CN113899098A - 一种具有狭缝散热器的可拆卸分置式斯特林膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有狭缝散热器的可拆卸式分置式斯特林膨胀机，其包括壳体单元和运动单元。其中壳体单元包括了真空罩上下壳体，底部壳体，中部壳体，狭缝换热器，膨胀气缸，以及铜冷头，狭缝换热器呈现出法兰盘状，具有相连的大圆盘和小圆盘，小圆盘处与中部壳体相连，大圆盘与膨胀气缸相连。运动单元包括了膨胀机板弹簧，排出器杆，回热器壳体，以及回热器封头，膨胀机板弹簧固定在中部壳体，中心孔用于固定排出器杆，而排出器杆与回热器壳体采用胶粘连接，回热器壳体置于膨胀机气缸内部，回热器壳体底部用回热器封头封住，用于安装不锈钢丝网。该膨胀机利用了狭缝换热器取代了传统分置式斯特林制冷机外的水冷套结构，气体工质通过热端换热器向外界环境释放大量热量，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

一种具有狭缝散热器的可拆卸分置式斯特林膨胀机

技术领域

本发明属于制冷领域，具体涉及了一种可拆卸式膨胀机。

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的膨胀机主要由膨胀机壳体、热端换热器，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。而膨胀机在长期运行过程，零件会被磨损，因此需要常常更换和清洗零件。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种结构简单，方便拆卸的分置式斯特林制冷机膨胀机。

本发明提供了一种具有狭缝散热器的可拆卸式分置式斯特林膨胀机结构，具有这样的特征，包括：壳体单元和运动单元，其中壳体单元包括了真空罩上下壳体，底部壳体，中部壳体，狭缝换热器，膨胀气缸，以及铜冷头，狭缝换热器呈现出法兰盘状，具有相连的大圆盘和小圆盘，小圆盘处与中部壳体相连，大圆盘与膨胀气缸相连。冷头部分位于膨胀气缸的尾部，运动单元包括了膨胀机板弹簧，排出器杆，回热器壳体，以及回热器封头，膨胀机板弹簧固定在中部壳体，中心孔用于固定排出器杆，而排出器杆与回热器壳体采用胶粘连接，回热器壳体置于膨胀机气缸内部，回热器壳体底部用回热器封头封住，用于安装不锈钢丝网。

本发明提供了一种具有狭缝散热器的分置式斯特林膨胀机中，还可以有这样的特征：其中，热端换热器底部有一个台阶，通孔以及螺纹孔，台阶用于放置膨胀气缸，同时用于保证膨胀气缸与热端散热器之间的同轴度，通孔用于固定膨胀气缸，热端换热器和中部壳体。螺纹孔用于固定真空罩上壳体，膨胀气缸与热端换热器，内部台阶设计用于放置钢套，镶嵌该钢套的目的是为了更好保证内部圆柱的圆度和同轴度，同时也是为让气流流过的热端换热器通道的面积增加，增强换热。

另外，在本发明提供的一种具有狭缝散热器的可拆卸式分置式斯特林膨胀机中，还可以有这样的特征：其中，狭缝的数量为25-35个，狭缝从柱形空腔的内壁沿直径方向向外延伸至大圆盘和小圆盘之间，小圆盘上开有一个缺口，该缺口安装时对准膨胀机进气口，用于进气。

另外，本发明提供的一种具有狭缝散热器的可拆卸分置式斯特林膨胀机中，还可以有这样的特征：其中，排出杆表面开有4-6个圆环槽，用于放置胶水来固定排出器杆和回热器壳体。

另外，本发明提供的一种具有狭缝散热器的可拆卸分置式斯特林膨胀机中，还可以有这样的特征：其中，中部壳体内部有一个管状凸台，该管状凸台外壁面用于贴紧热端换热器，保证热端换热器与中部壳体之间的同轴度，内壁侧用于容纳回热器壳体。

另外，本发明提供的一种具有狭缝散热器的可拆卸式分置式斯特林膨胀机中，还可以有这样的特征：其中，中部壳体，热端换热器以及膨胀气缸台面出均开有一道密封槽。

另外，本发明提供的一种具有狭缝散热器的可拆卸式分置式斯特林膨胀机中，还可以有这样的特征：其中，回热器壳体接近冷端部分开有一道台阶，可以用来减小回热器壳体运动过程中与气缸之间的摩擦，提高制冷机性能。

发明作用与功效

根据本发明所涉及的可拆卸式分置式斯特林制冷机，该膨胀机利用了狭缝换热器取代了传统分置式斯特林制冷机外的水冷套结构，气体工质通过热端换热器向外界环境释放大量热量，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。

