CN107407509A - 通过可变形导管进行流体输送的斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在斯特林循环下操作的类型的制冷机(10)，该制冷机包括：‑外壳(12)，包括压缩缸(20)和回热缸(26)；‑压缩活塞(46)和回热活塞(50)，可在压缩缸的内部和在回热缸的内部平移地运动；‑驱动曲轴(36)，包括旋转曲柄销(40)；以及‑两个连杆(42，44)，耦接到压缩活塞和回热活塞，所述连杆耦接到旋转曲柄销；‑以及流体循环导管(60)，连接压缩缸和回热缸。流体循环导管的一端(64)布置在回热活塞上；以及所述流体循环导管包括根据压缩活塞和/或回热活塞的位移是可变形的管(66)。

Description

通过可变形导管进行流体输送的斯特林制冷机

技术领域

本发明涉及一种根据斯特林循环操作的类型的制冷机，该制冷机包括：外壳，限定填充有流体的内部容积，所述外壳包括压缩缸和回热缸；可运动的压缩活塞，可在压缩缸中以平移运动来运动；可运动的回热活塞，可在回热缸中以平移运动来运动；外壳、压缩活塞以及回热活塞分别限定压缩腔、回热腔以及设置在压缩活塞和回热活塞之间的参考腔；驱动曲轴，包括可相对于外壳旋转的旋转曲柄销；以及耦接到压缩活塞的压缩连杆和耦接到回热活塞的回热连杆，所述连杆是刚性的，所述连杆额外耦接到旋转曲柄销；旋转曲柄销、压缩连杆以及回热连杆设置在参考腔中；制冷机进一步包括用于使流体循环的流体流动导管，所述导管的第一端向外通往压缩腔，所述导管的第二端向外通往回热腔。

背景技术

这种制冷机具体地在文献US3851173中描述。

按照已知的方式，理想的斯特林循环包括如下四个阶段：

-处于高温的流体的等温压缩，该等温压缩通过压缩活塞在压缩缸中移动而获得；

-流体从高温到低温的等容冷却，该等容冷却通过使流体穿过回热活塞而获得，所述活塞在回热缸内运动并起到热交换器的作用；

-处于低温的流体的等温膨胀，该等温膨胀通过使压缩活塞在压缩缸中返回而获得；以及

-流体从低温到高温的等容加热，该等容加热通过使回热活塞在回热缸中返回而获得。

按照已知的方式，在上述类型的制冷机中，压缩缸和回热缸之间的流体通道通过行进穿过外壳和回热活塞的刚性管来确保。回热缸和在所述缸内滑动的活塞之间的间隙必须足够小，以迫使流体最小损失地穿过热交换器。

然而，对于部件来说，适合于这种类型的小间隙、例如“间隙密封”类型的适用技术导致各种约束、高的生产成本以及有限的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种装置，该装置确保压缩缸和回热缸之间的流体通道，同时减少约束和与之相关的成本。

为此，本发明的目标涉及上述类型的制冷机，其中，流体流动导管的第二端设置在回热活塞上；以及所述流体流动导管包括根据压缩活塞和/或回热活塞的运动变形的柔性可变形管，所述可变形管设置在参考腔中。

根据本发明的其他有利的方面，制冷机包括单独地或根据所有可能的技术组合来考虑的如下特有特征中的一个或多个：

-流体流动导管的第一端对应于形成在外壳中、位于压缩腔和参考腔之间的孔的一端，可变形管使所述孔延伸；

-流体流动导管的第一端对应于可变形管的一端且设置在压缩活塞上；

-第一连杆通过铰接接头连接到压缩活塞；

-第一连杆以固定的方式安装在压缩活塞上；压缩活塞包括弯曲边缘，该弯曲边缘弯曲的方式使得当与压缩缸接触时，能够在包括所述活塞的运动轴线的平面中振动；以及流体流动导管的第一端对应于形成在压缩活塞和第一连杆中、位于压缩腔和参考腔之间的孔的一端，可变形管使所述孔延伸；

-可变形管是柔性管；

-可变形管由通过至少两个柔性区域分开的刚性区段形成。

附图说明

通过阅读以下仅仅通过非限制性示例的方式提供且参考附图作出的描述，将更好地理解本发明，在附图中：

-图1是根据本发明的第一实施例的制冷机的剖视图；

-图2是根据本发明的第二实施例的制冷机的剖视图；以及

-图3是根据本发明的第三实施例的制冷机的剖视图。

具体实施方式

图1表示根据本发明的第一实施例的装置10的剖视图。装置10是根据斯特林循环操作的制冷机。装置10包括外壳12。所述外壳12具体地包括本体14和低温恒温槽16，本体14和低温恒温槽16彼此装配且一起限定位于外壳内的内部容积18。内部容积18优选地填充有高纯度气体，例如氦气。

