一种脉管型自由活塞斯特林制冷机及制冷方法技术

根据本发明专利技术的脉管型自由活塞斯特林制冷机及制冷方法，脉管型自由活塞斯特林制冷机，包括直线电机、压缩单元、膨胀机单元以及机架。脉管型自由活塞斯特林制冷机的制冷方法，包括以下步骤：膨胀活塞从下止点开始向上运动至上止点；压缩活塞运动至下止点；膨胀活塞将膨胀腔内的声波推回至脉冲管中；工质气体在脉冲管内膨胀吸热，产生制冷效应；在脉冲管顶部靠近导流器处达到最低制冷温度；产生的冷量通过冷端换热器导出至用冷环境；声波工质再沿原路径返回回热器内并与填料充分接触换热，吸收回热器内的热量后，重新返回压缩腔等待下一次压缩。

【技术实现步骤摘要】
一种脉管型自由活塞斯特林制冷机及制冷方法
本专利技术属于制冷领域，具体涉及一种脉管型自由活塞斯特林制冷机及制冷方法。
技术介绍
低温制冷机制冷作为一种重要的获取低温的方法，其广泛应用于航空、军事、超导、通信、电子、冶金、工业气体液化以及生物医疗等领域。特别是近年来，我国航天事业的蓬勃发展，使得低温制冷机在航空航天的应用需求越来越明显。生命科学、空间材料科学实验是空间科研的重要组成部分。据统计，2000年9月至2010年3月国际空间站科研实验中与人体医学、生物技术相关的实验任务占据了全部研究活动的一半以上，我国载人航天任务实施之初，就针对空间生命科学、医学相关科研工作需要，提出了空间低温存储装置研制的需求。空间生命科学、空间材料科学等空间科学实验研究在准备阶段、中间过程和实验结束后，都需要在空间站舱内温度可控的低温环境中保存实验样品。可以说，空间低温冰箱已经成为了空间站的标准配置。目前，NASA在国际空间站(ISS)投入使用的冷藏冷冻设备中，主要制冷方式有热电制冷、逆布雷顿制冷和斯特林循环制冷。GLACIER(GeneralLaboratoryActiveCryogenicISSExperimentRefrigerator)是NASA研制的第一台可同时用于空间站及飞船两个平台的-80℃低温存储装置，采用自由活塞斯特林制冷机制冷，在风模式下，可实现4℃至-95℃的制冷温度；在水冷却模式下，可实现4℃至-160℃的低温存储。为进一步提高在轨及上、下行过程中低温存储能力，NASA与阿拉巴马大学伯明翰分校合作开发了单模块单元尺寸(273x460x522mm)的低温存储产品Polar。该装置同样采用了自由活塞斯特林制冷机作为冷源，可实现-80℃低温存储及样本运输，最大保存容积为12.7L。斯特林制冷机的理论制冷效率等于卡诺效率，其实际运行时的效率也是目前所有低温制冷机中效率最高的一种。自由活塞斯特林制冷机结构由WilliamBeale于20世纪60年代提出，其主要特征是采用直线压缩机驱动、柔性弹簧支撑、间隙密封结合气体轴承等技术，具有结构紧凑、噪音小、寿命长、可靠性高等优点。Sunpower公司开发的商业自由活塞斯特林制冷机在液氮温区的最高相对卡诺效率已经突破20％，其子公司StirlingUltracold公司(原GlobalCooling公司)研制的低温冰箱采用的就是自由活塞斯特林制冷机。2012，StirlingUltracold公司比较了两级复叠低温冰箱和斯特林低温冰箱，发现采用自由活塞斯特林制冷机的低温冰箱在节能方面具有重大优势，与传统的低温冰箱相比，斯特林低温冰箱可节能超过50％。由以上自由活塞斯特林制冷机的应用现状可见，自由活塞斯特林制冷机具有较好的应用前景，在空间制冷应用方面尤其值得关注，针对低温冰箱领域来说，其主要制冷温区在120～200K之间，而目前国内外研究的低温斯特林制冷机主要在液氮温区附近。特别是国内科研机构，对中温区(120K～200K)制冷的小型低温机械制冷机的研究相对不足。由于空间制冷对能耗有严格的要求，因此提高制冷机的效率一直就是空间制冷机的主流研究方向，目前主流的空间制冷机主要是斯特林制冷机和脉管制冷机，比较二者的理论制冷效率，从热力学角度而言，同温限工作下的脉管制冷机效率总是低于斯特林制冷机的。脉管制冷机的效率之所以低于斯特林制冷机，主要是因为脉管制冷机不像斯特林制冷机有膨胀活塞这样的结构将气体的膨胀功“反馈”至压缩腔，脉管热端的膨胀功主要以热量的形式通过调相机构如惯性管和小孔等耗散至环境中，造成脉管制冷机效率较低。
