CN216347148U - 斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及低温制冷领域，公开一种斯特林制冷机。包括排出器外壳；波纹管，设置在排出器外壳内，顶端为封闭端，且波纹管的外表面与排出器外壳的内表面之间存在间隙；活塞连杆，一端伸入波纹管内，与波纹管底端密封滑动连接；压缩活塞，位于波纹管的下方，受控运动产生交变气体；交变气体作用于波纹管的底端和顶端，使波纹管做伸缩运动。波纹管的伸缩运动代替了柱形排出器本体的往复运动，由于波纹管的外表面存在褶皱，排出器本体与排出器外壳之间的间隙更加曲折，有效防止气体泄漏。此外，由于波纹管具有足够的径向刚度，因此可以与活塞连杆的末端直接固定，从而省略了现有斯特林制冷机中的板弹簧，简化了斯特林制冷机的结构。

Description

斯特林制冷机

技术领域

本申请涉及低温制冷领域，例如涉及一种斯特林制冷机。

背景技术

结合图1所示，现有的斯特林制冷机包括膨胀机和压缩机。膨胀机是实现冷热效应的元件，压缩机是实现交变电向交变压力波转换的元件。膨胀机包括冷端换热器1，热端换热器6，排出器外壳2，排出器本体9。压缩机包括压缩活塞5，板弹簧10。活塞连杆4将膨胀机中的排出器和压缩机相连接。排出器外壳2的上端连接冷端换热器1，下端连接热端换热器6，排出器本体9设置在排出器外壳2的内部，活塞连杆4上端连接排出器本体9，下端穿过压缩活塞5后与板弹簧10相连接。压缩活塞5受控运动，产生交变气体。交变气体依次经过换热器6和回热器7，在换热器6中放出热量，在回热器7内和多孔介质进行热交换形成线性温度分布，如25℃到-80℃，在冷端换热器1处膨胀制冷，提供冷量，同时，气体作用在排出器本体9的底端和顶端，推动排出器本体9在排出器外壳2内做轴向往复运动，板弹簧10为排出器本体9的运动提供径向刚度。交变气体在膨胀机中实现冷热交换，从而在膨胀机的膨胀腔中实现制冷。排出器本体9与排出器外壳2之间的密封对于斯特林制冷机的工作性能和使用寿命有很重要的影响。气体泄漏是导致斯特林制冷机性能下降的重要原因之一，不仅会使压缩机提供的质量流量和容积效率降低，还会使部分能量外流，会造成排出器上下端泄露冷量严重，因此密封是斯特林制冷机中的一项关键技术。

目前，常用的密封方式是柱状的排出器本体9与排出器外壳2之间形成间隙密封，排出器本体9的表面与排出器外壳2的内表面均为平整光滑表面。

在实现本公开实施例的过程中，发现相关技术中至少存在如下问题：气体容易通过排出器本体与排出器外壳之间的间隙泄露。

实用新型内容

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，提升排出器本体与排出器外壳之间的密封性，减少气体泄漏。

在一些实施例中，所述斯特林制冷机包括：排出器外壳；波纹管，设置在所述排出器外壳内，顶端为封闭端，且波纹管的外表面与排出器外壳的内表面之间存在间隙；冷端换热器，设置在排出器外壳的上端，冷端换热器的下端、排出器外壳的内表面以及波纹管围合成膨胀腔；活塞连杆，一端伸入所述波纹管内，与所述波纹管的底端密封滑动连接，另一端固定；压缩活塞，位于波纹管的下方，受控运动产生交变气体；交变气体作用于波纹管的底端和顶端，使波纹管在排出器外壳内作伸缩运动。

可选地，活塞连杆伸入波纹管的长度与波纹管的轴向长度之比为[0.5，0.8]。这样，既能避免因波纹管伸入长度过短导致波纹管脱离活塞连杆，又能避免活塞连杆伸入长度过长导致收缩过程受到限制。

可选地，波纹管的长度与膨胀腔长度之比为[0.8，0.95]。这样，保证波纹管长度在合适的范围内，波纹管长度过长或过短都会影响波纹管的伸缩运动。

可选地，波纹管的外表面与排出器外壳的内表面之间的间隙的宽度范围为[8μm，20μm]。这样，既能保证波纹管上下两个空腔的密封效果，又能保证波纹管伸缩运动过程中不与排出器外壳发生摩擦。

可选地，波纹管的下端开设有可供活塞连杆插入的连接口。这样，能够减少在活塞连杆和波纹管底端连接处的气体泄漏。同时，活塞连杆作为限位机构，限制波纹管的横向运动，避免波纹管与排出器外壳内壁发生摩擦，影响制冷效果。