在说明书的以下章节中，考虑标准正交基(X，Y，Z)。

外壳的本体14具体地限定第一内壁20，第一内壁20具有圆筒形式、沿着平行于Z的第一轴线22设置。所述内壁20被称为压缩缸。外壳12还进一步包括装配到本体14上的法兰24。法兰24关闭位于压缩缸20的第一轴向端的孔。

低温恒温槽16限定第二内壁26，第二内壁26具有圆筒形式、沿着相对于第一轴线22倾斜的第二轴线28设置。在图1中表示的示例中，第二轴线28平行于X，也就是说，垂直于第一轴线22。第二轴线28基本上与第一轴线22共面。

第二内壁26被称为回热缸。回热缸26的被称为冷端的第一轴向端30被关闭。按照传统的方式，冷端30与将通过装置10冷却的元件31例如电子元件接触。

压缩缸20的第二轴向端和回热缸26的第二轴向端与外壳12的中心空间32连通。中心空间32基本上是圆筒形的、沿着平行于Y的第三轴线34设置。优选地，第三轴线34穿过第一轴线22和第二轴线28的交点，或位于所述交点附近。

中心空间32容纳连接到马达(未示出)的曲轴系统36。曲轴36包括沿着第三轴线34设置的马达轴。偏心曲柄销40以固定的方式安装在马达轴上。曲柄销40耦接到第一连杆42和第二连杆44，所述第一连杆42和第二连杆44基本上设置在包含第一轴线22和第二轴线28的平面(X，Z)内。根据一个变形，第一连杆42和第二连杆44设置在与包含第一轴线22和第二轴线28的平面平行的平面中。

第一连杆42是刚性件、通过轴承43安装到曲柄销40上。铰接接头45将所述第一连杆42连接到被称为压缩活塞的第一活塞46。压缩活塞46可沿着第一轴线22在压缩缸20中以平移运动来运动，压缩缸20在活塞46的运动期间引导活塞46。优选地，压缩缸20和中心空间32之间的泄漏尽可能小，以确保和维持装置10中良好的性能水平。

在本说明书中，术语“压缩活塞”还可适合于压缩膜。

压缩活塞46限定压缩腔48，压缩腔48位于压缩缸20中、在法兰24和所述压缩活塞46之间。压缩腔48具有基于活塞46的运动改变的可变容积。

第二连杆44是刚性件，其第一端以铰接的方式接合在第一连杆42的指状件49上，其第二端以铰接的方式接合在被称为回热活塞的第二活塞50上。回热活塞50可沿着第二轴线28在回热缸26中以平移运动来运动。

回热活塞50包括底座52，底座52以铰接的方式接合在第二连杆44上。活塞50还进一步包括管道54，管道54在回热缸26中从底座52沿着朝向冷端30的方向延伸。典型地，管道54的内部填塞有多孔材料(未示出)，多孔材料能够与通过压缩活塞48的运动而穿过多孔材料的流体进行热交换。多孔材料例如由一堆金属网形成。

回热活塞50和回热缸26之间的间隙可大于压缩活塞46和压缩缸20之间的间隙。

回热活塞50限定回热腔或膨胀腔56，回热腔或膨胀腔56位于回热缸26中、在冷端30和所述回热活塞50之间。回热腔56具有基于活塞50的运动改变的可变容积。

压缩活塞46和回热活塞50还限定压力参考腔58，在压力参考腔58内设置曲轴系统36和连杆42、44。中心空间32具体地包括在参考腔58中。所述腔58具有基于活塞46、50的运动改变的可变容积。

装置10进一步包括用于使流体循环的流体流动导管60，流体流动导管60在压缩腔48和回热腔56之间提供气动连接。更确切地说，导管60的第一端62向外通往压缩腔48，导管60的第二端64向外通往回热活塞50的底座52。

第二端64由穿过活塞50的底座52的、轴向的或平行于X的入口形成。第二端64连接到设置在参考腔58中的管66。

从第二端64，管66绕过曲轴36的旋转轴线34并连接到孔68，孔68形成在外壳12中、基本上平行于压缩缸20。孔68向外通往位于导管60的第一端62的水平面处的压缩腔48。