技术实现思路
为了在保证脉管制冷机自身优点的同时，提高其制冷效率，声功回收型脉管制冷机应运而生。对于小冷量需求的场合，脉管制冷机在调相机构中耗散的声功非常小，声功回收的意义并不十分显著，而对于在中高温区制冷的大功率脉管制冷机而言，其热端耗散的声功十分可观，对这部分声功的有效回收有望大幅提高其制冷效率。因此，声功回收型脉管制冷机在中温区大冷量方面具有较高研究价值。本专利技术的目的之一在于提供一种脉管型自由活塞斯特林制冷机及制冷方法。本专利技术提供了一种脉管型自由活塞斯特林制冷机，具有这样的特征，包括直线电机、压缩单元、膨胀机单元以及机架，其中，机架包括法兰、设置在法兰中的活塞管以及底座，法兰呈圆盘形状，该法兰的一侧还设置有同心的小圆盘，底座呈筒状，一端与法兰的另一侧相连，另一端为自由端，底座的中心线与法兰的中心线重合，活塞管为直通管，外侧一端开口位于小圆盘的外侧，内侧一端开口位于底座内，活塞管内为活塞腔，活塞腔上设置有多个垂直于活塞管轴线并穿透活塞管管壁的通孔，直线电机包括外轭铁、内轭铁以及动子，外轭铁、内轭铁分别设置在机架上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中，压缩单元具有压缩活塞、压缩活塞弹簧，压缩活塞弹簧通过连接件与机架固定连接，压缩活塞设置在活塞管中，一端与动子相连且与压缩活塞弹簧相连，另一端为自由端，膨胀机单元包括膨胀活塞、膨胀活塞弹簧、膨胀活塞杆、一级热端换热器、二级热端换热器、回热器、脉冲管、冷端换热器、导流器，一级热端换热器呈圆筒状，套在活塞管的外壁上且设置在小圆盘的端面上，脉冲管的一端与活塞管外侧一端相连，另一端与冷端换热器相连，回热器呈圆筒状，设置在脉冲管的外侧，一端与冷端换热器相连，另一端与一级热端换热器相连，二级热端换热器设置在脉冲管内，导流器设置在脉冲管顶端且位于脉冲管内，膨胀活塞在活塞管中，膨胀活塞弹簧通过连接件与机架固定连接，膨胀活塞杆的一端与膨胀活塞相连，另一端穿过压缩活塞、压缩活塞弹簧后与膨胀活塞弹簧相连，压缩活塞、膨胀活塞以及活塞腔构成压缩腔，压缩活塞、二级热端换热器以及活塞腔构成膨胀腔。本专利技术提供了一种脉管型自由活塞斯特林制冷机的制冷方法，具有这样的特征，包括以下步骤：膨胀活塞从下止点开始向上运动至上止点；压缩活塞运动至下止点；膨胀活塞将膨胀腔内的声波推回至脉冲管中；工质气体在脉冲管内膨胀吸热，产生制冷效应；在脉冲管顶部靠近导流器处达到最低制冷温度；产生的冷量通过冷端换热器导出至用冷环境；声波工质再沿原路径返回回热器内并与填料充分接触换热，吸收回热器内的热量后，重新返回压缩腔等待下一次压缩。另外，在本专利技术提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机的制冷方法中，还可以具有这样的特征，其中，回热器呈筒状，采用聚酯类薄膜制成。另外，在本专利技术提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机的制冷方法中，还可以具有这样的特征，在冷端换热器和回热器还设置有第一滤层，第一滤层呈筒状，采用不锈钢丝网制成。另外，在本专利技术提供的脉管型自由活塞斯特林制冷机的制冷方法中，还可以具有这样的特征，在以及热端换热器和冷端换热器还设置有第二滤层，第二滤层呈筒状，采用脱脂羊毛制成。专利技术的作用与效果根据本专利技术所涉及的同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机，包括驱动单元、压缩单元、膨胀机单元。本专利技术的同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机取消了传统自由活塞斯特林制冷机较长的低温膨胀活塞，以较短室温区工作的功回收膨胀活塞代替。自由活塞斯特林制冷机的膨胀气缸变成了脉管冷指的脉冲管，脉冲管冷端布置有层流化的导流器，热端设有二级热端换热器。