该膨胀机采用螺钉来固定热端换热器与中部壳体，并用密封圈来防止气体泄漏，取代以往热端换热器与中部壳体焊接方式，这有利于零件的拆卸，更换和清洗。

该膨胀机的回热器壳体冷端部分开有一道槽，其可以用来减小回热器壳体在运动的过程的穿梭损失，以及回热器壳体与气缸摩擦产生的热量。同时该膨胀机优化了膨胀机壳体，排出杆的结构，使得膨胀机的结构更加紧凑，内部的死容积更加的小，零件加工更加简单。

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 为本实施例中的狭缝换热器立体示意图；

图4为本实施例中的狭缝换热器剖面示意图；

图5为本实施例中的中部壳体剖面示意图；

图6为本实施例中的气体流动示意图；

图7为本实施例中的排出器杆立体示意图；

图8为本实施例中的回热器壳体剖面示意图；

图9为本实施例中的间隙密封示意图；

图10为本实施例中的铜冷头。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段，创作特征等达到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做具体阐述。

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振器单元。

如图1和图2所示，壳体单元包括了真空罩下壳体1，真空罩上壳体2，底部壳体6，中部壳体5，充气口4，狭缝换热器3，膨胀气缸16，以及铜冷头20。

实施例中,底部壳体6呈现圆盘状，中部壳体5呈现法兰盘状，两者通过孔401和孔402用螺栓固定，其中底部壳体6上开有密封槽204用于放置密封圈来防止漏气。

如图3、4所示，狭缝换热器3为热端换热器，夹在中部壳体5与膨胀气缸16之间，狭缝换热器6呈现法兰盘状，具有相连的大圆盘和小圆盘，实施例中，呈现出分段圆形环状，其中大圆盘还有一个台阶309，用于放置膨胀气缸16，以保证膨胀气缸与热端换热器的同轴度。大小圆盘同心，内径相同，中心呈现出柱状空腔，用于容纳做往复运动的排出器杆15和回热器壳体18，小圆盘外径较小，其外壁面紧贴中部壳体5的内腔表面，小圆盘内壁面开有一个台阶311，用于放置不锈钢套21，同时安装完不锈钢套后，该热端换热器紧贴中部壳体的管状凸台501的外壁面。如图1所示，中部壳体上的孔301为螺纹孔，而热端换热器3和膨胀气缸16的孔302和303均为通孔，其直径需要稍微大于孔301以便于安装，而真空罩上壳体2上的孔304为沉孔，其直径大于孔302和303，用螺钉即可固定膨胀机中部壳体5，热端换热器3和膨胀气缸16，如图3和5所示，在热端换热器3和中部壳体5上开有密封槽202和203,用于放置密封圈，以防气体泄漏。而孔305为热端换热器3上的螺纹孔，孔306和孔307分别为膨胀气缸16和真空罩上壳体2上，用螺钉即可固定热端换热器6，膨胀气缸16和真空上壳体2，且膨胀气缸16表面开有密封槽201防止漏气。真空罩上壳体2与真空罩下壳体1用卡箍进行连接。

所述的狭缝换热器3内部设置有多条狭缝308，多个所述狭缝308沿所述柱形空腔圆周均匀设置，所述的狭缝从所述柱形空腔的内避面沿着直径方向向外延伸，在大圆盘部分超出一部分外径，目的是为了使得工质气体能够充分换热。所述的狭缝308的数量为25-35个，实例中，狭缝308的数量为30条。如图3和图6所示，狭缝换热器3上还设置有缺口310，与中部壳体5内的A口和压缩机相连的气体管道入口4对齐，将工质气体导入到热端换热器3的内腔，气体只能先经过热端换热器小圆盘和大圆盘内的狭缝308，再通过中部壳体5的管状凸台501的内壁与回热器壳体18的之间的间隙，进入到第二膨胀腔内502,再通过排出杆15内的通孔151，在进入到回热器腔内。

狭缝换热器3采用导热系数较高的紫铜制作，使得膨胀机的热量可以充分的导出，减小导热热阻，有利于增强换热。

如图5所示，中部壳体5内侧有一个管状凸台501，其外壁用于与热端换热器3中钢套内侧相贴合，其内壁用于容纳回热器壳体18，管状凸台501的内径要大于回热器壳体18，两者之间的空隙用于经过狭缝换热器换热后气体进入到第二压缩腔502。

如图7所示，排出器杆15分为大小圆柱，小圆柱部分的中心开有螺纹孔153，用于固定板弹簧13，大圆柱表面开有4-6的圆环槽152，该槽用于放置胶水，用于连接回热器壳体18。大圆柱内部开有6-8个通孔151，用于将第二压缩腔的气体导入回热器内部。

如图8或图9所示，回热器18内部开有台阶孔182，用于固定排出器杆15，回热器表面开有一道台阶181，该台阶可以放大回热器冷端部分与气缸间隙之间的间隙，从而减小回热器壳体与气缸之间的摩擦产生的热量，增强制冷性能。回热器冷端内部开有螺纹槽口183，冷端密封头19表面开有螺纹，两者通过螺纹配合。