管66根据回热活塞50的运动是可变形的。在图1中表示的示例性实施例中，管66是柔性管，例如，由可以或可以不增强的塑性材料制成的管。根据一个变形的实施例(未示出)，管66由通过至少两个柔性区域分开的刚性区段形成。

图2表示根据本发明的第二实施例的装置110的剖视图。装置110是根据斯特林循环操作的制冷机，与图1中示出的装置10类似。在说明书的以下章节中，装置10和110共有的元件由相同的参考数字指示。

本文中在上面提供的装置10的描述适合于装置110，除了在压缩腔48和回热腔56之间用于使流体循环的流体流动导管60的特有特征之外。

更确切地说，按照与装置10类似的方式，装置110的导管60具有第二端64，第二端64通过回热活塞50的底座52中的轴向入口而向外通往回热腔56。

另一方面，装置110的导管60具有向外通往压缩腔48的第一端162。与装置10的第一端62相比，第一端162未形成在外壳12中。第一端162由压缩活塞46中的、轴向的或平行于Z的入口形成。

装置110的导管60的第一端162和第二端64对应于设置在参考腔58中且连接到回热活塞50和压缩活塞46的管166的端部。

如同装置10的管66的情况，管166根据回热活塞50和压缩活塞46的运动是可变形的。在图2中表示的示例性实施例中，管166是柔性管；根据一个变形的实施例(未示出)，管166由通过至少两个柔性区域分开的刚性区段形成。

图3表示根据本发明的第三实施例的装置210的剖视图。装置210是根据斯特林循环操作的制冷机，与图1和图2中示出的装置10和110类似。在说明书的以下章节中，装置10、110和210共有的元件由相同的参考数字指示。

本文中在上面提供的装置10的描述适合于装置210，除了如下特有特征之外：

装置210包括可运动的压缩活塞246，压缩活塞246可在压缩缸20中以平移运动来运动。活塞246的径向边缘247在与所述缸20接触时，在穿过活塞246的运动的第一轴线22的平面中表示为凸截面。按照可选的方式，压缩缸20和活塞246的径向边缘247之间的密封通过由活塞支承的柔性径向密封(未示出)获得。活塞246例如与在文献US5231917中描述的活塞类似。

此外，装置210的曲轴系统36包括第一刚性连杆242。第一刚性连杆242的头部243耦接到曲轴36的偏心曲柄销40。第一连杆242的指状件245以固定的方式安装在压缩活塞246上。相反，在装置10、110的情况下，第一连杆42以铰接的方式接合在压缩活塞46上。

装置210包括在压缩腔48和回热腔56之间用于使流体循环的流体流动导管60。

按照与装置10和110类似的方式，装置210的导管60具有第二端64，第二端64通过回热活塞50的底座52中的轴向入口而向外通往回热腔56。第二端64连接到设置在参考腔58中的管66。

从第二端64，管66绕过曲轴36的旋转轴线并连接到孔268，孔268具体地形成在刚性连杆242和压缩活塞246的内部。孔268的第一端269向外通往位于连杆243的头部附近的参考腔58。孔268的第二端262形成活塞246中的轴向入口并向外通往压缩腔48。优选地，第二端262靠近压缩缸20的第一轴线22布置。

管66根据回热活塞50和压缩活塞46的运动是可变形的。在图3中示出的示例性实施例中，管166是柔性管；根据一个变形的实施例(未示出)，管166由通过至少两个柔性区域分开的刚性区段形成。

现在，根据本身已知的斯特林循环的步骤，将描述装置10、110和210的操作的操作方法。

偏心曲柄销40通过曲轴36的马达轴围绕轴线34被旋转地驱动。分别通过第一连杆42、242和第二连杆44，将曲柄销40的旋转转换成压缩活塞46沿着第一轴线22的往复直线运动和回热活塞50沿着第二轴线28的往复直线运动。活塞46、50的运动基本上是正弦类型的。活塞46、50的运动彼此具有大约90°的相位差，也就是说，当两个活塞46、50中的一个位于其行程的一端时，所述两个活塞中的另一个位于行程的中点。

例如，考虑到了压缩活塞46、246沿着第一轴线22沿着朝向法兰24的方向运动。在图1至图3中表示的构造中，压缩腔48几乎达到其最小容积。容纳在所述腔中的氦气达到最大压力幅度并被驱动穿过导管60进入回热活塞50。所述回热活塞因此随后在回热缸26中基本上位于行程的中点并沿着远离冷端30的方向运动。

