CN109028702A - 一种新型斯特林风冷无霜冰箱及控温方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的新型斯特林风冷无霜冰箱及控温方法，风冷无霜冰箱包括冰箱箱体和制冷单元，制冷单元设置在冰箱箱体的上部，冷冻室和冷藏室设置在冰箱箱体的下部，制冷单元包括一台线性压缩机、两台分体式气动斯特林制冷机、供气管路、两个调节开关、两个冷端换热器以及两个导冷风机，线性压缩机通过两条供气管路分别与两台气动斯特林制冷机相连通，两台气动斯特林制冷机分别用于对冷冻室和冷藏室进行制冷，冷端换热器的一端与斯特林制冷机的冷头相连，另一端呈半圆形翅片状，导冷风机设置在冷端换热器旁，用于冷空气的流通，两个调节开关分别设置在两条供气管路上，用于调节两台气动斯特林制冷机的制冷量和制冷温度，从而控制冷冻室和冷藏室的温度。
Description
技术领域
本发明属于制冷领域，具体涉及一种使用单台线性压缩机驱动两台分体式斯特林制冷机的风冷无霜冰箱及控温方法。
背景技术
普通冰箱(温度高于-18℃)的冷冻功能逐渐无法满足人们对一些高档食品的冷冻要求，例如，为了使一些海鲜在储存过程中保持更好的口感，贮藏温度一般需要在-40℃以下。肉食品在普通冰箱保存时，7℃冷藏不能超过2日，0℃冷藏不能超过5日，-18℃冷冻时，时间也不能超过1个月。为了长时间的储存食品，冷冻温度越低，越可抑制微生物生长繁殖和酶的活性，营养流失比较小，保存鲜度越好。目前市场上的家用冰箱最低制冷温度一般为-18℃，传统的单级蒸汽压缩制冷很难-40℃的制冷温度，若采用两级压缩制冷又会使制冷机组体积过大，系统较复杂，且制冷效率不高(-40℃时COP约在1.1)。
斯特林制冷机在低温下效率较高COP(-40℃时COP约为1.5)，且具有体积小、质量轻、噪音低，制冷工质环保，寿命长等优点。因此，将斯特林制冷机应用于家用冰箱，可大幅降低冷藏温度，同时还能避免由氟利昂制冷剂带来的温室效应和臭氧层破坏等环境问题。
专利CN 106766502A提出了一种将分体式斯特林制冷机和脉动热管相结合的冰箱，该专利仅在一条供气支路上安装了流量调节阀，此种设计的缺点是很难同时对两台斯特林制冷机进行供气量调节。此外，在流量调节阀从全关转为全开(或部分开启)时，线性压缩机由原先仅驱动一台制冷机变为同时驱动两台制冷机，制冷系统内部的空容积显著增大，使得线性压缩机的气体弹簧刚度大幅下降，线性压缩机偏离最佳工作点较远，且与斯特林制冷机也无法达到最佳匹配，使得制冷效率下降明显。
发明内容
为了解决上述的由于线性压缩机与斯特林制冷机无法达到最佳匹配，使得制冷效率下降明显的问题，本专利在两条供气支路上各安装一个电磁阀，通过控制脉冲宽度决定阀的开闭间隔，使一个阀处于关闭状态时另一个阀为开启状态，换句话说，两台斯特林制冷机交替处于工作状态，避免出现线性压缩机同时驱动两台制冷机的情况，保证线性压缩机在最佳工作点下运行，对于每台制冷机也为最佳匹配，制冷效率较高。
本发明提供了一种新型斯特林风冷无霜冰箱，具有这样的特征，包括冰箱箱体，冰箱箱体具有冷冻室和冷藏室；以及制冷单元，其中，制冷单元设置在冰箱箱体的上部，冷冻室和冷藏室设置在冰箱箱体的下部，制冷单元包括一台线性压缩机、两台分体式气动斯特林制冷机、供气管路、两个调节开关、两个冷端换热器以及两个导冷风机，线性压缩机通过两条供气管路分别与两台气动斯特林制冷机相连通，两台气动斯特林制冷机分别用于对冷冻室和冷藏室进行制冷，冷端换热器的一端与斯特林制冷机的冷头相连，另一端呈半圆形翅片状，导冷风机设置在冷端换热器旁，用于冷空气的流通，两个调节开关分别设置在两条供气管路上，用于调节两台气动斯特林制冷机的制冷量和制冷温度，从而控制冷冻室和冷藏室的温度，在冷端换热器外表面设有用于融霜的电热丝。
在本发明提供的新型斯特林风冷无霜冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，线性压缩机采用双缸对置压缩的结构，无需增设减震块来抵消振动。
