菱形驱动斯特林制冷机

2006年第5期　总第153期低　温　工　程CRYOGE N I CSNo .5　2006Sum N o .153斯特林低温制冷机的研究与发展陈国邦　颜鹏达　李金寿(浙江大学制冷与低温研究所　杭州　310027) 摘　要:介绍了近40年来斯特林循环低温制冷机从整体式到分置式结构、从旋转式压缩机到直线式驱动、从普通轴承到板弹簧柔性支承、从机械驱动排出器到气动控制等一系列变化和发展,叙述了中国低温斯特林制冷机从无到有、从仿制国外产品到自主创新、从单件研制到批量生产的历程,展示了中国近年取得的最新成就,指出建立和发展一支具有国际前沿水平的研究队伍和研究基地的重要性。

在新世纪,为了满足中国空间和地面红外技术不断增长的需要,研制各种类型的高质量线性驱动压缩机、开发低温制冷机用的精密电子控制技术、批量生产长寿命的微型斯特林制冷机,是一项重要任务。

关键词:低温制冷机　斯特林循环　红外探测器　空间制冷技术中图分类号:TB651 文献标识码:A 文章编号:1000-6516(2006)05-0001-10 收稿日期:2006-08-21;修订日期:2006-09-20基金项目:国家自然科学基金项目(50376055、50536040)支持。

作者简介:陈国邦,男,65岁,教授,博士生导师。

R esearch and devel op m ent of Stirli ng cryogenic refri geratorChen Guobang Yan Pengda Li Ji n shou(C ryogen ics Laborator y ,Zhe j iang Un iversit y ,H angzhou 310027,C hina ) Abstrac t :The research and developm en t of S tirli n g cr yogenic r efrige r a tor in recen t40yea rsw ere i n tro -duced .I n t h is pe riod ,t h e S tirling cr yogenic r e frigerator w as deve l o ped fro m integ rated sty le to sp lit sty l e ,fro m ro tar y -st y le co m pr essor to linear co m presso r ,fr o m ordinary bearing s t o p late spring flexible beari n g s and fro m m echan ica l dri v e to pneum atic contro.l The r esearch and developm en t o f Stirling cr yogen ic r e frig -erator i n C hina experience a process of g r o w ing ou t of no thing ,fr o m i m ita ti o n o f foreign products to i n de -pendent innovati o n ,and fro m sing l e piece m aking to ba tch p r oduc tion .The newest achieve m en t of China in t h is field w as i n troduced and the significance of estab lishing and deve l o ping research tea m s and bases w ith i n ter national levelw as po inted ou.t To f u lfill our g r ow ing needs i n space and g r ound infrar ed techno l o gy in ne w cent u r y ,it is an i m po rtan t task to research and develop vari o us types of high qualit y linear co m pres -so rs ,precision e lectr onic contr o l techno logy and batch production o f long -life m inia t u re Stirling refrigera -t o rs .K ey w ords :cr yogen ic r e frige rator ;S tirli n g cyc l e ;infr a r ed detector ;space refri g era tion techno l o gy低　温　工　程2006年1　引　言1816年苏格兰人斯特林(O.R .S tirli n g )提出一个由两个等温过程与两个等容过程组成的热力循环的专利,称为斯特林循环。

