CN110736263A - 分置式斯特林膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明的分置式斯特林膨胀机，包括壳体单元和运动单元，壳体单元包括依次相连的底部壳体、中部壳体、狭缝换热器、膨胀气缸、内衬套以及冷头，狭缝换热器的一端与膨胀气缸一端连接，内衬套设置在中部壳体内，内衬套的侧面和端面分别与中部壳体和小圆盘相连，运动单元包括膨胀机板弹簧、排出器杆、回热器壳体，膨胀机板弹簧与内衬套固定连接，回热器壳体的一端设置在内衬套内，另一端设置在柱形气缸内，排出器杆设置在内衬套内。本发明的膨胀机取消了传统的水冷套结构，采用热端狭缝式换热器来代替，气体工质通过热端换热器向环境释放出足够多热量，通过改变热端换热器的狭缝数量、宽度等参数可以应对不同工况下膨胀机对气体工质散热量的要求。

Description

分置式斯特林膨胀机

技术领域

本发明属于制冷领域，具体涉及一种分置式斯特林膨胀机。

背景技术

低温制冷机发展至今，在商用、军事和空间制冷领域均得到了广泛的应用。斯特林制冷机作为回热式低温制冷机中典型的一类，最初应有于航空航天、超导滤波、红外探测等领域。相比于传统的蒸汽压缩制冷，斯特林制冷机拥有制冷工质环保、无工作方向限制、结构紧凑、高效可靠等诸多优点。

按照膨胀腔与压缩腔的连接方式分类，斯特林制冷机可分为分置式和整体式。分置式斯特林制冷机是在整体式斯特林制冷机研究的基础上发展起来的。分置式斯特林制冷机将压缩机与膨胀机完全分离，采用一根细管将二者连接，这样可以避免或减少压缩机震动对冷头的影响。使被冷却的器件(如红外探测器)远离振动源。如今的分置式斯特林制冷机大多采用双活塞对置式线性压缩机，使电机动子的动量得到了平衡，既简化了结构同时也减少了振动与噪音，制冷机的实用性和性能得到了提高。

如今的分置式斯特林制冷机的膨胀机主要由膨胀机壳体、回热器、膨胀活塞、板弹簧以及冷指部分等组成。膨胀活塞的运动受压缩机通过连接管传来的周期性压力波驱动，其位移与压力波形成一定的相位角，产生冷量，而受压力波驱动的制冷工质进入膨胀机后，会经过一个向环境散热，向回热器填料释放热量，在冷腔吸热制冷，回到回热器吸收填料热量的过程，最后回到压缩机完成一个循环。实际上，受壳体结构和环境温度的影响，气体向环境的散热量较小，进入回热器的工质气体没有被冷却到预期温度，从而使制冷机性能下降。目前，大多数分置式斯特林制冷机的膨胀机采用外套式水冷散热器来解决这一问题，而使用该类散热器又会增加恒温水箱，水泵等外接设备，增大了整套斯特林制冷机设备的体积，可靠性大大降低。对于小冷量需求的场合，为了精简结构，优化体积，膨胀机往往不会安置热端散热器，导致制冷效率下降。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种能够简化结构，提高制冷性能的分置式斯特林制冷机膨胀机。

本发明提供了一种分置式斯特林膨胀机，具有这样的特征，包括壳体单元和运动单元，其中，壳体单元包括依次相连的底部壳体、中部壳体、狭缝换热器、膨胀气缸以及内衬套，狭缝换热器呈法兰盘状，具有相连的大圆环盘和小圆环盘，膨胀气缸中部设置有凸出的柱形气缸，底部壳体的一端与中部壳体的一端连接，中部壳体的另一端与狭缝换热器的大圆环盘的一端连接，狭缝换热器的大圆环盘的另一端与膨胀气缸一端连接，

内衬套设置在中部壳体内，内衬套的侧面和端面分别与中部壳体和小圆环盘相连，运动单元包括膨胀机板弹簧、排出器杆以及回热器壳体，膨胀机板弹簧与内衬套固定连接，回热器壳体的一端设置在内衬套内，另一端设置在柱形气缸内，排出器杆设置在内衬套内，一端与膨胀机板弹簧相连，另一端与回热器壳体的一端相连。

