CN115875867A - 斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及制冷设备技术领域，公开一种斯特林制冷机，包括斯特林制冷机冷头装置，其包括内部中空形成有压缩腔的第一壳体，压缩腔内设有活塞头，斯特林制冷机还包括用于压缩第一工质的双动子线性压缩装置，双动子线性压缩装置包括：第二壳体，与第一壳体固定连接，且内部设有与压缩腔同轴设置的第一通道；第一动子组件，设置于第一通道内，并与第一壳体限定有膨胀腔；第二动子组件，设置于第一动子组件内部，一端与第一动子组件固定连接，另一端通过一连杆与活塞头连接。本公开实施例提供的斯特林制冷机，通过控制第一动子组件和第二动子组件的驱动力和运动相位的不同，可以使第一动子组件运动相位与位移和活塞头的运动相位与位移不同。

Description

斯特林制冷机

技术领域

本申请涉及制冷设备技术领域，例如涉及一种斯特林制冷机。

背景技术

随着军事、医疗以及航天技术的发展，低温冷却设备有了长足的发展。斯特林制冷机由于其使用要求不同，存在着多种不同机型，主要包括旋转型整体式机型、线性分置式机型和线性整体式机型等。但是现有的旋转整体式斯特林制冷机体积大、振动大，为了减小振动，还会增加配重；而线性分置式斯特林制冷机分为压缩机和膨胀机，中间由管道连接，由于线性压缩机与冷头分开，振动有所减小，但膨胀机的膨胀活塞却只能处于被动驱动的状态，降低了整机效率，如果膨胀机的膨胀活塞也进行主动驱动，则会增加另一个压缩机驱动，线性整体式斯特林制冷机虽然取消了中间的连接管道，使得压缩机和冷头整体相连，振动有所增加，但效率有所提升，但是同样存在膨胀活塞无法主动驱动的问题。

发明内容

为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。

本公开实施例提供一种斯特林制冷机，以降低斯特林制冷机的噪声和振动的同时，主动驱动控制双动子线性压缩装置的运行位移、相位和活塞头的运动位移、相位。

在一些实施例中，所述斯特林制冷机，包括斯特林制冷机冷头装置，其包括内部中空形成有压缩腔的第一壳体，所述压缩腔内设有活塞头，斯特林制冷机还包括用于压缩第一工质的双动子线性压缩装置，所述双动子线性压缩装置包括：第二壳体，与所述第一壳体固定连接，且内部设有与所述压缩腔同轴设置的第一通道；第一动子组件，设置于所述第一通道内，并与所述第一壳体限定有膨胀腔，被配置为在驱动力的作用下沿所述膨胀腔的轴向朝向所述第一壳体的方向运动；第二动子组件，设置于所述第一动子组件内部，一端与所述第一动子组件固定连接，另一端通过一连杆与所述活塞头连接，被配置为在驱动力的作用下在所述第一动子组件内部向所述第一壳体的方向同步带动所述活塞头在所述压缩腔内运动，压缩所述第一工质。

在一些实施例中，所述双动子线性压缩装置还包括：定子组件，固定设置于所述第二壳体上，与所述第一动子组件构成间隙密封，被配置为驱动所述第一动子组件沿所述膨胀腔的轴向往复运动。

在一些实施例中，所述定子组件包括：定子骨架，被构造为筒状结构；定子磁感线圈，设置于所述定子骨架的内部；其中，所述第一动子组件设有与所述定子磁感线圈相作用的磁性件。

在一些实施例中，所述第一动子组件包括：永磁体，内部中空形成有第二通道，被配置为在所述定子组件的驱动下沿所述膨胀腔的轴向运动；第一谐振弹簧，一端与所述第二壳体固定连接，另一端与所述永磁体固定连接。

在一些实施例中，所述第二动子组件包括：动子骨架，设置于所述第二通道内，被构造为筒状结构，其中，所述连杆贯穿所述永磁体以连接所述动子骨架和所述活塞头；动子磁感线圈，设置于所述动子骨架的内部，与外部的驱动模块电连接；第二谐振弹簧，一端与所述永磁体固定连接，另一端与所述动子骨架固定连接。