一种多级斯特林制冷机所属技术领域本发明涉及一种斯特林制冷机，具体为一种多级斯特林制冷机。

背景技术随着科技进步，深度制冷技术在一些行业发挥着越来越重要的作用。

航空航天、食品加工、医疗卫生、化肥生产、天然气储运、石油炼制等行业都离不开深度制冷技术。

目前的深度制冷技术方案，主要利用林德循环经多级压缩和节流膨胀实现深度制冷。

天然气储运是应用深度制冷技术的代表性行业。

LNG产品绝大部份出自大型天然气液化厂，用于天然气调峰和天然气海运贸易。

而微型LNG液化装置对油井伴生气分离储运、垃圾场和废水处理厂的沼气资源回收都必不可少。

为了满足对微型LNG液化装置的需求，在美国能源部的资助下，美国天然气技术研究所已经开发出一种已获得专利权的微型天然气液化装置。

该微型天然气液化装置是利用使用制冷剂的制冷系统，LNG日产量在五千到三万加仑之间。

美国天然气技术研究所已经许可商业化合作伙伴Linde BOC使用此项技术并在全世界范围内积极推行商业化。

由此可见，微型天然气液化装置极具市场潜力。

斯特林制冷机用作微型天然气液化装置前景乐观。

目前，小功率的斯特林制冷机已广泛用作电子成像系统、电子控制系统的冷源，功率只有2到6瓦。

大功率的斯特林制冷机尚无应用实例。

根本原因是工质密封难，没有简单可靠的主体结构能满足大功率深度制冷的要求。

中国发明专利斯特林可逆热机（200710050949.2）以两级密封技术完全杜绝了工质泄漏，而且结构紧凑。

但是斯特林可逆热机用作制冷机也达不到深度制冷温度（－100℃以下）。

《斯特林热泵（制冷机）设计理论研究》一文揭示了制冷深度（热泵扬程）和各结构参数及运行参数的内在联系。

采用两台以上的斯特林可逆热机串联，完全可以达到深度制冷温度（－100℃以下）。

一台斯特林可逆热机称为一级。

有几台串联就称为几级斯特林制冷机，两台以上串联统称多级斯特林制冷机。

第一级的热量流入端从环境吸入热量，第二级的热量流入端从第一级的热量流出端吸入热量。

直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：直线电机驱动的斯特林制冷机是一种新型的制冷设备，其结构设计至关重要。

斯特林制冷机是一种基于斯特林循环原理工作的制冷设备，利用压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀等组件来实现制冷作用。

而直线电机则是一种将电能直接转换为直线运动的电机，其结构简单、效率高、噪音低，非常适合用于驱动斯特林制冷机。

斯特林制冷机的结构设计需要考虑各组件的布局和连接方式。

压缩机和蒸发器通常安装在一起，形成一个循环系统；冷凝器和膨胀阀也需要连接在一起，形成另一个循环系统。

直线电机一般安装在壳体外侧，通过连接杆和压缩机相连，实现压缩动作。

而冷凝器和膨胀阀由管道连接，构成一个完整的循环系统。

斯特林制冷机的结构设计需要考虑各组件的材质和密封性。

由于制冷机需要承受高压力和低温环境，因此各组件的材质需要具有良好的耐压和耐腐蚀性能。

制冷机内部需要保持密封状态，以防止制冷剂泄露和氧气进入系统，影响制冷效果。

斯特林制冷机的各组件通常采用不锈钢、铜、铝等耐腐蚀材料制造，并采用高效的密封件进行密封处理。

斯特林制冷机的结构设计还需要考虑制冷剂的选择和循环方式。

制冷剂是斯特林制冷机中起着至关重要作用的介质，其选择直接影响制冷效果和运行性能。

常用的制冷剂包括氨、氟利昂、氦气等，具有不同的制冷性能和环保性能。

而制冷剂的循环方式一般有单级循环、多级循环和换热介质循环等，可以根据制冷要求和设备性能选择合适的循环方式。

斯特林制冷机的结构设计还需要考虑能量转换效率和噪音控制。

直线电机作为驱动装置，其能量转换效率直接影响整个制冷系统的性能。

在设计时需要选择高效、稳定的直线电机，并设计合理的传动装置和控制系统，以提高制冷机的工作效率。

制冷机在工作时会产生一定的噪音，为了减少噪音对周围环境的影响，需要在结构设计中考虑隔音材料和减振装置，将噪音降至最低。

直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计需要考虑各组件的布局与连接方式、材质与密封性、制冷剂选择与循环方式、能量转换效率与噪音控制等方面，以保证制冷机具有高效率、稳定性和低噪音的工作性能。

直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述直线电机驱动的斯特林制冷机是一种新型的制冷技术，它利用了直线电机的优势和斯特林制冷循环的原理，实现了高效、环保的制冷效果。