在本发明提供的分置式斯特林膨胀机中，还可以具有这样的特征：其中，狭缝换热器的中部设置有柱形空腔和多个狭缝，多个狭缝沿柱形空腔圆周均匀设置，狭缝从柱形空腔的内壁面沿直径方向向外延伸。

另外，在本发明提供的分置式斯特林膨胀机中，还可以具有这样的特征：其中，狭缝从柱形空腔的内壁面沿直径方向向外延伸至大圆环盘和小圆环盘之间。

另外，在本发明提供的分置式斯特林膨胀机中，还可以具有这样的特征：其中，狭缝的数量为20-35个。

另外，在本发明提供的分置式斯特林膨胀机中，还可以具有这样的特征：其中，回热器壳体上沿圆周设置有多个通孔。

另外，在本发明提供的分置式斯特林膨胀机中，还可以具有这样的特征：其中，通孔呈弧形，数量为3-6个，当膨胀机运行工况处于平衡状态，通孔处于膨胀气缸底部内腔，通孔上端面与膨胀气缸底部端面的距离与回热器壳体的运动振幅相同，下端面与内衬套顶部端面的距离与回热器壳体的运动振幅相同。

另外，在本发明提供的分置式斯特林膨胀机中，还可以具有这样的特征：其中，排出器杆与回热器壳体通过螺栓固定连接。

另外，在本发明提供的分置式斯特林膨胀机中，还可以具有这样的特征：其中，中部壳体与内衬套之间还设有一道密封圈。

另外，在本发明提供的分置式斯特林膨胀机中，还可以具有这样的特征：其中，回热器壳体外壁面设置有一层用于密封的耐磨材料，用于减少回热器轴向导热损失。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的分置式斯特林膨胀机，该膨胀机取消了传统分置式斯特林制冷机膨胀机外接的水冷套结构，设计了与膨胀机基本构件相匹配的热端狭缝式换热器来代替，气体工质通过热端换热器向环境释放出足够多热量，通过改变热端换热器的狭缝数量、宽度等参数可以应对不同工况下膨胀机对气体工质散热量的要求。

该膨胀机优化了膨胀机壳体、排出器杆以及回热器壳体的结构，使回热器包含在膨胀活塞组件内，结构简单，加工制造方便，减小了死容积以及传统膨胀机结构中的泵气损失、穿梭损失以及轴向导热损失，从而减少了斯特林整套设备的重量和体积，提高了制冷性能和可靠性。

附图说明

图1为本实施例中的分置式斯特林膨胀机剖视示意图；

图2为本实施例中的分置式斯特林膨胀机立体剖视示意图；

图3为本实施例中的回热器壳体局部立体剖视示意图；

图4为图1中A的局部放大图；

图5为本实施例中的狭缝换热器主视示意图；

图6为本实施例中的狭缝换热器轴测示意图；

图7为本实施例中的回热器壳体位于平衡位置时工质气体局部流动示意图；

图8为本实施例中的回热器壳体位于下止点位置时工质气体局部流动示意图；

图9为本实施例中的回热器壳体位于上止点位置时工质气体局部流动示意图；

图10为本实施例二中分置式斯特林膨胀机局部剖视示意图；

图11为本实施例中间隙密封示意图；

图12为图11中B的局部放大图；以及

图13为图11中C的局部放大图。

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分置式斯特林膨胀机作具体阐述。

实施例一

分置式斯特林膨胀机包括壳体单元和运动单元以及减震器单元。

如图1和图2所示，

壳体单元包括包括依次相连的底部壳体2、中部壳体5、狭缝换热器6、膨胀气缸8以及内衬套3和冷头11。

实施例中，底部壳体2呈圆盘状。

中部壳体5呈圆筒状，两端开口，内部具有两个相连的同轴柱形空腔，两个空腔直径不同。空腔直径大的一端与底部壳体2相连，底部壳体2与中部壳体5在焊接口201处焊接连接。

如图5、6所示，狭缝换热器6为热端换热器，夹在中部壳体5与膨胀气缸8之间，狭缝换热器6呈法兰盘状，具有相连的大圆盘和小圆盘，实施例中，呈分段型圆环状，共分为两段，两段圆环同心，内径相同，中心形成柱形空腔，用于容纳作往复运动的排出器杆4和回热器壳体9，左段圆环外径稍小，外壁面紧密贴合中部壳体5内部空腔壁面，右段圆环外径与中部壳体5外壁面直径一致。