在一些实施例中，所述第一谐振弹簧为板弹簧或者为柔性弹簧。

在一些实施例中，所述斯特林制冷机冷头装置还包括依次连接的热端换热器、回热器和冷端换热器，其中，所述热端换热器设置于所述压缩腔内且远离所述第二壳体的一端。

在一些实施例中，所述热端换热器为管壳式换热器，内部设有第二工质的流动通道，所述第二工质能够与所述第一工质进行热交换。

在一些实施例中，所述回热器内部填充多孔介质，所述多孔介质为不锈钢丝网、不锈钢纤维或铅丸。

在一些实施例中，所述斯特林制冷机冷头装置还包括：第三壳体，套设于所述第一壳体的外部，与所述第一壳体共同限定出第三通道，其中，所述第三通道与所述膨胀腔相连通。

本公开实施例提供的斯特林制冷机，可以实现以下技术效果：

第一动子组件与第一壳体限定有膨胀腔，其在驱动力的作用下沿膨胀腔的轴向朝向第一壳体的方向运动，压缩第一工质，以实现第一动子组件的主动运动，而第二动子组件在驱动力的作用下在压缩腔内向第一壳体的方向运动同步带动活塞头在第一通道内运动，压缩第一工质，以实现活塞头的主动运动；通过控制第一动子组件和第二动子组件的驱动力和运动相位的大小的不同，可以使第一动子组件运动位移、相位和活塞头的运动位移、相位的不同，相比于现有的斯特林制冷机，降低了噪声和振动的同时，提升了制冷机的制冷效率。

以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：

图1是本公开实施例提供的一个斯特林制冷机的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的一个图1的A部放大示意图；

图3是本公开实施例提供的一个图1的B部放大示意图。

附图标记：

100、斯特林制冷机冷头装置；

110、第一壳体；120、压缩腔；130、活塞头；

140、连杆；150、热端换热器；160、回热器；

170、冷端换热器；180、第三壳体；190、第三通道；

200、双动子线性压缩装置；

210、第二壳体；211、第一通道；

220、第一动子组件；221、膨胀腔；222、第二通道；

223、永磁体；224、第一谐振弹簧；

230、第二动子组件；231、动子骨架；233、第二谐振弹簧；

240、定子组件；241、定子骨架。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。

本公开实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本公开实施例中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本公开实施例及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本公开实施例中的具体含义。

另外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开实施例中的具体含义。

除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。

本公开实施例中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，A/B表示：A或B。

术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，表示：A或B，或，A和B这三种关系。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1是本公开实施例提供的一个斯特林制冷机的结构示意图；图2是本公开实施例提供的一个图1的A部放大示意图。

结合图1、图2所示，本公开实施例提供一种斯特林制冷机，包括斯特林制冷机冷头装置100和双动子线性压缩装置200。斯特林制冷机冷头装置100包括内部中空形成有压缩腔120的第一壳体110，压缩腔120内设有活塞头130。双动子线性压缩装置200用于压缩第一工质，包括第二壳体210、第一动子组件220和第二动子组件230。第二壳体210与第一壳体110固定连接，且内部设有与压缩腔120同轴设置的第一通道211。第一动子组件220，设置于第一通道211内，其内部限定有第二通道222，并与第一壳体110限定有膨胀腔221，被配置为在驱动力的作用下沿膨胀腔221的轴向朝向第一壳体110的方向运动。第二动子组件230，设置于第一动子组件220内部，一端与第一动子组件220固定连接，另一端通过一连杆与活塞头130连接，被配置为在驱动力的作用下在第一动子组件220内部即第二通道222内向第一壳体110的方向运动同步带动活塞头130在压缩腔120内运动，压缩第一工质。

斯特林制冷机包括斯特林制冷机冷头装置100和双动子线性压缩装置200。斯特林制冷机冷头装置100包括第一壳体110，第一壳体110的内部中空，以形成有第一通道211，第一动子组件220的内部限定有第二通道222，在压缩腔120内设置有活塞头130并充注有第一工质，活塞头130在第二动子组件230的带动下可以在压缩腔120内沿着着压缩腔120富瑞轴向进行往复运动的情况下，第一工质被压缩或者膨胀。第一工质在被压缩的情况下，可以产生热量。