这种改变结合了自由活塞斯特林制冷机和脉管制冷机的优点，通过取消在冷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脉管型自由活塞斯特林制冷机，其特征在于，包括：直线电机、压缩单元、膨胀机单元以及机架，其中，所述机架包括法兰、膨胀活塞管、压缩活塞管、二级热端换热器以及底座，所述法兰呈圆盘形状，该法兰的一侧面设置有同心的圆盘，另一侧面与所述底座相连，所述膨胀活塞管为直通管，一端与所述圆盘相连，另一端为自由端，用于连接制冷机的脉冲管，所述膨胀活塞管内具有柱形膨胀活塞腔，所述压缩活塞管为直通管，设置在所述底座中，一端与所述法兰相连，另一端为自由端，所述压缩活塞管内具有柱形压缩活塞腔，所述压缩活塞腔与所述膨胀活塞腔同轴线且相连通，所述二级热端换热器设置在所述膨胀活塞管内，平行于所述压缩活塞腔轴线，所述圆盘上设置有多个连通所述压缩活塞腔与外部的通孔，所述压缩活塞腔的内径大于所述膨胀活塞腔的内径，所述膨胀活塞腔的内径与所述脉冲管的内径是相同的，所述直线电机包括外轭铁、内轭铁以及动子，所述外轭铁、所述内轭铁分别设置在所述机架上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，所述动子设置在所述间隙中，所述压缩单元具有压缩活塞、压缩活塞弹簧，所述压缩活塞弹簧通过连接件与所述机架固定连接，所述压缩活塞设置在所述压缩活塞管中，一端与所述动子相连且与所述压缩活塞弹簧相连，另一端为自由端，所述膨胀机单元包括膨胀活塞、膨胀活塞弹簧、膨胀活塞杆、脉冲管、冷端换热器，所述一级热端换热器呈圆筒状，套在所述膨胀活塞管的外壁上且设置在所述小圆盘的端面上，所述脉冲管的一端与所述膨胀活塞管相连，另一端与所述冷端换热器相连，所述回热器呈圆筒状，设置在所述脉冲管的外侧，一端与所述冷端换热器相连，另一端与所述一级热端换热器相连，所述膨胀活塞在所述膨胀活塞管中，所述膨胀活塞弹簧通过连接件与所述机架固定连接，所述膨胀活塞杆的一端与所述膨胀活塞相连，另一端穿过所述压缩活塞、所述压缩活塞弹簧后与所述膨胀活塞弹簧相连，所述压缩活塞、所述膨胀活塞、所述压缩活塞腔以及所述膨胀活塞腔构成压缩腔，所述膨胀活塞、所述二级热端换热器以及所述膨胀活塞腔构成膨胀腔，所述膨胀腔与所述压缩腔同轴布置。...

【技术特征摘要】
1.一种脉管型自由活塞斯特林制冷机，其特征在于，包括：直线电机、压缩单元、膨胀机单元以及机架，其中，所述机架包括法兰、膨胀活塞管、压缩活塞管、二级热端换热器以及底座，所述法兰呈圆盘形状，该法兰的一侧面设置有同心的圆盘，另一侧面与所述底座相连，所述膨胀活塞管为直通管，一端与所述圆盘相连，另一端为自由端，用于连接制冷机的脉冲管，所述膨胀活塞管内具有柱形膨胀活塞腔，所述压缩活塞管为直通管，设置在所述底座中，一端与所述法兰相连，另一端为自由端，所述压缩活塞管内具有柱形压缩活塞腔，所述压缩活塞腔与所述膨胀活塞腔同轴线且相连通，所述二级热端换热器设置在所述膨胀活塞管内，平行于所述压缩活塞腔轴线，所述圆盘上设置有多个连通所述压缩活塞腔与外部的通孔，所述压缩活塞腔的内径大于所述膨胀活塞腔的内径，所述膨胀活塞腔的内径与所述脉冲管的内径是相同的，所述直线电机包括外轭铁、内轭铁以及动子，所述外轭铁、所述内轭铁分别设置在所述机架上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，所述动子设置在所述间隙中，所述压缩单元具有压缩活塞、压缩活塞弹簧，所述压缩活塞弹簧通过连接件与所述机架固定连接，所述压缩活塞设置在所述压缩活塞管中，一端与所述动子相连且与所述压缩活塞弹簧相连，另一端为自由端，所述膨胀机单元包括膨胀活塞、膨胀活塞弹簧、膨胀活塞杆、脉冲管、冷端换热器，所述一级热端换热器呈圆筒状，套在所述膨胀活塞管的外壁上且设置在所述小圆盘的端面上，所述脉冲管的一端与所述膨胀活塞管相连，另一端与所述冷端换热器相连，所述回热器呈圆筒状，设置在所述脉冲管的外...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈曦，崔浩，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31