狭缝换热器6内的设置有多个狭缝601，多个狭缝601沿柱形空腔圆周均匀设置，狭缝从柱形空腔的内壁面沿直径方向向外延伸。狭缝601呈两端为圆弧的长条状，狭缝601内圆弧的半径与热端换热器6柱形空腔的半径相同，狭缝601从内壁面沿直径方向向外延伸，超出较小外径的一段换热器的外径，接近但小于膨胀气缸8内圆台空腔底面的外径，目的是使工质气体在热端换热器6中与环境充分换热。狭缝601的数量为26-30个，实施例中，狭缝601的数量为28个。热端换热器(6)上还设置有圆环缺口602，热端换热器6上的圆环缺口602与中部壳体5内与压缩机相连的气体管道对正，将工质气体导入热端换热器6内腔，气体只能先后流经热端换热器6左段圆环和右段圆环上的狭缝601，再进入回热器腔903，有利于增强换热。

狭缝换热器6采用导热系数较高的紫铜制作，使膨胀机热端的热量充分导出，减小导热热阻。

中部壳体5与狭缝换热器6于焊接口202处焊接连接。膨胀气缸8与狭缝换热器6于焊接口203处焊接连接。中部壳体5与内衬套3之间设有一道密封圈301，目的在于将背压腔12与壳体主腔13密封起来，避免串气。

膨胀气缸8中部设置有凸出的柱形气缸，该柱形气缸的端部设置有多个侧面通气孔904。

内衬套3设置在中部壳体5内，内衬套3的侧面与中部壳体5相连，内衬套3的端面与狭缝换热器6的小圆盘相连。

冷头11套装在膨胀气缸8的柱形气缸的端部，膨胀气缸8与冷头11于焊接口111处焊接连接。

运动单元包括膨胀机板弹簧7、排出器杆4、回热器壳体9和回热器封头10。

膨胀机板弹簧7边缘处通过螺栓与内衬套3固定连接，膨胀机板弹簧7、内衬套3和中部壳体5通过螺栓401固定连接。

排出器杆4设置在内衬套3内，一端与膨胀机板弹簧7相连，另一端与回热器壳体9的一端相连，排出器杆4两个端面均开有螺纹孔，左端面通过螺栓402与膨胀机板弹簧7固定连接。

回热器壳体9的一端设置在内衬套3内，另一端设置在柱形气缸内，回热器壳体9左端面中心位置开有分段柱状通孔，插入螺栓403使排出器杆4和回热器壳体9固定连接，螺栓403头部置入回热器壳体9的台阶通孔紧密配合。回热器壳体9与膨胀气缸8在膨胀机回热器段形成“密封—间隙—密封”的密封形式，密封通过在回热器壳体9外壁面涂一层耐磨材料801来实现，该密封方式能有效地减少回热器轴向导热损失。

回热器封头10设置在回热器壳体的另一端，回热器封头10通过螺纹密封回热器壳体9右侧空腔开口，冷头11内壁与回热器壳体9外壁形成环隙空间，工质气体通过回热器壳体9的侧面通气孔904进入膨胀腔112制取冷量。

如图3、4、7、8、9所示，回热器壳体9底部端面上均匀分布了多个通气孔901，目的在于平衡壳体主腔13与壳体分腔15的压力，使两个腔室的压力相同，避免各处压力分布不均。处于膨胀气缸8圆台状空腔内的回热器壳体9上开有多个弧形槽口902，槽口902左端面与狭缝换热器6右端面保持平齐，目的在于连通壳体主腔13和回热器腔903同时使处于两个不同腔体的回热器壳体没有分离，成为一个连续结构。考虑到回热器壳体9在轴向作谐振运动，要保证壳体主腔13和回热器腔903始终保持连通状态，工质气体畅通无阻，故弧形槽口902不能被壳体阻塞，当回热器壳体9运动到平衡位置时，夹在狭缝换热器6与回热器壳体9间的内衬套3圆环状结构的右端面与弧形槽口902左端面有一定间距，右端面与膨胀气缸8圆台内腔的右壁面有一定间距，两段间距相同，该间距等于膨胀机板弹簧7的振幅。设膨胀机板弹簧7的振幅为X，两段间距皆为L，则X等于L。

