冷的小型低溫機械制冷機的研究相對不足。

由于空間制冷對能耗有嚴格的要求，因此提高制冷機的效率一直就是空間制冷機的主流研究方向，目前主流的空間制冷機主要是斯特林制冷機和脈管制冷機，比較二者的理論制冷效率，從熱力學角度而言，同溫限工作下的脈管制冷機效率總是低于斯特林制冷機的。