另外，在本发明提供的新型斯特林风冷无霜冰箱中，其特征在于，还包括具有重力热管和热端翅片的散热单元，重力热管蒸发端与斯特林制冷机的热端相连，重力热管的冷凝段竖直向上，热端翅片设置在重力热管的冷凝段上，由于强化换热。
另外，在本发明提供的新型斯特林风冷无霜冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，冰箱箱体具有上隔板、背板以及多个置物架，上隔板用于分隔冰箱箱体的上部和下部，背板设置在冷藏室和冷冻室后部，多个置物架分别设置在冷藏室和冷冻室内，每两个置物架之间的背板上设有一个回风口，用于冷却空气的流通。
另外，在本发明提供的新型斯特林风冷无霜冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，上隔板采用真空绝热板(VIP板)进行保温隔热。
另外，在本发明提供的新型斯特林风冷无霜冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，冷端换热器的上端呈圆环状且与斯特林制冷机的冷头紧配，下端呈半圆形翅片状。
另外，在本发明提供的新型斯特林风冷无霜冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，冷端换热器采用铜或铝制作而成。
另外，在本发明提供的新型斯特林风冷无霜冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，半圆形翅片上设置有多条开口方向朝下的狭缝。
另外，在本发明提供的新型斯特林风冷无霜冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，调节开关为电磁阀。
一种根据上述的新型斯特林风冷无霜冰箱的控温方法，其特征在于，包括以下步骤：
新型斯特林风冷无霜冰箱中设置的单个电磁阀的一个工作周期为20s，其中通电开启时间为10s，两个电磁阀的通电时间错开，即一个电磁阀在第0s～第10s通电，另一个电磁阀在第10s～第20s通电，以此频率一直运行；
当冷冻室和冷藏室均出现温度波动需要制冷降温时，需采用工作周期20s，其中通电开启时间10s的控制方式；
当冷冻室和冷藏室中的一个箱体出现温度波动需要进行制冷降温而另一个箱体不需要降温时，对应的电磁阀通电全开，此时并不需要设置开闭周期，斯特林制冷机一直保持工作状态，快速将箱体重新冷却至目标温度后，对应电磁阀断电全关；
当箱体温度高于设定温度2℃以上时，为了使箱体温度快速恢复到设定温度，线性压缩机以最大输入功率运行；
当冷冻室或冷藏室温度高于设定温度1～2℃时，线性压缩机以最大输入功率的50～70％运行；
导冷风机与斯特林制冷机联动，当对应箱体需要降温时，导冷风机一直处于工作状态，用于让箱体内的空气循环流动，强化冷却效果；
当对应箱体降低至目标温度后，导冷风机停转；
散热风机与线性压缩机联动，当线性压缩机处于工作状态时，散热风机就始终处于工作状态，将斯特林制冷机的热端产生的热量以及线性压缩机的热量释放至环境；
当冷冻室或冷藏室达到目标温度后，给电热丝通电，启动电加热融霜功能，防止冷端换热器表面结霜严重影响制冷效果。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的新型斯特林风冷无霜冰箱，因为用于冷空气的流通的导冷风机设置在冷端换热器旁，冷端换热器外表面还设有用于融霜的电热丝，所以本发明的冰箱具有风冷且无霜的特点。
另外，本发明所涉及的新型斯特林风冷无霜冰箱中的线性压缩机通过两条供气管路分别与两台气动斯特林制冷机相连通，两个调节开关分别设置在两条供气管路上，用于调节两台气动斯特林制冷机的制冷量和制冷温度，工作时，始终保持线性压缩机驱动单台斯特林制冷机，从而保证线性压缩机处于最佳工作点且与斯特林制冷机达到最佳匹配。
附图说明
图1是本发明的实施例中冰箱箱体正视示意图；
图2是本发明的实施例中冰箱后视轴侧示意图；
图3是本发明的实施例中冰箱正视轴侧示意图；
图4是本发明的实施例中风冷冰箱原理示意图；
图5是本发明的实施例中冷端换热器的立体示意图；以及