可选地，活塞连杆穿过压缩活塞后固定在斯特林制冷机的器壁上。这样，减少了一个易损件板弹簧。

可选地，斯特林制冷机还包括：热端换热器，设置在排出器外壳的下端，且活塞连杆穿过热端换热器的内腔。这样，气体在热端换热器中排出热量。

可选地，热端换热器为环形柱状狭缝式换热器。这样，有助于提高换热效率。

可选地，斯特林制冷机还包括：

回热器，为管壳状结构，套设于排出器外壳的外表面。这样，气体在回热器中进行热量交换，交变振荡的前半个周期，气体排出热量；后半个周期，气体吸收热量。

可选地，回热器为多孔介质回热器。这样，交变气体在回热器内部进行换热。在交变振荡的前半个周期，气体排出热量，使得多孔材料温度上升，在后半个周期，气体排出冷量，使得多孔材料温度下降，并最终在回热器轴向形成剧烈的温度梯度。

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：

由于气体工质作用于波纹管的下端面和上端面，波纹管进行伸缩运动，代替了柱形排出器本体的往复运动，由于波纹管外表面褶皱的存在，排出器本体与排出器外壳之间的间隙更加曲折，这样可以减少气体泄漏，提升排出器本体与排出器外壳之间的密封性。此外，由于波纹管具有足够的径向刚度，因此可以与活塞连杆的末端直接固定，从而省略了现有斯特林制冷机中的板弹簧，简化了斯特林制冷机的结构。

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是现有技术中斯特林制冷机的整体示意图；

图2是本公开实施例提供的斯特林制冷机的剖面示意图；

图3是本公开实施例提供的波纹管的局部放大示意图；

图4是本公开实施例提供的波纹管运动的示意图；

图5是本公开实施例中波纹管一种运动状态的示意图；

图6是本公开实施例中波纹管另一种运动状态的示意图；

图7是本公开实施例中波纹管另一种运动状态的示意图；

图8是本公开实施例中波纹管另一种运动状态的示意图。

附图标记：

1：冷端换热器；2：排出器外壳；3：波纹管；4：活塞连杆；5：压缩活塞；6：热端换热器；7：回热器；8：回热器外壳；9：排出器本体；10：板弹簧；23：间隙。

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。

结合图2和图3所示，本公开实施例提供一种斯特林制冷机，包括：冷端换热器1，排出器外壳2，波纹管3，活塞连杆4和压缩活塞5。波纹管3设置在排出器外壳2的内部，波纹管3的顶端为封闭端，且波纹管3的外表面与排出器外壳2的内表面之间存在间隙23。冷端换热器1，设置在排出器外壳2的上端。冷端换热器1的下端、排出器外壳2的内表面以及波纹管3围合成膨胀腔。活塞连杆4一端伸入波纹管3内，与波纹管3的底端密封滑动连接，另一端固定。压缩活塞5，位于波纹管3的下方，受控运动产生交变气体。交变气体作用于波纹管3的底端和顶端，使波纹管3在排出器外壳2内作伸缩运动。

采用本公开实施例提供的斯特林制冷机，由于气体工质作用于波纹管的底端和顶端，波纹管进行伸缩运动，代替了柱形排出器本体的往复运动。由于波纹管外表面褶皱的存在，排出器本体与排出器外壳之间的间隙更加曲折，这样可以减少气体泄漏，提升排出器本体与排出器外壳之间的密封性，减少气体泄漏。此外，由于波纹管具有足够的径向刚度，因此可以与活塞连杆的末端直接固定，从而省略了现有斯特林制冷机中的板弹簧，简化了斯特林制冷机的结构。