可选地，双动子线性压缩装置200包括第二壳体210，其内部设有与压缩腔120同轴设置的第一通道211。第一动子组件220与第一壳体110限定有膨胀腔221，并能够沿着膨胀腔221的轴向往复运动，也即，第一动子组件220在驱动力的作用下能够沿着第一通道211的轴向朝向第一壳体110的方向运动，以压缩第一工质。

可选地，第二动子组件230设置于第一动子组件220内部，一端与第一动子组件220固定连接，另一端通过一连杆与活塞头130连接。第二动子组件230在驱动力的作用下能够在第二通道222内向第一壳体110的方向运动同步带动活塞头130在压缩腔120内运动，从而可以对压缩腔120内部的第一工质进行压缩，以使其产生做功能力。

可选地，通过控制第一动子组件220和第二动子组件230的驱动力的大小的不同，可以控制第二动子组件230的运动相位落后于第一动子组件220的运动相位，也即可以控制活塞头130的运动相位落后于第一动子组件220的运动相位，那么就可以使压缩腔120内的第一工质的运动相位落后于膨胀腔221内的第一工质的运动相位，从而提升斯特林制冷机的制冷性能。此外，采用双动子线性压缩装置200还能够降低斯特林制冷机的噪声和振动。

可选地，第一工质为氦气。

采用本公开实施例提供的斯特林制冷机，第一动子组件220与第一壳体110限定有膨胀腔221，其在驱动力的作用下沿膨胀腔221的轴向朝向第一壳体110的方向运动，压缩第一工质，以实现第一动子组件220的主动运动，而第二动子组件230在驱动力的作用下在压缩腔120内向第一壳体110的方向运动同步带动活塞头130在压缩腔120内运动，压缩第一工质，以实现活塞头130的主动运动；通过控制第一动子组件220和第二动子组件230的驱动力的大小的不同，可以使第一动子组件220运动相位和活塞头130的运动相位的不同，相比于现有的斯特林制冷机，降低了噪声和振动的同时，提升了制冷机的制冷效率。

在一些实施例中，双动子线性压缩装置200还包括定子组件240。定子组件240固定设置于第二壳体210上，与第一动子组件220构成间隙密封，被配置为驱动第一动子组件220沿膨胀腔221的轴向往复运动。

定子组件240固定设置在第二壳体210上，能够驱动第一动子组件220沿膨胀腔221的轴向往复运动，定子组件240与第一动子组件220之间构成间隙密封，能够使第一动子组件220往复运动更加平稳。

在一些实施例中，定子组件240包括定子骨架241和定子磁感线圈。定子骨架241，被构造为筒状结构。定子磁感线圈，设置于定子骨架241的筒状结构的内部。其中，第一动子组件220设有与定子磁感线圈相作用的磁性件。

向定子磁感线圈通入电流后，会产生交变电流，进而产生交变磁场，在定子组件240中形成磁回路。定子组件41设置于第一动子组件220的外侧，且第一动子组件220设有磁性件，磁回路吸引磁性件时，带动第一动子组件220向靠近第一壳体110的方向进行移动，磁性件能够切割磁回路，磁回路排斥磁性件时，带动第一动子组件220向远离第一壳体110的方向进行移动。通过定子磁感线圈和磁性件的设置，能够驱动第一动子组件220在膨胀腔221内做线性的往复运动。

在一些实施例中，第一动子组件220包括永磁体223和第一谐振弹簧224。永磁体223，内部中空以形成第二通道222，第二通道222与第一通道211同轴设置，被配置为在定子组件240的驱动下沿膨胀腔221的轴向运动。第一谐振弹簧224，一端与第二壳体210固定连接，另一端与永磁体223固定连接。

第一动子组件220包括内部中空形成有第二通道222的永磁体223。永磁体223可以作为与定子磁感线圈相作用的磁性件，便于定子组件240对第一动子组件220进行驱动。永磁体223内部中空形成有第二通道222。可选地，第二通道222压缩腔120同轴设置。这样，能够提高第一动子组件220、第二动子组件230以及活塞头130的同轴度。

可选地，第一谐振弹簧224的一端与第二壳体210固定连接，另一端与永磁体223固定连接。这样，一方面，第一谐振弹簧224对中空的永磁体能够产生一定的支撑作用，使永磁体保持稳定；另一方面，当第一动子组件220受到定子组件240的驱动做往复运动时，在第一谐振弹簧224的作用下，减小第一动子组件220在第一通道211内的径向的晃动，进而防止第一动子组件220在第一通道211内的径向发生位移，并保证第一动子组件220和定子组件240之间的间隙密封。