图6是本发明的实施例中制冷单元轴测示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的新型斯特林风冷冰箱作具体阐述。
实施例
本发明的新型斯特林风冷无霜冰箱包括冰箱箱体、制冷单元、散热单元。
如图1、2所示，冰箱箱体具有上部空间和下部空间，上隔板303分割上部空间和下部空间，上部空间布置制冷单元，下部空间设置有冷冻室401和冷藏室402。在冷藏室402和冷冻室401的背板301上设有回风口302，使冷风循环流动，强化冷却效果。冷藏室402和冷冻室401内分别设有多个置物架305，每两个置物架305之间的背板301上设有一个回风口302，保证该隔间有冷却空气流过。冷冻室401和冷藏室402设有温度传感器602来实时监测储藏室的温度。
上隔板303将箱体顶部的制冷单元安装空间与箱体背面低温空间隔开，所以在其两侧有较大的温度梯度，因此上隔板303采用真空绝热板(VIP板)进行保温隔热。
后隔板304将冷藏室402和冷冻室401的风道隔开，因为两个储藏室的设定温度不同，所以后隔板304也采用真空绝热板。
为了避免空气在顶部的机器布置间内乱流，在冰箱顶部设有散热风道201，如图3所示，在箱体两侧设有两个进风口202，箱体顶部设有出风口203并在其下面设置散热风机204，冷冻室401的设计温度为-40℃，冷藏室402的设计温度为-2℃。
如图4所示，制冷单元包括一台线性压缩机101、两台分体式气动斯特林制冷机102-1、102-2、冷端换热器501。
散热单元包括在斯特林制冷机102-1的热端设有的重力热管106和热端翅片107以及斯特林制冷机102-2的热端设有的重力热管106和热端翅片107。重力热管106及其外部散热翅片107置于散热风道201内。制冷系统工作时，外部空气从两侧的进风口202吸入后，掠过散热翅片107带走设备所产生的热量并从顶部的出风口203排出。
重力热管106内充工质R600a，斯特林制冷机102-1、102-2的热端分别设置有重力热管106，重力热管106的蒸发端与斯特林制冷机102-1、102-2的热端紧密接触相连，重力热管106的冷凝段竖直向上并设有若干热端翅片107以强化换热。斯特林制冷机102-1、102-2的冷端分别设有与冷头紧配的冷端换热器501和导冷风机109。在冰箱箱体的上部空间设有控制器601。
在斯特林制冷机102-1、102-2的底部设有减震块111来平衡振动。线性压缩机101由于是双缸对置压缩的结构，所以无需增设减震块来抵消振动。
斯特林制冷机102-1、102-2冷头的冷量先传递至其外部的冷端换热器501，后通过导冷风机109送至冷藏室402和冷冻室401，在冷端换热器501外表面设有电热丝110，用于电加热融霜。
如图5所示，冷端换热器501上部圆环502与斯特林制冷机的冷头紧配，下端503呈半圆形翅片状。冷端换热器501可采用铜或铝制作。冷端换热器501不易过大，若换热器体积过大，则在冷头降温时，需先冷却冷端换热器501，则使箱体降温速率变慢。此外，在电加热融霜时，较大的冷端换热器也会蓄存较多的冷量，这就需要耗费更多的电能才能将霜层融化。将翅片设置为半圆形并且狭缝开口方向朝下的目的是为了在融霜时便于霜层快速从换热器上脱落。针对下端半圆503半径R为40mm时的冷端换热器，给出优选的设计参数，冷端换热器的狭缝宽度a为0.5～1.5mm，肋片宽度b为1～3mm，颈部504宽度d为25～30mm，换热器的轴向长度L约在40～50mm，上部圆环502的内径等于斯特林制冷机的冷头外径，且两者为过盈配合以消除接触热阻，上部圆环502的径向厚度c为2～5mm。靠近中部的狭缝通道径向长度较长，随着向两侧的延伸，狭缝通道径向长度减小，外侧边缘的径向长度最小。下端半圆503的外径略大于导冷风机109的外径，这样可以保证空气较充分地掠过冷端换热器501并与其换热后，再通过导冷风机109送入冷冻室401和冷藏室402。