如图10所示，膨胀气缸16与铜冷头20之间采用钎焊连接在一起，铜冷头的倒角211便于焊液的焊接，台阶210用于固定膨胀气缸，凸台212增加了换热表面，有利于冷量的导出。

如图1和图2所示，减振器单元包括了减振器板弹簧8，减振器外垫片11，减振器内垫片7，减振块12和减振固定螺栓9。

中心固定螺栓9一端与所述的底部壳体6相连，另一端与所述减振块12相连，两个所述减振器板弹簧8平行设置在所述中心固定螺栓9且位于所述减振块12内。

中心固定螺栓9表面有外螺纹，一端通过加上螺帽将减振器板弹簧8固定在一起，同时也将夹在两块板弹簧的减振器内垫片7的位置固定，另一端与底部壳体5贴合，通孔与底部壳体螺纹对应，用螺钉固定。

减振器板弹簧8与减振块12上有对齐的通孔，通过插入螺栓将两者连接在一起，同时也将夹在减振器板弹簧8和减振块12之间减振器外垫片11的位置固定。

减振器的原理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振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，不额外耗功等优点。

分置式斯特林膨胀机工作过程

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601的压力波动较小，基本为环境压力。排出器杆15和回热器壳体18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13给排出器杆15和回热器壳体18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3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151流入回热器壳体18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190膨胀制冷，此时回热器壳体18向左运动，利用冷头20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9所示，回热器壳体18与膨胀气缸21采用有间隙密封，其间隙密封分为两端L1和L2,两者的比例约为3:2，其中回热器壳体9内径与膨胀气缸8的H1为16~40μm，H2为200~400μm。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。该膨胀机中的零件连接采用了螺纹连接，这可以方便了零件的更换和清洗，使得拆装更加方便。

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 (7)

1.一种具有狭缝散热器的可拆卸式分置式斯特林膨胀机结构，具有这样的特征，包括：壳体单元和运动单元，其中壳体单元包括了真空罩上下壳体，底部壳体，中部壳体，狭缝换热器，膨胀气缸，以及铜冷头；

所述的狭缝换热器呈现出法兰盘状，具有相连的大圆盘和小圆盘，小圆盘处与中部壳体相连；

所述的膨胀气缸与狭缝换热器大圆盘相连；

所述的铜冷头部分位于膨胀气缸的尾部，与膨胀气缸相连；

所述的运动单元包括了膨胀机板弹簧，排出器杆，回热器壳体，以及回热器封头；

所述的膨胀机板弹簧固定在中部壳体；

所述的排出器杆用螺钉膨胀机板弹簧固定，放置于中部壳体内部；

所述的回热器壳体与排出杆连接；

所述的回热器壳体置于膨胀机气缸内部，回热器壳体底部用回热器封头封住，用于安装不锈钢丝网。

2.根据权利要求1所述的一种具有狭缝散热器的可拆卸式分置式斯特林膨胀机，其特征在于，其中所述的中部壳体与底部壳体采用螺栓固定；

所述的热端换热器，膨胀气缸与中部壳体采用螺钉连接，螺纹孔位于热端换热器；

所述的真空罩上壳体，膨胀气缸与中部壳体采用螺钉连接，螺纹孔位于中部壳体上。

3.根据权利要求1所述的一种具有狭缝散热器的可拆卸式分置式斯特林膨胀机，其特征在于，所述的热端换热器的大圆盘底部有一个台阶，用于放置膨胀气缸，其目的在于保证膨胀气缸与热端换热器之间同轴度；

所述的热端换热器内部开有一个台阶，专门用于放置钢套，其目的在于保证内部圆孔的圆度和同轴度。

4.根据权利要求2所述的一种具有狭缝散热器的可拆卸式分置式斯特林膨胀机，其特征在于，所述的排出杆表面开有3-4道胶水槽，采用胶粘与回热器壳体连接，内部开有6-8个孔，用于将气体从第二压缩腔导入回热器内部。

5.根据权利要求1所述的一种具有狭缝散热器的可拆卸式分置式斯特林膨胀机，其特征在于，所述的中部壳体内部有一个管状凸台，该管状凸台外壁面用于贴紧热端换热器，保证热端换热器与中部壳体之间的同轴度，内壁侧用于容纳回热器壳体，管状凸台的内径要大于回热器壳体，两者之间的空隙用于经过狭缝换热器换热后气体进入到第二压缩腔。

6.根据权利要求1所述的一种具有狭缝散热器的可拆卸式分置式斯特林膨胀机，其特征在于，中部壳体，热端换热器以及膨胀气缸台面出均开有一道密封槽，用于放置气体泄漏。

7.根据权利要求1所述的一种具有狭缝散热器的可拆卸式分置式斯特林膨胀机，其特征在于，回热器外壳体表面开有一道槽口，用于减小回热器壳体底部与膨胀气缸之间摩擦。

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