在一些实施例中，第二动子组件230包括动子骨架231、动子磁感线圈和第二谐振弹簧233。动子骨架231，设置于第二通道222内，被构造为筒状结构，其中，连杆140贯穿永磁体223以连接动子骨架231和活塞头130。动子磁感线圈，设置于动子骨架231的筒状结构的内部，与外部的驱动模块电连接。第二谐振弹簧233，一端与永磁体223固定连接，另一端与动子骨架231固定连接。

第二动子组件230包括筒状结构的动子骨架231和设置于其内部的动子磁感线圈。其中，动子磁感线圈与外部的驱动模块电连接。这样，在外部的驱动模块通入交变电流时，会产生交变电流，进而产生交变磁场，形成磁回路。动子骨架231设置于动子磁感线圈的外侧，能够切割磁回路，从而使第二动子组件230相对第一动子组件在第二通道222内做线性的往复运动，进而带动压缩头130在压缩腔120内线性的往复运动，以使压缩腔内的第一工质膨胀或者被压缩。

可选地，第二谐振弹簧233的一端与永磁体223固定连接，另一端与动子骨架231固定连接。这样，一方面，第二谐振弹簧233对筒状结构的动子骨架231能够产生一定的支撑作用，使动子骨架231保持稳定；另一方面，当第二动子组件220做往复运动时，在第二谐振弹簧233的作用下，减小第二动子组件230在第二通道222内的径向的晃动，进而减小第二动子组件230在第二通道222内的径向发生位移。

在一些实施例中，第一谐振弹簧224为板弹簧或者为柔性弹簧。可选地，第一谐振弹簧224为板弹簧。这样，可以确保第一动子组件220的轴向弹性支承。

可选地，对于第一动子组件220和第二动子组件230的运动来说，其运动相位符合以下公式：

其中，x为动子的位移，α为电机比推力系数，I为电流，i为虚数单位，Z_m为机械阻抗，A为动子截面积，Z_a为动子正面所对气体阻抗，Z_b为动子背面所对气体阻抗。在实际使用时可依据实际的机械阻抗和气体阻抗计算，计算得到第一动子组件220和第二动子组件230位移，通过计算进行调整，可以使得第二动子运动恰好落后第一动子90°相位，从而满足压缩腔120内的第一工质的运动相位落后于膨胀腔221内的第一工质的运动相位90°的关系，提升斯特林制冷机的整机效率。

在一些实施例中，斯特林制冷机冷头装置100还包括依次连接的热端换热器150、回热器160和冷端换热器170。其中，热端换热器150设置于压缩腔120内且远离第二壳体210的一端。

可选地，在第一工质在压缩腔120内被活塞头130压缩产生热量后被推入热端换热器150，经过放热过程后被推入回热器160中继续降温，而后被推入至冷端换热器170中将其中蕴含的冷量传递给外界需要冷量的场所，从而达到制冷的目的。

在一些实施例中，热端换热器150为管壳式换热器，内部设有第二工质的流体通道，第二工质能够与第一工质进行热交换。

可选地，热端换热器150内设有流体通道，流体通道内流动有第二工质。第一工质在压缩腔120被活塞头130压缩产生热量后被推入热端换热器150，将热量传递给热端换热器150内的第二工质。优选地，第二工质为水，水在流体通道内流动将第一工质的热量带走。第一工质与第二工质进行热交换后被推入回热器160，在回热器160中，第一工质的温度继续降低。而后被推入到冷端换热器170将其中的冷量传递给外界需要冷量的场所，从而达到制冷的目的。可选地，冷端换热器170设有冷端封头，用于向外界传递冷量。

在一些实施例中，回热器160内部填充多孔介质，多孔介质为不锈钢丝网、不锈钢纤维或铅丸。

图3是本公开实施例提供的一个图1的B部放大示意图。

结合图1、图3所示，在一些实施例中，斯特林制冷机冷头装置100还包括第三壳体180。第三壳体180套设于第一壳体110的外部，与第一壳体110共同限定出第三通道190，其中，第三通道190与膨胀腔221相连通。这样，第一工质在冷端换热器放出冷量后，可以通过第三通道190流回至膨胀腔221内，从而往复循环工作。

