CN116045538A - 斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种斯特林制冷机，本发明涉及制冷技术领域，包括：发动机单元，用于利用输入热量产生声功，并能够接收声功后放大输出；制冷单元，用于接收所述声功，并利用所述声功产生冷量；室温换热单元，置于所述发动机单元和所述制冷单元之间，维持温度在设定范围内；排出器单元，置于所述发动机单元和所述室温换热单元围绕所形成的中间腔内，用于传递声功和调节声场相位。本发明提供的斯特林制冷机，通过顺次紧密排布的发动机单元、室温换热单元和制冷单元，并在发动机单元和室温换热单元的中部形成中间腔，将排出器单元置于中间腔内，从而缩短排出器单元长度使结构更加紧凑，减小其因壁面温度梯度带来的热变形，来提高排出器单元运动可靠性。

Description

斯特林制冷机

技术领域

本发明涉及制冷机技术领域，尤其涉及一种斯特林制冷机。

背景技术

斯特林发动机是通过气缸内工作介质(氢气或氦气)经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力，因此又被称为热气机。斯特林发动机是一种外燃发动机，其有效效率一般介于汽油机与柴油机之间。斯特林热机在逆向运转时，可以作为制冷机或热泵机。

现有斯特林制冷机例如热驱动自由活塞斯特林制冷机、直连型热驱动自由活塞斯特林制冷机和斯特林发动机驱动脉管制冷机都具有结构不紧凑，占用空间大，可靠性低等缺点。

发明内容

本发明提供一种斯特林制冷机，用以解决现有技术中斯特林制冷机结构不紧凑，占用空间大，可靠性低等缺点的缺陷，实现合理化设计发动机单元、室温换热单元和制冷单元的排布，缩短排出器单元长度，使结构紧凑，占用空间小，可靠性增强。

本发明提供一种斯特林制冷机，包括：

发动机单元，用于利用输入热量产生声功，并能够接收声功后放大输出；

制冷单元，用于接收所述声功，并利用所述声功产生冷量；

室温换热单元，置于所述发动机单元和所述制冷单元之间，维持温度在设定范围内，所述室温换热单元与所述发动机单元形成温度梯度并进行热交换，所述室温换热单元与所述制冷单元形成温度梯度并进行热交换；

排出器单元，置于所述发动机单元和所述室温换热单元围绕所形成的中间腔内，用于传递声功并调节声场相位；

其中，所述中间腔与所述发动机单元、所述制冷单元以及所述室温换热单元连通。

根据本发明提供的斯特林制冷机，所述发动机单元包括高温换热器和第一回热器，所述高温换热器用于输入热量与所述第一回热器相连，所述第一回热器与所述室温换热单元连接，

其中，所述第一回热器用于产生所述声功，将所述声功传递给所述排出器单元，并能够接收来自所述排出器单元的声功进行放大输出。

根据本发明提供的斯特林制冷机，所述制冷单元包括冷端换热器和第二回热器，所述第二回热器与所述室温换热单元连接，所述第二回热器与所述冷端换热器相连，

其中，所述第二回热器用于接收并利用所述排出器单元传递的所述声功，所述第二回热器对所述冷端换热器和所述室温换热单元进行热交换。

根据本发明提供的斯特林制冷机，所述排出器单元包括排出器、连接杆和弹性往复件，所述排出器与所述连接杆的始端连接，所述连接杆的末端与所述弹性往复件连接，

其中，所述排出器置于所述中间腔内，所述连接杆穿过所述室温换热单元和所述制冷单元。

根据本发明提供的斯特林制冷机，所述排出器单元包括排出器、连接杆和弹性往复件，所述连接杆与所述弹性往复件连接，所述弹性往复件与所述排出器连接，所述连接杆置于所述中间腔底部。

根据本发明提供的斯特林制冷机，还包括声功消耗机构，所述声功消耗机构与所述制冷单元连通，用于消耗所述制冷单元未利用的声功。

根据本发明提供的斯特林制冷机，所述声功消耗机构为电机活塞装置。

根据本发明提供的斯特林制冷机，所述声功消耗机构包括脉冲管、第一室温换热器、惯性管和气库，所述脉冲管一端与所述制冷单元连接，另一端与所述第一室温换热器连接，所述第一室温换热器与所述惯性管连接，所述惯性管与所述气库连接。

