CN103629841B - 一种新型斯特林循环热力膨胀机构 - Google Patents

Abstract

一种新型斯特林循环热力膨胀机构，包括薄壁管、蓄冷器、进气通道、导向连杆、柔性轴承、排出器、热端调相腔、连接气道以及膨胀腔。工质气体经过进气通道和连接气道直接进入蓄冷器，避免了热端死容积，同时也避免了高温来气通过排出器和薄壁管之间的间隙进入膨胀腔。新型斯特林循环热力膨胀机构的优点在于避免了热端死容积，提高了膨胀效率，降低了排除器和薄壁管之间间隙的密封要求，与热端调相腔形成主动调相结构，优化膨胀腔内质量波和压力波的相位关系，提高分置式斯特林制冷机的整机效率。

Description

一种新型斯特林循环热力膨胀机构

技术领域

本发明涉及低温制冷机，特别是分置式斯特林制冷机，具体为一种新型的斯特林热力膨胀机构。

技术背景

1816年苏格兰人斯特林(O.R.Stirling)提出一个由两个等温过程与两个等容过程组成的热力循环的专利，称为斯特林循环。该循环最初用于热力发动机，系统中的工质气体在不同温位下被不断压缩和膨胀，最后输出功。1834年，J.Hershel试用逆斯特林循环来制冰，1860年Kirk利用逆斯特林循环制冷获得成功。这种采用逆斯特林循环制冷的机器通常称为斯特林制冷机，其中的回热过程变成蓄冷过程，回热器也被称之为蓄冷器。大约100年之后，荷兰菲利浦实验室在1954年首次制成实用的微型斯特林循环低温制冷机。

斯特林制冷机有整体式和分置式两种结构。整体式斯特林制冷机将压缩部分与膨胀制冷部分制成一体，其压缩活塞与排出器通过曲柄连杆机构将电机的旋转运动变为活塞的直线运动，工质在压缩空间、蓄冷器(回热器)和膨胀空间等部分来回交替流动，而工质气体质量不变，构成闭式循环。斯特林循环的机器内没有阀门，内部不可逆损失小，因此效率高、结构紧凑、体积小、重量轻，但由于机器的旋转运动导致振动大、噪音大、寿命短等缺陷。

美国在1970年代初期在整体式斯特林制冷机的研究基础上发明了分置式斯特林制冷机，将压缩机与排出器完全独立地分开布置，在两者之间通过细管子相连接，以避免或减少压缩机的振动对冷头的影响，使被冷却的器件远离振动源。早期的分置式斯特林制冷机是由旋转电机驱动、具有曲柄连杆机构的压缩机。为避免工质气体被油润滑污染，采用了密闭的球轴承或干磨擦材料轴承。但是，这种机器由回转运动引起的侧向分力会将活塞推向气缸壁，引起磨擦和磨损，限制了机器的寿命。因此，由旋转电机驱动曲柄连杆的传动发展为直线电机驱动，进而采用双活塞对置直线驱动，使压缩机动子的动量得到了平衡，不但减少了运动部件，简化了结构，而且大幅度减小了振动和噪音，延长了寿命。在分置式斯特林制冷机中，排出器可以通过单独的直线电机驱动，同时采用复杂的电控系统来精确控制压缩活塞和排出器之间运动的相位差。但是，为了简化结构，提高可靠性，一般都是采用气动型膨胀机。排出器由压缩机产生的周期性压力波所驱动，排出器及其支承弹簧组成一个受迫振动系统，产生的阻尼力能产生合适的相位差，使排出器的运动比压缩活塞运动总是超前一个相位角，从而产生有效的制冷效应。

目前分置式斯特林制冷机的热力膨胀结构多采用柔性轴承支撑的气动结构(如图1所示)，蓄冷器2和排出器8采用一体式布置，通过导向连杆5被柔性轴承6支撑并置于薄壁管1中，并形成狭缝密封7，狭缝密封7的宽度通常为0.005毫米至0.02毫米。工质气体经过进气通道4，再进入热端死容积3，然后进入蓄冷器8，最后进入膨胀腔10。由于排出器需要上下移动，热端死容积3就无法避免，由于热端死容积3的存在，降低了分置式斯特林制冷机的整机性能。在该结构中，为了减少从热端死容积3直接进入膨胀腔10的工质气体，必须采用狭缝密封7结构，对薄壁管1、排出器8、导向连杆5的材料处理、加工和装配要求非常高。