氦气穿过活塞50的管道54并在与容纳于所述管道中的热交换器接触时被冷却。回热活塞50在回热缸26中继续其行程，一直到回热腔56的最大膨胀点。此外，压缩活塞46、246在压缩缸20内以增加压缩腔48的容积同时降低氦气的压力这种方式运动。回热活塞50的返回与压缩腔48的容积的继续膨胀相组合，导致氦气沿着相反的方向穿过管道54。氦气随后重新获得热量且温度升高，之后通过导管64、66返回压缩腔48。压缩活塞46、246继续其行程，一直到压缩腔48的最大膨胀点，之后沿着相反的方向回去以再次压缩流体并完成循环。

在装置210的特定情况下，曲柄销40的旋转运动传递到本身固定到压缩活塞246上的第一连杆242。所述活塞的凸边缘247能够在所述活塞沿着第一轴线22的行程期间，使得所述活塞246在保持与缸20的内壁接触的同时在平面(X，Z)中稍微振动。凸边缘247使得能够消除如针对装置10和110描述的、活塞46和连杆42之间的铰接接头45。

另外，导管60的可变形管66、166用于能够在不存在任何损失的情况下输送气体流。该特有特征使得在活塞50和回热缸26之间，间隙能够大于如在文献US3851173中描述的装置的间隙。另外，该特有特征使得能够消除复杂且庞大的机械部件，具体地减小低温恒温槽的长度。

根据本发明的诸如装置10、110、210的制冷机因此涉及便利的制造和维护操作。

根据本文中在上面描述的实施例的一个变形，导管60的第二端64由回热活塞50上的、径向的而非轴向的入口形成。

Claims (7)

1.一种根据斯特林循环操作的制冷机(10，110，210)，包括：

-外壳(12)，限定填充有流体的内部容积(18)，所述外壳包括压缩缸(20)和回热缸(26)；

-可运动的压缩活塞(46，246)，能够在所述压缩缸中以平移运动来运动；

-可运动的回热活塞(50)，能够在所述回热缸中以平移运动来运动；

所述外壳、所述压缩活塞以及所述回热活塞分别限定压缩腔(48)、回热腔(56)以及设置在所述压缩活塞和所述回热活塞之间的参考腔(58)；

-驱动曲轴(36)，包括能够相对于所述外壳旋转的旋转曲柄销(40)；以及

-耦接到所述压缩活塞的压缩连杆(42，242)和耦接到所述回热活塞的回热连杆(44)，所述连杆是刚性的，所述连杆额外耦接到所述旋转曲柄销；

所述旋转曲柄销、所述压缩连杆以及所述回热连杆设置在所述参考腔中；

所述制冷机进一步包括用于使流体循环的流体流动导管(60)，所述导管的第一端(62，162，262)向外通往所述压缩腔，所述导管的第二端(64)向外通往所述回热腔；

所述制冷机的特征在于：

-所述流体流动导管的所述第二端(64)设置在所述回热活塞(50)上；以及

-所述流体流动导管包括根据所述压缩活塞和/或所述回热活塞的运动变形的柔性可变形管(66，166)，所述可变形管设置在所述参考腔(58)中。

2.根据权利要求1所述的制冷机(10)，其中，所述流体流动导管的所述第一端(62)对应于形成在所述外壳中、位于所述压缩腔和所述参考腔之间的孔(68)的一端，所述可变形管(66)使所述孔延伸。

3.根据权利要求1所述的制冷机(110)，其中，所述流体流动导管的所述第一端(162)对应于所述可变形管(166)的一端且设置在所述压缩活塞(46)上。

4.根据前述权利要求中的一项所述的制冷机，其中，所述第一连杆(42)通过铰接接头(45)连接到所述压缩活塞(46)。

5.根据权利要求1所述的制冷机(210)，其中：

-所述第一连杆(242)以固定的方式安装在所述压缩活塞(246)上；

-所述压缩活塞包括弯曲边缘，所述弯曲边缘弯曲的方式使得当与所述压缩缸接触时，所述压缩活塞能够在包括所述活塞的运动轴线的平面中振动；以及

-所述流体流动导管的所述第一端(262)对应于形成在所述压缩活塞和所述第一连杆中、位于所述压缩腔和所述参考腔之间的孔(268)的一端，所述可变形管(66)使所述孔延伸。

6.根据前述权利要求中的一项所述的制冷机，其中，所述可变形管(66，166)是柔性管。

7.根据权利要求1至5中的一项所述的制冷机，其中，所述可变形管由通过至少两个柔性区域分开的刚性区段形成。