在本实例中，膨胀机板弹簧7的振幅X＝2mm，间隙长度L＝2mm。当回热器壳体9运动到上死点时，弧形槽口902右端面与膨胀气缸8圆台内腔的右壁面平齐。当回热器壳体9运动到下死点时，弧形槽口902左端面与内衬套3圆环状结构的右端面平齐。

如图1和图2所示，减震器单元包括减震器板弹簧101、减震器外垫片102、减震器内垫片103、耐磨层104、减震块105和中心固定螺栓106。

中心固定螺栓106的一端与底部壳体2相连，另一端与减震块105相连，

两个减震器板101弹簧平行设置在中心固定螺栓106上且位于减震块105内。

中心固定螺栓106两侧均有外螺纹，一段通过加上螺帽与减震器板弹簧101固定在一起，同时也将夹在两块板弹簧的减震器内垫片103的位置固定，另一端插入底部壳体2左端面的螺纹孔中与底部壳体2连接在一起。

减震器板弹簧101与减震块105上具有对齐的通孔，通过插入螺栓将两者连接在一起，同时也将夹在减震器板弹簧101和减震块105之间的减震器外垫片102的位置固定。

减震器的原理是是利用二自由度系统的反共振特性，将主系统振动的能量转移到减震器附加质量上来减小或抑制原结构的振动，它具有结构简单、不额外耗功、基频振动抑制效果好等优点。

分置式斯特林膨胀机的工作过程：

压缩机内的压力波发生器通过压缩活塞的往复直线运动产生交变的脉动压力波，伴随着脉动压力波的产生，在冷指内部形成了脉动的气体质量流率波，在脉动压力波与质量流率波之间达到一个合适的相位差时，就可以获得制冷量。循环过程中，背压腔12的压力波动较小，基本为环境压力。排出器杆4和回热器壳体9所受气动力来自于压缩机和冷指间形成的压差，膨胀机板弹簧7给排出器杆4和回热器壳体9提供径向支撑和轴向弹性力，保证其具有理想的振幅。

工质气体在压缩机中被压缩后，通过连接管进入膨胀机，经过狭缝换热器6将压缩过程产生的热量释放给环境，然后气体通过弧形槽口902流入回热器壳体9将热量释放给回热器填料，此时工质气体温度压力均下降，然后进入膨胀腔112膨胀制冷，此时回热器壳体9向左运动，利用冷头11将冷量导出。膨胀完后的气体流回回热器壳体9内部吸收填料的热量，此时工质气体的温度压力均上升，最后流回压缩机继续被压缩，完成一次循环。

如图11、12、13所示，回热器壳体9与膨胀气缸8之间有间隙密封L1与L2，L1与L2长度相同，回热器壳体9内径与膨胀气缸8的外径差值为16～40μm(半径差值8～20μm)，回热器壳体9与内衬套3之间具有间隙密封L3，加工精度要求较低，内外径差值为200～400μm(半径差值100～200μm)，排出器杆4与内衬套3之间具有间隙密封L4，内外径差值为16～40μm(半径差值8～20μm)。排出器杆4、回热器壳体9和膨胀气缸8外表面需保证圆柱度0.01。排出器杆4与内衬套3内圆柱面需保证同轴度0.01。排出器杆4与回热器壳体9的外圆柱面需保证同轴度0.01。

本实例适用于77K(-196℃)以上的制冷温度，在最低制冷温度下可以提供2W以上的净制冷量。

实施例二

本实施例与实施例一其它结构相同，只是本实施例中的回热器壳体14的结构与实施例一中回热器壳体9不同。

如图10所示，本实施例中，回热器壳体14底部端面上没有通气孔，回热器壳体14圆柱面与内衬套3内壁面之间存在间隙，单边间隙为0.3～0.5mm，壳体主腔13与壳体分腔15通过间隙连通，在膨胀机运作中，壳体主腔13与壳体分腔15内的压力始终保持动态平衡，有利于减轻回热器壳体9的径向振动，保证膨胀机运行工况的稳定。