根据本发明提供的斯特林制冷机，所述声功消耗机构包括谐振活塞、板弹簧和阻尼器，所述谐振活塞与所述制冷单元连通，所述板弹簧置于所述谐振活塞之间，所述阻尼器置于所述谐振活塞下端。

根据本发明提供的斯特林制冷机，所述连接杆开有通孔。

本发明提供的斯特林制冷机，通过顺次紧密排布的发动机单元、室温换热单元和制冷单元，并在发动机单元和室温换热单元的中部形成中间腔，将排出器单元置于中间腔内，从而缩短排出器单元长度使结构更加紧凑，减小其因壁面温度梯度带来的热变形，来提高排出器单元运动可靠性，与现有技术相比取消热缓冲管减少热损失，取消低温制冷机谐振管/谐振活塞结构，提高制冷机效率和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的斯特林制冷机的结构示意图之一；

图2是本发明提供的斯特林制冷机的结构示意图之二；

图3是本发明提供的斯特林制冷机的结构示意图之三；

图4是本发明提供的斯特林制冷机的结构示意图之四。

附图标记：

100：发动机单元； 200：制冷单元； 300：室温换热单元；

400：排出器单元； 410：中间腔； 101：高温换热器；

102：第一回热器； 201：第二回热器； 202：冷端换热器；

401：排出器； 402：连接杆； 403：弹性往复件；

500：声功消耗机构； 501：活塞； 502：磁体；

503：硅钢片； 504：线圈； 511：脉冲管；

512：第一室温换热器； 513：惯性管； 514：气库；

521：谐振活塞； 522：板弹簧； 523：阻尼器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1至图4，对本发明的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种斯特林制冷机，包括：发动机单元100，用于利用输入热量，产生声功，并能够接收声功后放大输出；制冷单元200，用于接收声功，并利用声功产生冷量；室温换热单元300，置于发动机单元100和制冷单元200之间，维持温度在设定范围内，与发动机单元100形成温度梯度并进行热交换，与制冷单元200形成温度梯度并进行热交换；排出器单元400，置于发动机单元100和室温换热单元300围绕所形成的中间腔410内，用于传递声功并调节声场相位；其中，中间腔410与发动机单元100、制冷单元200以及室温换热单元300连通。

具体来说，发动机单元100、室温换热单元300和制冷单元200顺次连接，发动机单元100和室温换热单元300的中部形成中间腔410，换句话说，中间腔410四周和底部围绕有发动机单元100和室温换热单元300。排出器单元400置于中间腔410内，外部循环热流体通过发动机单元100输入热量，室温换热单元300维持室温，发动机单元100由于输入的热量和保持室温的室温换热单元300形成温度梯度，从而产生声功。声功传递给中间腔410的排出器单元400，排出器单元400将一部分声功传递给制冷单元200，另一部分重新回到发动机单元100内。

进入制冷单元200的声功，被消耗用来驱动制冷单元200制冷，制冷过程产生的热量与室温换热单元300进行热交换，从而保持制冷单元200的低温。进入发动机单元100的声功，被发动机单元100放大后重新传递给排出器单元400，进行下一次循环。

其中，室温换热单元300可以通过与水路连接从而维持设定温度，例如室温换热单元300可以为室温换热器。

本发明的斯特林制冷机相较于现有斯特林制冷机，排出器单元400的长度相较于现有结构被缩短，稳定性增强，减轻了因排出器单元400偏移而导致运动受阻的问题。此外，排出器单元400只跨越高温和室温两个温区，减少因热变形而使得阻尼增加、运动情况恶化的问题。

如图2所示，在本发明的另一个实施例中，发动机单元100包括高温换热器101和第一回热器102，高温换热器101用于输入热量与第一回热器102相连，第一回热器102与室温换热单元300连接，其中，第一回热器102用于产生声功，将声功传递给排出器单元400，并能够接收来自排出器单元400的声功进行放大输出。