可选地，活塞连杆4伸入波纹管3的长度与波纹管3的轴向长度之比为[0.5，0.8]。

其中，波纹管3的轴向长度为波纹管3既没有收缩也没有伸长的自然状态下的长度。

这样，既能避免因波纹管伸入长度过短导致波纹管脱离活塞连杆，又能避免活塞连杆伸入长度过长导致收缩过程受到限制。

可选地，活塞连杆4的截面积占波纹管3底端面积的比例范围为[10％，30％]。

这样，能够保证活塞连杆的截面积在合适的范围内，活塞连杆的截面积越大，波纹管底端占据的面积越小，气体作用的面积越小，不能提供给波纹管运动足够的动力。

可选地，波纹管3的长度与膨胀腔长度之比为[0.8，0.95]。

其中，波纹管3的长度指波纹管3既没有收缩也没有伸长的自然状态下的长度。膨胀腔的长度指冷端换热器1的下端到波纹管3下端的长度。

这样，保证波纹管长度在合适的范围内，波纹管长度过长或过短都会影响波纹管的伸缩运动。

可选地，波纹管3与排出器外壳2之间的间隙23的宽度范围为[8μm，20μm]。

这样，既能保证波纹管上下两个空腔的密封效果，又能保证波纹管伸缩运动过程中不与排出器外壳发生摩擦。

可选地，波纹管3的下端开设有可供活塞连杆4插入的连接口。连接口的尺寸与活塞连杆4的尺寸相匹配。这样，能够减少在活塞连杆和波纹管底端连接处的气体泄漏。同时，活塞连杆作为限位机构，限制波纹管的横向运动，避免波纹管与排出器外壳内壁发生摩擦，影响制冷效果。

可选地，活塞连杆4穿过压缩活塞5后固定在斯特林制冷机的器壁上。这样，减少了一个易损件板弹簧。

可选地，压缩活塞5为线性压缩机主动活塞。这样，能产生往复运动的交变振荡气体。

结合图2和图3所示，本公开实施例另外提供一种斯特林制冷机，包括：冷端换热器1，排出器外壳2，波纹管3，活塞连杆4和压缩活塞5。还包括热端换热器6。波纹管3设置在排出器外壳2内部，波纹管3的顶端为封闭端，且波纹管3的外表面与排出器外壳2的内表面之间存在间隙23。冷端换热器1，设置在排出器外壳2的上端。冷端换热器1的下端、排出器外壳2的内表面以及波纹管3围合成膨胀腔。活塞连杆4一端伸入波纹管3内，与波纹管3的底端密封滑动连接，另一端固定。压缩活塞5，位于波纹管3的下方，受控运动产生交变气体。交变气体作用于波纹管3的底端和顶端，使波纹管3在排出器外壳2内作伸缩运动。热端换热器6设置在排出器外壳2的下端，且活塞连杆4穿过热端换热器6的内腔。这样，气体在热端换热器中排出热量。

波纹管3的底端，热端换热器6以及压缩活塞5的上端面共同围合限定成压缩腔。

可选地，热端换热器6为环形柱状狭缝式换热器。

这样，有助于提高换热效率。

可选地，热端换热器6为锥形狭缝式换热器。

这样，结构简单，紧凑。

结合图2和图3所示，本公开实施例另外提供一种斯特林制冷机，包括：冷端换热器1，排出器外壳2，波纹管3，活塞连杆4和压缩活塞5。还包括回热器7。波纹管3设置在排出器外壳2内部，波纹管3的顶端为封闭端，且波纹管3的外表面与排出器外壳2的内表面之间存在间隙23。冷端换热器1，设置在排出器外壳2的上端。冷端换热器1的下端、排出器外壳2的内表面以及波纹管3围合成膨胀腔。活塞连杆4一端伸入波纹管3内，与波纹管3的底端密封滑动连接，另一端固定。压缩活塞5，位于波纹管3的下方，受控运动产生交变气体。交变气体作用于波纹管3的底端和顶端，使波纹管3在排出器外壳2内作伸缩运动。回热器7为管壳状结构，套设于排出器外壳2的外表面。

这样，气体在回热器7中进行热量交换，交变振荡的前半个周期，气体排出热量；后半个周期，气体吸收热量。

可选地，回热器7为多孔介质回热器。

这样，交变气体在回热器内部进行换热。在交变振荡的前半个周期，气体排出热量，使得多孔材料温度上升，在后半个周期，气体排出冷量，使得多孔材料温度下降，并最终在回热器轴向形成剧烈的温度梯度，如从回热器入口到回热器出口可以从273K到80K，温度基本呈线性分布。

可选地，多孔材料为不锈钢金属丝网，铅丸，多孔PET塑料等材料。

可选地，回热器7为带状回热器，由一条带状物缠绕制成，具有规律的纵向通孔。

这样，能够形成均匀分布的气流通路，增加了孔隙率，得到更好的透气性，能够提高斯特林制冷机的工作效率。

可选地，带状物由PP(Polypropylene，聚丙烯)或PE(Polyethene，聚乙烯)塑料制成。

可选地，该斯特林制冷机还包括回热器外壳8，套设在回热器7的外表面。

前述实施例中的斯特林制冷机，在实际运行的过程中，压缩机靠电磁感应效应驱动，为压缩活塞5的运动提供动力，压缩活塞5产生往复运动的交变气体，交变气体主体部分进入热端换热器6，排出热量。然后进入回热器7进行进一步的热量交换。交变气体进入膨胀腔，在膨胀腔中等温膨胀，吸收热量，从而实现制冷。随着波纹管3的运动，吸热后的气体按照上述过程逆向流动，最终回到压缩腔，完成一个热力学循环，准备进入下一轮的循环过程。