发明内容

本发明的目的是克服目前分置式斯特林制冷机中热力膨胀结构的热端死容积大和机械加工精度要求高的问题，提出一种新型斯特林循环热力膨胀机构。

本发明新型斯特林循环热力膨胀机构包括薄壁管、蓄冷器、进气通道、导向连杆、柔性轴承、排出器、热端调相腔、连接气道以及膨胀腔，工质气体经进气通道和连接气道直接进入蓄冷器，再进入膨胀腔。膨胀腔内的工质气体可以经过排出器和薄壁管间的间隙进入热端调相腔，由于热端调相腔与进气端无任何连接，随着从膨胀腔过来的工质气体总量的增加，热端调相腔内压力升高，具有自动调节来流工质气体压力波和质量波的功能，从而调节膨胀腔内工质气体质量波和压力波的相位，提高膨胀效率。该新型结构对排出器和薄壁管之间的间隙不再要求密封功能，大大降低了机械加工的难度。

本发明的优点在于：(1)结构中避免了热端死容积，工质气体经过进气通道和连接气道直接进入蓄冷器，提高了整机效率；(2)由于工质气体经过进气通道和连接气道直接进入蓄冷器，避免了工质气体不经蓄冷器直接从薄壁管和排除器之间的间隙进入膨胀腔，提高分置式斯特林制冷机整机效率的同时，避免了薄壁管和排除器之间的狭缝密封；(3)薄壁管和排除器之间的间隙与调相膨胀腔组成一个主动调相结构，优化膨胀腔内压力波和质量波的相位关系，提高整机效率。

附图说明

图1是现有斯特林循环热力膨胀机构示意图

图2是本发明的斯特林循环热力膨胀机构示意图

图中符号说明：1-薄壁管；2-蓄冷器；3-热端死容积；4-进气通道；5-导向连杆；6-柔性轴承；7-狭缝密封；8-排出器；9-连接气道；10-膨胀腔；11-热端调相腔。

具体实施方式

如图2所示，本发明的斯特林循环热力膨胀机构主要包括薄壁管1、蓄冷器2、进气通道4、导向连杆5、柔性轴承6、排出器8、连接气道9、膨胀腔10以及热端调相腔11，蓄冷器2与排出器8采用一体式布置，连接气道9置于导向连杆5的中部，排出器通过导向连杆5被柔性轴承6支撑，自由悬浮在薄壁管1中，排出器8与薄壁管1中间有一定的间隙，但是不形成狭缝密封。

工质气体经过进气通道4和连接气道9直接进入蓄冷器2，再进入膨胀腔10，由于工质气体流经蓄冷器8时会产生压力差，膨胀腔10内的工质气体与热端调相腔11内的工质气体也存在压力差，导向连杆5两侧工质气体也存在压力差，这些压力差共同驱动排出器8在薄壁管1内浮动。

工质气体经过进气通道4和连接气道9直接进入蓄冷器2，避免了目前分置式斯特林制冷机膨胀结构中的热端死容积3以及排出器8和薄壁管1之间的狭缝密封。排出器8和薄壁管1之间的间隙连接膨胀腔10与热端调相腔11，并与热端调相腔11形成主动调相结构，调节膨胀腔10内的压力波和质量波相位关系，提高膨胀效率。

Claims (3)

1.一种新型斯特林循环热力膨胀机构，其特征在于包括薄壁管（1）、蓄冷器（2）、进气通道（4）、导向连杆（5）、柔性轴承（6）、排出器（8）、连接气道（9）、膨胀腔（10）以及热端调相腔（11），蓄冷器（2）与排出器（8）采用一体式布置，连接气道（9）置于导向连杆（5）的中部，排出器通过导向连杆（5）被柔性轴承（6）支撑，自由悬浮在薄壁管（1）中，排出器（8）与薄壁管（1）中间有一定的间隙，但是不形成狭缝密封，该间隙连接膨胀腔（10）与热端调相腔（11）。

2.根据权利要求1所述的一种新型斯特林循环热力膨胀机构，其特征在于：工质气体经过进气通道（4）和连接气道（9）直接进入蓄冷器（2），再进入膨胀腔（10）。

3.根据权利要求1所述的一种新型斯特林循环热力膨胀机构，其特征在于：排出器（8）与薄壁管（1）中间的间隙与热端调相腔（11）形成主动调相结构。