如图6所示，线性压缩机101在设计时通常是与单台斯特林制冷机102-1匹配设计的，在本发明中，线性压缩机101要为两台斯特林制冷机102-1、102-2提供压力波，在实际运行过程中，若出现线性压缩机101由原先仅驱动一台制冷机变为同时驱动两台制冷机的情况时，制冷系统内部的空容积显著增大，使得线性压缩机101的气体弹簧刚度大幅下降，线性压缩机101偏离最佳工作点较远，且与斯特林制冷机102-1、102-2也无法达到最佳匹配，使得制冷效率下降明显。同样的，若出现线性压缩机由同时驱动两台制冷机变为仅驱动一台制冷机时，内部空容积的变化也会影响严重的影响制冷效率。为了避免出现上述情况，在供气管路104的两个支路上各设置一个电磁阀即电磁阀105-1、105-2，在电磁线圈上施加固定周期的电压脉冲，一个周期内阀开、闭循环一次。负荷大时，脉宽增加，阀打开时间长；负荷低时，脉宽减小，阀打开时间短。断电时，阀完全关闭，还起到电磁截止阀的作用。两个电磁阀105-1、105-2的开闭时间需要相互错开，当一个阀处在开启状态时另一个阀为关闭状态，也就是说，始终保持线性压缩机驱动单台斯特林制冷机102-1或102-2，保证线性压缩机处于最佳工作点，且与斯特林制冷机为最佳匹配。
斯特林风冷冰箱的制冷控制方法如下：
设置单个电磁阀的一个工作周期为20s，其中通电开启时间为10s，两个阀门的通电时间错开，即一个阀门在第0s～第10s通电，另一个阀门在第10s～第20s通电，以此频率一直运行。当某个箱体达到目标温度时，对应的阀门断电全关。当其中一个箱体出现温度波动需要进行制冷降温而另一个箱体不需要降温时，对应的阀门通电全开，此时并不需要设置开闭周期，斯特林制冷机一直保持工作状态，快速将箱体重新冷却至目标温度后，对应阀门断电全关。当两个箱体均出现温度波动需要制冷降温时，仍需采用工作周期20s，其中通电开启时间10s的控制方式。
当箱体温度高于设定温度1～2℃时，线性压缩机(101)以最大输入功率的50～70％运行。当箱体温度高于设定温度2℃以上时，为了使箱体温度快速恢复到设定温度，线性压缩机以最大输入功率运行。
导冷风扇109与斯特林制冷机联动，当对应箱体需要降温时，导冷风扇109一直处于工作状态，让箱体内的空气循环流动，强化冷却效果。当对应箱体降低至目标温度后，导冷风扇109停转，一是为了减小风扇耗功，二是为了让箱体内空气与箱体内壁面为自然对流换热状态，减小表面传热系数，从而减小箱体漏冷。
散热风机204与线性压缩机101联动，当线性压缩机处于工作状态时，散热风机204就始终处于工作状态，将斯特林制冷机的热端产生的热量以及线性压缩机的热量释放至环境。
当冷冻室达到目标温度后，给电热丝110通电，启动电加热融霜功能，防止冷端换热器501表面结霜严重影响制冷效果。
实施例的作用与效果
根据本实施例的新型斯特林风冷无霜冰箱，因为用于冷空气的流通的导冷风机设置在冷端换热器旁，冷端换热器外表面还设有用于融霜的电热丝，所以本发明的冰箱具有风冷且无霜的特点。
另外，本实施例的新型斯特林风冷无霜冰箱中的线性压缩机通过两条供气管路分别与两台气动斯特林制冷机相连通，两个调节开关分别设置在两条供气管路上，用于调节两台气动斯特林制冷机的制冷量和制冷温度，工作时，始终保持线性压缩机驱动单台斯特林制冷机，从而保证线性压缩机处于最佳工作点且与斯特林制冷机达到最佳匹配。
进一步地，线性压缩机采用双缸对置压缩的结构，无需增设减震块来抵消振动。
进一步地，上隔板采用真空绝热板(VIP板)进行隔热，保温效果好。
进一步地，调节开关为电磁阀，在电磁线圈上施加固定周期的电压脉冲，一个周期内阀开、闭循环一次，控制方便，效果好。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种新型斯特林风冷无霜冰箱，其特征在于，包括：
冰箱箱体，所述冰箱箱体具有冷冻室和冷藏室；以及
制冷单元，
其中，所述制冷单元设置在所述冰箱箱体的上部，所述冷冻室和所述冷藏室设置在所述冰箱箱体的下部，
所述制冷单元包括一台线性压缩机、两台分体式气动斯特林制冷机、供气管路、两个调节开关、两个冷端换热器以及两个导冷风机，
所述线性压缩机通过两条所述供气管路分别与两台所述气动斯特林制冷机相连通，两台所述气动斯特林制冷机分别用于对所述冷冻室和所述冷藏室进行制冷，