实施例的作用与效果

根据本实施例的分置式斯特林膨胀机，该膨胀机取消了传统分置式斯特林制冷机膨胀机外接的水冷套结构，设计了与膨胀机基本构件相匹配的热端狭缝式换热器来代替，气体工质通过热端换热器向环境释放出足够多热量，通过改变热端换热器的狭缝数量、宽度等参数可以应对不同工况下膨胀机对气体工质散热量的要求。

该膨胀机优化了膨胀机壳体、排出器杆以及回热器壳体的结构，使回热器包含在膨胀活塞组件内，结构简单，加工制造方便，减小了死容积以及传统膨胀机结构中的泵气损失、穿梭损失以及轴向导热损失，从而减少了斯特林整套设备的重量和体积，提高了制冷性能和可靠性。

另外，本实施例的分置式斯特林膨胀机还包括减震器单元，用于利用二自由度系统的反共振特性，将主系统振动的能量转移到减震器附加质量上来减小或抑制原结构的振动，它具有结构简单、不额外耗功、基频振动抑制效果好等优点。

进一步地，回热器壳体底部端面上没有通气孔，回热器壳体圆柱面与内衬套内壁面之间存在间隙，在膨胀机运作中，壳体主腔与壳体分腔内的压力始终保持动态平衡，有利于减轻回热器壳体的径向振动，保证膨胀机运行工况的稳定。

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)

1.一种分置式斯特林膨胀机，其特征在于，包括：

壳体单元和运动单元，

其中，所述壳体单元包括依次相连的底部壳体、中部壳体、狭缝换热器、膨胀气缸以及内衬套，

所述狭缝换热器呈法兰盘状，具有相连的大圆环盘和小圆环盘，

所述膨胀气缸中部设置有凸出的柱形气缸，

所述底部壳体的一端与中部壳体的一端连接，

所述中部壳体的另一端与所述狭缝换热器的大圆环盘的一端连接，

所述狭缝换热器的大圆环盘的另一端与所述膨胀气缸一端连接，

所述内衬套设置在所述中部壳体内，所述内衬套的侧面和端面分别与所述中部壳体和所述小圆环盘相连，

所述运动单元包括膨胀机板弹簧、排出器杆以及回热器壳体，

所述膨胀机板弹簧与所述内衬套固定连接，

所述回热器壳体的一端设置在所述内衬套内，另一端设置在所述柱形气缸内，

所述排出器杆设置在所述内衬套内，一端与膨胀机板弹簧相连，另一端与所述回热器壳体的一端相连。

2.根据权利要求1所述的分置式斯特林膨胀机，其特征在于：

其中，所述狭缝换热器的中部设置有柱形空腔和多个狭缝，

多个所述狭缝沿所述柱形空腔圆周均匀设置，

所述狭缝从所述柱形空腔的内壁面沿直径方向向外延伸。

3.根据权利要求2所述的分置式斯特林膨胀机，其特征在于：

其中，所述狭缝从所述柱形空腔的内壁面沿直径方向向外延伸至所述大圆环盘和所述小圆环盘之间。

4.根据权利要求2所述的分置式斯特林膨胀机，其特征在于：

其中，所述狭缝的数量为20-35个。

5.根据权利要求1所述的分置式斯特林膨胀机，其特征在于：

其中，所述小圆环盘上开有一个圆环缺口。

6.根据权利要求1所述的分置式斯特林膨胀机，其特征在于：

其中，所述回热器壳体上沿圆周设置有多个通孔。

7.根据权利要求6所述的分置式斯特林膨胀机，其特征在于：

其中，所述通孔呈弧形，数量为3-6个，

当膨胀机运行工况处于平衡状态，所述通孔处于所述膨胀气缸底部内腔，所述通孔上端面与所述膨胀气缸底部端面的距离与所述回热器壳体的运动振幅相同，下端面与所述内衬套顶部端面的距离与所述回热器壳体的运动振幅相同。

8.根据权利要求1所述的分置式斯特林膨胀机，其特征在于：

其中，所述排出器杆与所述回热器壳体通过螺栓固定连接。

9.根据权利要求1所述的分置式斯特林膨胀机，其特征在于：

其中，所述中部壳体与所述内衬套之间还设有一道密封圈。

10.根据权利要求1所述的分置式斯特林膨胀机，其特征在于：

其中，所述回热器壳体外壁面设置有一层用于密封的耐磨材料，用于减少回热器轴向导热损失。

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