CN1959298A - 一种可作为低温冰箱冷源的斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

一种可用于低温冰箱冷源的整体式自由活塞型斯特林制冷机，属于制冷与低温技术领域。特点是：压缩腔和膨胀腔同轴布置，膨胀活塞杆穿过压缩活塞；压缩活塞和膨胀活塞为板弹簧支撑，活塞与气缸壁为间隙密封结构；压缩驱动电机为动磁式直线电机，膨胀机部分无电机，膨胀活塞为气动力驱动；热端强化散热器为线切割的紫铜环；冷端强化换热器内置线切割紫铜环，该紫铜环与冷头内壁为过盈配合；蓄冷器为环形结构，有导流片和封头与内外套形成环形蓄冷器组件，并内置层叠的环形金属丝网；在膨胀活塞下止点位置的膨胀气缸壁上开有均布的有倾斜度小孔，氦气通过小孔进出压缩腔。本发明优点是：结构紧凑、制冷效率高和量大且可靠。

Description

一种可作为低温冰箱冷源的斯特林制冷机

技术领域：

本发明涉及一种斯特林制冷机，具体是指可用于低温冰箱冷源的整体式自由活塞型斯特林制冷机。

背景技术：

目前，市场对高效率、低成本、高可靠性和使用方便的低温冰箱需求越来越迫切。但现有的很多技术只是对传统的蒸汽压缩节流制冷冰箱系统的进一步改进，其作用是有限的，在消除对臭氧层的破坏与提高制冷效率方面往往不能兼顾。因而有必要寻求一种新的制冷循环技术，使用斯特林制冷循环作为现有蒸汽节流复叠低温冰箱的替代技术将是一种质的突破。

斯特林制冷机采用气体膨胀制冷的闭式循环，由压缩单元与膨胀单元无阀连通而成。采用氦气作为制冷工质，不会对臭氧层产生破坏，是一种极其环保的制冷技术；理想斯特林制冷循环效率等于卡诺效率，相对来说，在低温制冷工况下采用斯特林制冷技术具有更高的制冷效率；整体式自由活塞斯特林制冷机没有复杂的管路系统，压缩机和膨胀机集成在一起，具有结构紧凑的特点。斯特林制冷机还有控温精度高，满负荷和局部负荷下都具有较高的效率，而且，通过调节输入电压即可控制制冷量和制冷温度。

本发明所提出斯特林制冷机结构是直线电机驱动的整体式纯气动β型制冷机，一般称为整体式自由活塞斯特林制冷机，该制冷机具有制冷量大、无油润滑、结构紧凑、可靠性好的特点。

中国专利CN98218736.X和美国专利US6546738B2公开了采用曲柄连杆机构驱动的整体式斯特林制冷机，其缺点是必须采用油润滑，虽然通过选用特使密封材料，也不能保证润滑油不给制冷工质(氦气)带来污染，长期运行会恶化整机性能，制冷量不断降低。中国专利CN1677018公开了一种采用弹性膜的油润滑压缩机驱动斯特林制冷系统，其缺点是弹性膜片的设计制造技术很难解决，而且弹性膜片的交变运动会产生疲劳破坏，很难保证整个制冷机的长寿命运行。专利CN1426522A和US 6327862B1公开了可用于低温超导滤波器的小型斯特林制冷机，其特点是蓄冷器集成到排出器内，制冷温度为液氮温区，其冷头较小，整机的制冷量小。这种斯特林制冷机结构不适合用于低温冰箱冷源。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种可用于低温冰箱冷源的大冷量斯特林制冷机。要求该斯特林制冷机结构紧凑，无油润滑，制冷量大，可靠性好。

本发明的斯特林制冷机采用的关键技术有：动磁型直线电机，环形蓄冷器，热端强化散热器，冷端强化换热器，板弹簧支撑的间隙动密封结构，压缩活塞和排出器的同轴布置结构。

在小型斯特林制冷机中，一般采用动圈型直线电机，动圈型直线电机推力较小，线圈散热难度大，引线易折断。在本发明的斯特林制冷机中采用的动磁型直线电机具有推力大，引线方便固定，线圈散热容易的特点。