本文将对直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计进行详细探讨。

直线电机是一种能够将电能转化为直线运动的电机，其结构与传统的旋转电机有所不同。

它由定子和推子组成，推子在定子的引导下直线运动。

相比于旋转电机，直线电机具有体积小、重量轻、寿命长、无噪音等优点，因此在各个领域得到了广泛应用。

斯特林制冷机是一种基于气体的制冷循环原理的制冷设备。

它利用气体的压缩与膨胀来实现制冷效果。

该制冷循环具有高效、稳定、无污染等特点，被广泛应用于冷链物流、制药、电子设备等领域。

直线电机驱动的斯特林制冷机将这两种技术结合在一起，借助直线电机的驱动力，实现了斯特林制冷机的工作。

通过合理的结构设计和控制策略，使得直线电机能够精确地驱动斯特林制冷机的各个部件，从而实现高效的制冷效果。

本文主要围绕直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计展开讨论。

首先介绍直线电机驱动的斯特林制冷机的基本原理和工作原理，以便读者对该技术有一个清晰的认识。

然后深入探讨直线电机的选型和设计要点，包括推子的材料选择、定子结构设计等方面。

最后总结本文的内容，并展望直线电机驱动的斯特林制冷机在未来的发展前景。

通过本文的研究和论述，读者可以对直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计有一个全面的了解，为相关领域的研究和应用提供参考和借鉴。

同时也将为推动制冷技术的发展和创新做出一定的贡献。

1.2文章结构1.2 文章结构本文将按照以下结构来进行叙述和分析直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计：第二章将重点介绍直线电机驱动的斯特林制冷机的原理和工作方式。

首先，将简要介绍斯特林制冷机的基本原理和传统的驱动方式。

然后，重点讲解直线电机作为一种全新驱动方式的优势和特点。

同时，将详细介绍直线电机在斯特林制冷机中的应用，并对其工作原理进行深入分析和解释。

直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计一、引言斯特林制冷机是一种利用可逆循环原理制冷的热机设备。

它通过将工质在低温和高温工况下压缩和膨胀，从而实现制冷效果。

而直线电机则是一种将电能直接转换为机械能的设备，具有简单结构、高效率等优点。

将直线电机应用于斯特林制冷机的驱动系统中，可以提高系统的运行效率和稳定性。

本文将对基于直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计进行探讨。

二、直线电机驱动的斯特林制冷机结构设计1. 斯特林制冷机基本结构斯特林制冷机的基本结构包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四部分。