具体来说，高温换热器101、第一回热器102和室温换热单元300形成中间腔410，排出器单元400置于中间腔410内。外部循环热流体通过高温换热器101输入热量，高温换热器101和室温换热单元300使第一回热器102形成温度梯度，第一回热器102中的气体自激振荡产生声功，在传递声功的过程中室温换热单元300仅为通道的作用。第一回热器102中产生的声功，传递给排出器单元400，排出器单元400将一部分声功传递给制冷单元200，另一部分又返回到第一回热器102中，在第一回热器102中进一步放大后，再次传递给排出器单元400进行下一次循环。

继续参考图2，在本发明的另一个实施例中，制冷单元200包括冷端换热器202和第二回热器201，第二回热器201与室温换热单元300连接，第二回热器201与冷端换热器202相连，其中，第二回热器201用于接收排出器单元400传递的声功，第二回热器201对冷端换热器202和室温换热单元300进行热交换。

进一步地，冷端换热器202在输出冷量的同时会产生热量，为了保持不断的输出冷量，需要对产生的热量进行消耗和降温。从排出器单元400传递来的一部分声功进入到第二回热器201中，第二回热器201利用声功将冷端换热器202的热量与室温换热单元300进行热交换，从而消耗冷端换热器202的热量，持续输出冷量。

继续参考图2，在本发明的一个可选实施例中，排出器单元400包括排出器401、连接杆402和弹性往复件403，排出器401与连接杆402的始端连接，连接杆402的末端与弹性往复件403连接，其中，排出器401置于中间腔410内，连接杆402穿过室温换热单元300和制冷单元200。

换句话说，排出器401和弹性往复件403分别置于连接杆402的两端，排出器401置于中间腔410内。第一回热器102将声功传递给排出器401，排出器401通过连接杆402将振动传递给弹性往复件403，弹性往复件403的往复振动又进一步地带动排出器401振动，从而实现排出器401的自主振动循环，从而实现声功的不断传递。

其中，连接杆402穿过室温换热单元300和制冷单元200，即连接杆402穿过室温换热单元300、第二回热器201和冷端换热器202，并且弹性往复件403置于冷端换热器202下部。本发明的斯特林制冷机相较于现有斯特林制冷机，排出器401的长度相较于现有结构被缩短，稳定性增强，减轻了因排出器401偏移而导致运动受阻的问题。此外，排出器401只跨越高温和室温两个温区，减少因热变形而使得阻尼增加、运动情况恶化的问题。取消了现有结构设置的热缓冲管结构，减少了因自然对流带来的热损失。

此外，在本发明的另一个可选实施例中，斯特林制冷机还包括声功消耗机构500，声功消耗机构500与制冷单元200连通，用于消耗从制冷单元200流出的声功。其中，在本发明的其它实施例中，声功消耗机构500为电机活塞装置。

具体来说，制冷单元200消耗一部分声功来实现热交换，但是在为耗尽声功的情况下，需要其它结构来进一步消耗，例如制冷单元200为室温制冷机，剩余声功较多，需通过电机活塞装置消耗声功产生电能。

进一步地，电机活塞装置包括硅钢片503、线圈504、活塞501以及磁体502，通过声功带动活塞501从而产生电能。其中，在本实施例中，连接杆402穿过活塞501，弹性往复件403置于活塞501下部即置于背压腔中。电机活塞装置与制冷单元200的冷端换热器202之间的空腔为压缩腔。

如图3和图4所示，在本发明的另一个可选实施例中，排出器单元400包括排出器401、连接杆402和弹性往复件403，连接杆402与弹性往复件403连接，弹性往复件403与排出器401连接，连接杆402置于中间腔410底部。

换言之，弹性往复件403置于排出器401和连接杆402之间，排出器401和连接杆402通过弹性往复件403连接，连接杆402带有底座置于中间腔410的底部。在本发明的一些实施例中，连接杆402的底座与室温换热单元300连接。此外，在本发明的实施例中，连接杆402开有通孔，用于实现中间腔410与室温换热单元300和制冷单元200的连通，也便于声功的传递。

如图3所示，在本发明的可选实施例中，声功消耗机构500包括脉冲管511、第一室温换热器512、惯性管513和气库514，脉冲管511一端与制冷单元200连接，另一端与第一室温换热器512连接，第一室温换热器512与惯性管513连接，惯性管513与气库514连接。