所述冷端换热器的一端与所述斯特林制冷机的冷头相连，另一端呈半圆形翅片状，
所述导冷风机设置在所述冷端换热器旁，用于冷空气的流通，
两个所述调节开关分别设置在两条所述供气管路上，用于调节两台所述气动斯特林制冷机的制冷量和制冷温度，从而控制所述冷冻室和所述冷藏室的温度，
在冷端换热器外表面设有用于融霜的电热丝。
2.根据权利要求1所述的新型斯特林风冷无霜冰箱，其特征在于：
其中，所述线性压缩机采用双缸对置压缩的结构，无需增设减震块来抵消振动。
3.根据权利要求1所述的新型斯特林风冷无霜冰箱，其特征在于，还包括：
具有重力热管和热端翅片的散热单元，
所述重力热管蒸发端与所述斯特林制冷机的热端相连，所述重力热管的冷凝段竖直向上，
所述热端翅片设置在所述重力热管的冷凝段上，由于强化换热。
4.根据权利要求1所述的新型斯特林风冷无霜冰箱，其特征在于：
其中，所述冰箱箱体具有上隔板、背板以及多个置物架，
所述上隔板用于分隔所述冰箱箱体的上部和下部，
所述背板设置在所述冷藏室和所述冷冻室后部，
多个所述置物架分别设置在所述冷藏室和所述冷冻室内，每两个所述置物架之间的所述背板上设有一个回风口，用于冷却空气的流通。
5.根据权利要求4所述的新型斯特林风冷无霜冰箱，其特征在于：
其中，所述上隔板采用真空绝热板(VIP板)进行保温隔热。
6.根据权利要求1所述的新型斯特林风冷无霜冰箱，其特征在于：
其中，所述冷端换热器的上端呈圆环状且与所述斯特林制冷机的冷头紧配，下端呈半圆形翅片状，所述半圆形翅片上设置有多条开口方向朝下的狭缝，便于霜层快速从所述冷端换热器上脱落。
7.根据权利要求6所述的新型斯特林风冷无霜冰箱，其特征在于：
其中，所述狭缝宽度为0.5～1.5mm，两个所述狭缝之间的肋片宽度为1～3mm，
所述冷端换热器采用铜或铝制作而成。
8.根据权利要求1所述的新型斯特林风冷无霜冰箱，其特征在于：
其中，所述冷端换热器的上端圆环的内径等于斯特林制冷机的冷头外径，且两者为过盈配合以消除接触热阻，
上端圆环的径向厚度为2～5mm，下端半圆半径为35-55mm。
所述半圆形翅片上设置有多条开口方向朝下的狭缝。
9.根据权利要求1所述的新型斯特林风冷无霜冰箱，其特征在于：
其中，所述调节开关为电磁阀。
10.一种根据权利要求9所述的新型斯特林风冷无霜冰箱的控温方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述新型斯特林风冷无霜冰箱中设置的单个所述电磁阀的一个工作周期为20s，其中通电开启时间为10s，两个所述电磁阀的通电时间错开，即一个所述电磁阀在第0s～第10s通电，另一个所述电磁阀在第10s～第20s通电，以此频率一直运行；
当所述冷冻室和所述冷藏室均出现温度波动需要制冷降温时，需采用工作周期20s，其中通电开启时间10s的控制方式；
当所述冷冻室和所述冷藏室中的一个箱体出现温度波动需要进行制冷降温而另一个箱体不需要降温时，对应的所述电磁阀通电全开，此时并不需要设置开闭周期，所述斯特林制冷机一直保持工作状态，快速将箱体重新冷却至目标温度后，对应所述电磁阀断电全关；
当箱体温度高于设定温度2℃以上时，为了使箱体温度快速恢复到设定温度，线性压缩机以最大输入功率运行；
当所述冷冻室或所述冷藏室温度高于设定温度1～2℃时，所述线性压缩机以最大输入功率的50～70％运行；
所述导冷风机与所述斯特林制冷机联动，当对应所述箱体需要降温时，所述导冷风机一直处于工作状态，用于让所述箱体内的空气循环流动，强化冷却效果；
当对应所述箱体降低至目标温度后，所述导冷风机停转；
所述散热风机与所述线性压缩机联动，当所述线性压缩机处于工作状态时，所述散热风机就始终处于工作状态，将所述斯特林制冷机的热端产生的热量以及所述线性压缩机的热量释放至环境；
当所述冷冻室或所述冷藏室达到目标温度后，给所述电热丝通电，启动电加热融霜功能，防止冷端换热器表面结霜严重影响制冷效果。
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