在本公开实施例中，膨胀腔221内的第一工质随着第一动子组件220的交变运动产生运动，而压缩腔120内的第一工质能够随着第二动子组件230交变运动产生运动，通过控制第一动子组件220的驱动力的大小和第二动子组件230的驱动力的大小的不同，从而使第二动子组件230的运动落后于第一动子组件220，进而使得压缩腔120内的第一工质的运动相位落后于膨胀腔221内的第一工质的运动相位，提升斯特林制冷机的制冷性能。

以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。本公开的实施例并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种斯特林制冷机，包括斯特林制冷机冷头装置(100)，其包括内部中空形成有压缩腔(120)的第一壳体(110)，所述压缩腔(120)内设有活塞头(130)，其特征在于，斯特林制冷机还包括用于压缩第一工质的双动子线性压缩装置(200)，所述双动子线性压缩装置(200)包括：

第二壳体(210)，与所述第一壳体(110)固定连接，且内部设有与所述压缩腔(120)同轴设置的第一通道(211)；

第一动子组件(220)，设置于所述第一通道(211)内，并与所述第一壳体(110)之间限定有膨胀腔(221)，被配置为在驱动力的作用下沿所述膨胀腔(221)的轴向朝向所述第一壳体(110)的方向运动；

第二动子组件(230)，设置于所述第一动子组件(210)内部，一端与所述第一动子组件(210)固定连接，另一端通过一连杆(140)与所述活塞头(130)连接，被配置为在驱动力的作用下在所述第一动子组件(210)内部向所述第一壳体(110)的方向同步带动所述活塞头(130)在所述压缩腔(120)内运动，压缩所述第一工质。

2.根据权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述双动子线性压缩装置(200)还包括：

定子组件(240)，固定设置于所述第二壳体(210)上，与所述第一动子组件(220)构成间隙密封，被配置为驱动所述第一动子组件(220)沿所述膨胀腔(221)的轴向往复运动。

3.根据权利要求2所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述定子组件(240)包括：

定子骨架(241)，被构造为筒状结构；

定子磁感线圈，设置于所述定子骨架(241)的内部；

其中，所述第一动子组件(220)设有与所述定子磁感线圈相作用的磁性件。

4.根据权利要求3所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述第一动子组件(220)包括：

永磁体(223)，内部中空形成有第二通道(222)，被配置为在所述定子组件(240)的驱动下沿所述膨胀腔(221)的轴向运动；

第一谐振弹簧(224)，一端与所述第二壳体(210)固定连接，另一端与所述永磁体(223)固定连接。

5.根据权利要求4所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述第二动子组件(230)包括：

动子骨架(231)，设置于所述第二通道(222)内，被构造为筒状结构，其中，所述连杆(140)贯穿所述永磁体(221)以连接所述动子骨架(231)和所述活塞头(130)；

动子磁感线圈，设置于所述动子骨架(231)的内部，与外部的驱动模块电连接；

第二谐振弹簧(233)，一端与所述永磁体(221)固定连接，另一端与所述动子骨架(231)固定连接。

6.根据权利要求4所述的斯特林制冷机，其特征在于，

所述第一谐振弹簧(222)为板弹簧或者为柔性弹簧。

7.根据权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述斯特林制冷机冷头装置(100)还包括依次连接的热端换热器(150)、回热器(160)和冷端换热器(170)，其中，所述热端换热器(150)设置于所述压缩腔(120)内且远离所述第二壳体(210)的一端。

8.根据权利要求7所述的斯特林制冷机，其特征在于，

所述热端换热器(150)为管壳式换热器，内部设有第二工质的流体通道，所述第二工质能够与所述第一工质进行热交换。

9.根据权利要求7所述的斯特林制冷机，其特征在于，

所述回热器(160)内部填充多孔介质，所述多孔介质为不锈钢丝网、不锈钢纤维和铅丸。

10.根据权利要求7所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述斯特林制冷机冷头装置(100)还包括：

第三壳体(180)，套设于所述第一壳体(110)的外部，与所述第一壳体(110)共同限定出第三通道(190)，其中，所述第三通道(190)与所述膨胀腔(221)相连通。

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