对大冷量斯特林制冷机，由于丝网质量较大，故蓄冷丝网不适合集成在排出器中。在本发明中采用了环形蓄冷器结构，环形蓄冷器组件安装在膨胀气缸外侧。

大冷量斯特林制冷机的热端散热量较大，因此需要设计紧凑高效的热端强化散热器。热端强化散热器体为线切割的紫铜环，氦气在内肋的通道交变流动，通过线切割产生的狭缝通道极大的提高了热端的换热面积。

由于用于低温冰箱的斯特林制冷机制冷量较大，为了减小冷端的传热损失，设置了冷端强化换热器，这是一个线切割的紫铜环，其内环面为线切割的内肋，以增大冷端氦气的换热面积，外环面与冷头过盈配合以减小接触热阻。

润滑油对蓄冷器的污染将使斯特林制冷机的性能急剧下降，在本发明中，活塞与气缸的配合采用板弹簧支撑的间隙动密封。活塞采用硬铝制作，其外套为聚四氟乙烯材料，气缸套为不锈钢制造。保证气缸与活塞的单边间隙为10μm～15μm。

排出器采用渗杂玻璃粉的聚酰亚胺材料制作，该种材料具有质量轻，热膨胀系数小，强度高，自润滑性能好的特点。排出器与不锈钢制作的膨胀气缸同样采用板弹簧支撑的间隙动密封结构，并保证膨胀气缸与排出器的单边间隙为10μm～15μm。

本发明中，压缩活塞和排出器的采用同轴布置。排出器杆穿过压缩活塞内孔，排出器杆外套有自润滑的聚四氟乙烯套，并与压缩活塞内孔保持间隙密封，保证排出器杆与压缩活塞内孔的单边间隙为10μm～15μm。为了保证排出器与压缩活塞同轴，排出器杆与排出器的同轴度要达到10μm以内。

本发明具有结构紧凑、制冷效率高、制冷量大和可靠性好的优点。

附图说明：

图1为本发明的大冷量斯特林制冷机结构图；

图2为本发明的环形蓄冷器图；

图3为本发明的冷端强化换热器图；

图4为本发明的膨胀机气缸体图；

图5为本发明的膨胀机外壳组件图。

具体实施方式：

为更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的具体实施方式作细说明：

由图1，以机座16为分隔，下半部分为压缩机结构，上半部分为膨胀机机构。压缩机由电机、板弹簧、活塞体、弹簧支架、压缩机后盖等组成。

动磁直线电机由动子19，定子23，线圈18，内磁极22构成。定子23通过长螺钉44固定在机座16上。线圈18置于定子23内，内磁极22通过螺钉45固定于机座16上，动子19通过压缩活塞托架24与压缩活塞14联接。压缩机板弹簧支架34通过螺钉43固定于电机定子23，膨胀机板弹簧支架29通过螺钉33固定在压缩机板弹簧支架34。压缩机板弹簧26内圆通过螺钉36与压缩活塞托架24联接，压缩机板弹簧26外圆通过螺钉27固定于压缩弹簧支架34。排出器杆21通过压缩活塞14的内孔伸入，排出器杆21的头部通过螺母32与膨胀机板弹簧30内孔联接，膨胀机板弹簧30的外圆固定于膨胀机板弹簧支架29。压缩机后盖40通过螺钉17固定于机座16上，并通过橡胶垫圈46密封。在压缩机后盖40上有2个接口，一个是充放氦气接口39，一个是电机引线出口38。

膨胀机部分主要由环形蓄冷器、热端散热器、冷端换热器、排出器组件、膨胀气缸体等组成。排出器体5在膨胀气缸41内往复运动，压缩腔15内的氦气通过斜孔12进入热端散热器狭缝通道9，之后进入环形蓄冷器3，再通过冷端强化换热器4进入膨胀腔1，从而达到膨胀制冷效果，制冷量通过冷头2传递出去。

排出器组件，主要由排出器体5，排出器盖6，排出器杆21以及预紧螺母8组成。为了考虑质量和强度因素，排出器杆采用钛合金制造，排出器体5和排出器盖6采用渗玻璃粉的聚酰亚胺制造，排出器体5中间为空腔，以减轻排出器的质量。