压缩活塞5产生的交变气体首先到达波纹管3的底端，推动波纹管3底端向上运动，另一部分气体先后经过热端换热器6，回热器7，之后到达膨胀腔，并用于波纹管3的顶端，这两部分气体频率相同，相位不同，存在恒定不变的相位差。两部分气体共同作用使得波纹管3做规律的伸缩运动，完成逆斯特林循环的四个阶段。因此，波纹管3的运动状态与交变气体直接相关，实际操作过程中，通过设置压缩机的参数控制交变气体的频率和相位差，从而控制波纹管3的伸缩运动。

结合图4所示，具体描述工作状态下波纹管3的运动规律，图中状态0-4为一个周期。其中0-1，1-2，2-3，3-4分别对应斯特林逆向循环中的等温压缩，等容放热，等温膨胀，等容吸热四个过程。图中两条曲线分别展示了波纹管顶端的路径曲线和波纹管底端的路径曲线，两条曲线中间所夹距离乘以波纹管3的横截面积即为波纹管3的内部容积。

处于状态点0的波纹管3状态如图5所示，波纹管3处于自然状态，未被压缩，波纹管的顶端和底端处于初始位置。

处于状态点1的波纹管3状态如图6所示，波纹管3处于收缩状态，与状态点0相比，波纹管3的顶端下移，底端上移。

处于状态点2的波纹管3状态如图7所示，波纹管3处于收缩状态，与状态点1相比，波纹管3的顶端上移，并回到初始位置；底端上移。

处于状态点3的波纹管3状态如图8所示，波纹管3恢复自然状态，与状态点2相比，波纹管3的顶端继续上移，高于初始位置；底端下移。

处于状态点4的波纹管3状态如图5所示，与状态点3相比，波纹管3整体下移，恢复到初始状态，继续进行下一个循环。

由于波纹管的伸缩运动代替了原来的排出器本体的往复运动，依靠波纹管的伸缩实现斯特林制冷机的循环过程。由于波纹管外表面褶皱的存在，排出器本体与排出器外壳之间的间隙更加曲折，有效防止气体泄漏。此外，由于波纹管具有足够的径向刚度，因此可以与活塞连杆的末端直接固定，从而省略了现有斯特林制冷机中的板弹簧，简化了斯特林制冷机的结构。工作过程中，作用于波纹管顶端的交变气体的一部分功被压缩腔回收，从而提高了制冷效率。

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，其特征在于，包括：

排出器外壳(2)；

波纹管(3)，设置在所述排出器外壳(2)内，顶端为封闭端，且所述波纹管(3)的外表面与所述排出器外壳(2)的内表面之间存在间隙(23)；

冷端换热器(1)，设置在所述排出器外壳(2)的上端，所述冷端换热器(1)的下端、所述排出器外壳(2)的内表面以及所述波纹管(3)围合成膨胀腔；

活塞连杆(4)，一端伸入所述波纹管(3)内，与所述波纹管(3)的底端密封滑动连接，另一端固定；

压缩活塞(5)，位于所述波纹管(3)的下方，受控运动产生交变气体；交变气体作用于所述波纹管(3)的底端和顶端，使所述波纹管(3)在所述排出器外壳(2)内作伸缩运动。

2.根据权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述活塞连杆(4)伸入所述波纹管(3)的长度与所述波纹管(3)的轴向长度之比为[0.5，0.8]。

3.根据权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述波纹管(3)的长度与膨胀腔长度之比为[0.8，0.95]。

4.根据权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述间隙(23)的宽度范围为[8μm，20μm]。

5.根据权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述波纹管(3)的下端开设有供所述活塞连杆(4)插入的连接口。

6.根据权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述活塞连杆(4)穿过所述压缩活塞(5)后固定在斯特林制冷机的器壁上。

7.根据权利要求1至6任一项所述的斯特林制冷机，其特征在于，还包括：

热端换热器(6)，设置在所述排出器外壳(2)的下端，且所述活塞连杆(4)穿过所述热端换热器(6)的内腔。

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(6)为环形柱状狭缝式换热器。

9.根据权利要求1至6任一项所述的斯特林制冷机，其特征在于，还包括：

回热器(7)，为管壳状结构，套设于所述排出器外壳(2)的外表面。

10.根据权利要求9所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述回热器(7)为多孔介质回热器。

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