压缩机负责将低温工质压缩到高温高压状态，冷凝器将高温高压工质冷却至高压液态，膨胀阀将高压液态工质膨胀为低压液态，最后在蒸发器中吸收外界热量，实现制冷效果。

2. 直线电机驱动系统设计直线电机具有高速度、高效率和高精度等特点，适合用于驱动斯特林制冷机。

直线电机驱动系统设计应包括电机、传动系统、控制系统等部分。

电机选用高效率、高性能的直线电机，通过传动系统将电能传递到制冷机的压缩机上，控制系统可根据实际工况对电机进行精确控制。

3. 结构设计优化为提高直线电机驱动的斯特林制冷机的性能，需要对结构进行优化设计。

首先要设计合理的传动系统，确保电能传递的效率和稳定性；其次要优化制冷机的整体结构，减小系统的能耗和体积；最后要优化控制系统，实现对电机的精确控制。

4. 实验验证设计完成后，需要进行实验验证以验证系统的性能和稳定性。

通过实验可以对设计方案进行调整和改进，确保系统达到设计要求。

实验数据也可用于系统的性能评估和优化。

三、结论直线电机驱动的斯特林制冷机结构设计具有广阔的应用前景。

通过合理设计和优化，可以提高制冷机的性能和效率，进而降低能耗和减小体积。

未来，随着直线电机技术的进一步发展，直线电机驱动的斯特林制冷机将在制冷领域发挥更大的作用。

第二篇示例：直线电机驱动的斯特林制冷机是一种先进的制冷技术，它利用直线电机驱动系统使得其性能更加稳定和高效。

斯特林制冷机的操作原理斯特林制冷机是一种常用的制冷设备，它基于斯特林循环原理，通过驱动活塞的往复运动来实现制冷效果。

它的操作原理相对简单，但在应用和实践中有着广泛的用途。

1. 简介斯特林制冷机：斯特林制冷机是一种热力循环装置，由两个具有高热容量的热源--热源和冷源--以及两个工作活塞组成。

这些活塞通过间歇式的往复运动来改变气体的压力和体积，从而实现制冷效果。

2. 斯特林循环原理：斯特林循环是一种理想的热力循环过程，包括等温膨胀、等容冷却、等温压缩和等容加热四个阶段。

具体操作如下：- 等温膨胀阶段：冷源的热量传递给工作气体，使其膨胀，活塞从冷端往热端移动。

- 等容冷却阶段：冷源继续吸收热量，但气体不再膨胀，活塞保持在最高点位。

- 等温压缩阶段：热源向工作气体传递热量，使其压缩，活塞从热端往冷端移动。

- 等容加热阶段：热源继续传递热量，但气体不再压缩，活塞保持在最低点位。

3. 操作原理：斯特林制冷机的操作原理基于斯特林循环，通过循环改变工作气体的温度和压力，从而实现制冷效果。

具体操作过程如下：- 冷源吸热：在等温膨胀阶段，冷源向工作气体传递热量使其膨胀，同时活塞从冷端向热端移动。

这个过程中，工作气体吸收热量，并将其带到热端。

- 冷却：在等容冷却阶段，冷源继续吸收热量，但气体不再膨胀，活塞保持在最高点位。

这个过程中，工作气体的温度降低，散热至冷源。

- 热源加热：在等温压缩阶段，热源向工作气体传递热量使其压缩，同时活塞从热端向冷端移动。

这个过程中，工作气体释放热量，并将其带到冷端。

- 加热：在等容加热阶段，热源继续传递热量，但气体不再压缩，活塞保持在最低点位。

这个过程中，工作气体的温度升高，吸收热量的热源带走了制冷效果所需的热量。

4. 观点和理解：斯特林制冷机的操作原理相对简单，通过驱动活塞的往复运动，循环改变工作气体的温度和压力来实现制冷效果。

相比传统的制冷设备，斯特林制冷机具有以下优点：- 无需制冷剂：斯特林制冷机使用工作气体作为制冷介质，不需要传统的制冷剂，因此对环境友好。

100Pro自由活塞斯特林制冷机应用模块中国山东省日照市北经济开发区斯特林路1号Cryo S100Pro自由活塞斯特林制冷机使用本产品前请仔细阅读本操作手册，操作不当可能导致事故，请务必保存本手册。

目录1.产品介绍 (1)1.1.说明 (1)1.2.手册内容 (1)2.安全操作注意事项 (2)2.1.警告 (3)2.2.注意事项 (4)3.Cryo S100Pro的特性 (5)3.1.自由活塞斯特林电机 (5)3.2.温度监控功能 (6)3.3.图形化用户界面 (6)4.拆包和安装 (7)4.1.拆包 (7)4.2.安装 (7)5.操作 (10)5.1.操作注意事项 (10)5.2.操作责任 (10)5.3.用户界面操作指南 (11)5.4.错误/警报和故障排除 (16)6.技术参数 (18)6.1.应用模块规格参数 (18)6.2.Cryo S100Pro制冷机尺寸图纸 (19)6.3.Cryo S100Pro制冷机25℃环境下制冷性能 (19)7.保修范围 (20)1.产品介绍1.1.说明华斯特林Cryo S100Pro自由活塞斯特林制冷机，使用安全环保的氦气作为制冷工质，采用国际先进的自由活塞斯特林技术，其温度范围广，±0.1℃的精准控温，尺寸小，携带方便，非常适用于小型低温运输应用的开发。

我们为您提供高质量的无氧铜冷端及热端换热界面，并加装了4个不锈钢螺丝锁套以便提高热传导效果,设备采用行业标准KF50真空法兰盘接口，使用真空钎焊设备加工，以确保在高真空状态下，您的设备与真空杜瓦的有效连接。

本操作手册介绍了华斯特林Cryo S100Pro自由活塞斯特林制冷机的接收，安装，设置，使用和存储的各个方面。

制冷机由用户界面（UI）屏幕控制，本操作手册第5节中介绍了UI的使用。

在二级污染和二级过电压环境中被分类为稳定设备。

该产品设计用于在以下环境条件下运行：●室内使用●海拔2000米●温度高达30°C时的最大相对湿度为80％1.2.手册内容●安全须知●产品特征●安装程序●产品使用●故障排除●技术参数●保修范围注意：安全事项关系到整体的各个部分，须严格遵守以免损坏制冷机或伤害用户。