热端散热器组件主要由线切割紫铜环9，紫铜外套44以及外铝翅片10组成。氦气在线切割紫铜环9的狭缝通道内流动，最后热量通过紫铜外套44及外铝翅片10向外散热。

图3为冷端强化换热器4的放大图。

环形蓄冷器组件如图2所示，主要由导流片01、环形丝网02、外套03、下封头04、内套05、上封头06、氦气通道09构成。

膨胀气缸体如图4所示，包括斜孔通道51、膨胀气缸薄壁件52、环形蓄冷器安装台阶53、热端散热器体安装台阶54、膨胀气缸顶部55。斜孔通道51位于排出器的下止点和压缩活塞的上止点位置，另一端位于热端散热器氦气通道的入口位置处。膨胀气缸薄壁件52的厚度为0.4mm，环形蓄冷器安装台阶53的作用在于固定环形蓄冷器的位置，热端散热器体安装台阶54的作用在于通过热端散热器压紧膨胀气缸体，膨胀气缸顶部55必须保证不与冷头接触，且与冷头2之间保证有0.5mm～1mm的间隙，使得氦气可以交变的进出膨胀腔1。

冷头与热端散热器通过外薄壁件的银焊而成为一个组件如图5所示，外薄壁件73通过A焊接与冷头71连接，外薄壁件73通过B焊接与热端散热器74连接。

本发明的斯特林制冷机的安装过程如下：

1安装直线电机，并固定直线电机于机座上；

2安装压缩活塞组件；

3安装压缩弹簧支架，装配入压缩机板弹簧；

4安装膨胀机板弹簧支架；

5安装膨胀机气缸；

6安装排出器组件；

7安装环形蓄冷器；

8安装冷头及热端散热器组件；

9安装膨胀机板弹簧；

10安装压缩机后盖，焊接电机引线，安装充气口。

Claims (8)

1、一种用于低温冰箱的整体式自由活塞型斯斯特林制冷机，包括直线压缩机，气动膨胀机，以及环形蓄冷器，热端散热器和冷端换热器，其特征在于：压缩腔和膨胀腔同轴布置，膨胀活塞杆穿过压缩活塞；压缩活塞和膨胀活塞采用板弹簧支撑，活塞与气缸壁采用间隙密封结构；压缩机的驱动电机采用动磁式直线电机，膨胀活塞完全采用气动力驱动，膨胀机部分无电机；热端散热器采用线切割的紫铜环；冷端换热器内置一个线切割的紫铜环，该紫铜环与冷头内壁采用过盈配合；蓄冷器采用环形结构，有导流片和封头与内外套形成一个环形蓄冷器组件，并内置层叠的环形金属丝网；在膨胀活塞下止点位置的膨胀气缸壁上开有均布的有倾斜度小孔，氦气通过所说小孔进出压缩腔。

2、根据权利要求1所述的整体式自由活塞型斯斯特林制冷机，其特征在于：直线电机采用动磁型结构。

3、根据权利要求1所述的整体式自由活塞型斯斯特林制冷机，其特征在于：压缩腔和膨胀腔同轴布置；膨胀活塞杆穿过压缩活塞内孔，并采用间隙动密封结构。

4、根据权利要求1所述的整体式自由活塞型斯特林制冷机，其特征在于：蓄冷器采用环形结构，并布置在膨胀气缸的外侧；该环形蓄冷器主要由内套、外套、封头、导流片及层叠环形金属丝网组成。

5、根据权利要求1所述的整体式自由活塞型斯斯特林制冷机，其特征在于：热端散热器包括紫铜内肋体、不锈钢内套和外铝翅片，其中：紫铜内肋体由紫铜管通过线切割在其内壁形成纵向槽道构成；不锈钢内套与内肋体内壁过盈配合，且与纵向槽道形成密封的长条形狭缝氦气流道，外铝翅片通过焊接薄铝片纵向均匀排列在紫铜内肋体的外圆周面上。

6、根据权利要求1所述的整体式自由活塞型斯斯特林制冷机，其特征在于：冷头内设有线切割的紫铜环结构冷端强化换热器，扩大冷头换热面积，强化冷端的冷量输出。

7、根据权利要求1所述的整体式自由活塞型斯斯特林制冷机，其特征在于：压缩活塞和膨胀活塞都采用板弹簧支撑，活塞与气缸壁均采用间隙动密封结构。

8、根据权利要求1所述的整体式自由活塞型斯斯特林制冷机，其特征在于：在膨胀活塞下止点位置的气缸壁上开有均布的有倾斜度小孔，氦气通过所述小孔进出压缩腔。

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