具体地，脉冲管511与冷端换热器202相连通，第一室温换热器512用于对内部工质气体进行散热和导流。惯性管513和气库514用于耗散制冷单元200剩余的声功。本发明实施例的斯特林制冷机结构取消了传统斯特林发动机驱动脉管制冷机的谐振活塞521调相结构或谐振管调相结构，减少因调相结构带来的能量损失；同时缩短了整机尺寸，适用性更强。

如图4所示，在本发明的其它实施例中，声功消耗机构500包括谐振活塞521、板弹簧522和阻尼器523，谐振活塞521与制冷单元200连通，板弹簧522置于谐振活塞521之间，谐振活塞521包括上下两部分，板弹簧522置于上下两部分之间，阻尼器523置于谐振活塞521下端。

具体地，谐振活塞521与冷端换热器202连通，谐振活塞521与冷端换热器202之间为压缩腔。通过谐振活塞521、板弹簧522和阻尼器523实现对制冷单元200剩余声功的消耗。本发明实施例的斯特林制冷机结构通过用带有阻尼器523的活谐振塞取代脉管制冷机的惯性管513和气库514，缩短了整机尺寸，适用性更强。

本发明提供的斯特林制冷机，通过顺次紧密排布的发动机单元、室温换热单元和制冷单元，并在发动机单元和室温换热单元的中部形成中间腔，将排出器单元置于中间腔内，从而缩短排出器单元长度使结构更加紧凑，减小其因壁面温度梯度带来的热变形，来提高排出器单元运动可靠性，与现有技术相比取消热缓冲管减少热损失，取消低温制冷机谐振管/谐振活塞结构，提高制冷机效率和可靠性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种斯特林制冷机，其特征在于，包括：

发动机单元，用于利用输入热量产生声功，并能够接收声功后放大输出；

制冷单元，用于接收所述声功，并利用所述声功产生冷量；

室温换热单元，置于所述发动机单元和所述制冷单元之间，维持温度在设定范围内，所述室温换热单元与所述发动机单元形成温度梯度并进行热交换，所述室温换热单元与所述制冷单元形成温度梯度并进行热交换；

排出器单元，置于所述发动机单元和所述室温换热单元围绕所形成的中间腔内，用于传递声功并调节声场相位；

其中，所述中间腔与所述发动机单元、所述制冷单元以及所述室温换热单元连通。

2.根据权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述发动机单元包括高温换热器和第一回热器，所述高温换热器用于输入热量与所述第一回热器相连，所述第一回热器与所述室温换热单元连接，

其中，所述第一回热器用于产生所述声功，将所述声功传递给所述排出器单元，并能够接收来自所述排出器单元的声功进行放大输出。

3.根据权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述制冷单元包括冷端换热器和第二回热器，所述第二回热器与所述室温换热单元连接，所述第二回热器与所述冷端换热器相连，

其中，所述第二回热器用于接收并利用所述排出器单元传递的所述声功，所述第二回热器对所述冷端换热器和所述室温换热单元进行热交换。

4.根据权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述排出器单元包括排出器、连接杆和弹性往复件，所述排出器与所述连接杆的始端连接，所述连接杆的末端与所述弹性往复件连接，

其中，所述排出器置于所述中间腔内，所述连接杆穿过所述室温换热单元和所述制冷单元。

5.根据权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述排出器单元包括排出器、连接杆和弹性往复件，所述连接杆与所述弹性往复件连接，所述弹性往复件与所述排出器连接，所述连接杆置于所述中间腔底部。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的斯特林制冷机，其特征在于，还包括声功消耗机构，所述声功消耗机构与所述制冷单元连通，用于消耗所述制冷单元未利用的声功。

7.根据权利要求6所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述声功消耗机构为电机活塞装置。

8.根据权利要求6所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述声功消耗机构包括脉冲管、第一室温换热器、惯性管和气库，所述脉冲管一端与所述制冷单元连接，另一端与所述第一室温换热器连接，所述第一室温换热器与所述惯性管连接，所述惯性管与所述气库连接。

9.根据权利要求6所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述声功消耗机构包括谐振活塞、板弹簧和阻尼器，所述谐振活塞与所述制冷单元连通，所述板弹簧置于所述谐振活塞之间，所述阻尼器置于所述谐振活塞下端。

10.根据权利要求5所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述连接杆开有通孔。

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