斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 105115219 A (43)申请公布日 2015.12.02

(21)申请号 201510521282.4(22)申请日 2015.08.24

(71)申请人上海理工大学

地址200093 上海市杨浦区军工路516号(72)发明人陈曦 曹广亮 张华 武飞

李廷宇 马文统(74)专利代理机构上海申汇专利代理有限公司

31001

代理人吴宝根(51)Int.Cl.

F25D 19/00(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图5页

()发明名称

斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱(57)摘要

本发明涉及一种斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱，包括箱体、自由活塞斯特林制冷机、脉动热管系统、散热系统，自由活塞斯特林制冷机的热端安装有翅片，风扇在翅片和通风口之间，进行强制对流换热，自由活塞斯特林制冷机的冷端与脉动热管系统中导冷板管进行换热，使与导冷板管联通的毛细铜管构成的脉动热管内的工质形成振荡流动，脉动热管贯穿所有冷冻室降温。利用了脉动热管结构简单、成本低廉、传热性能突出及环境适应性强的优点，解决了有芯热管里需要吸液芯，结构较复杂，重力热管受重力影响具有方向性的问题，利用自由活塞斯特林制冷机环保性、节能性、适合低温制冷的优点，解决了传统复叠式蒸汽压缩制冷系统不节能、不环保等问题。 C N 1 0 5 1 1 5 2 1 9 A CN 105115219 A

权 利 要 求 书

1/1页

1.一种斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱，包括箱体和制冷系统，箱体包括冷冻室、冷冻室之间的隔板、箱体下部侧面的通风口、门、保温层、冰箱外壁，外壁内充有绝热材料，其特征在于，制冷系统包括自由活塞斯特林制冷机、脉动热管系统、散热系统，散热系统包括风扇和翅片，自由活塞斯特林制冷机的热端安装有翅片，风扇在翅片和通风口之间，进行强制对流换热，脉动热管系统包括脉动热管和导冷板管，自由活塞斯特林制冷机的冷端与导冷板管进行换热，使与导冷板管联通的毛细铜管构成的脉动热管内的工质形成振荡流动，脉动热管贯穿所有冷冻室降温。

2.根据权利要求1所述斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱，其特征在于，所述自由活塞斯特林制冷机内工质为氦气。

3.根据权利要求1或2所述斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱，其特征在于，所述脉动热管内的工质选R503或R508A，脉动热管内的充液率为30%-40%。

4.根据权利要求3所述斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱，其特征在于，所述脉动热管由数根并排的竖直U形毛细铜管构成，导冷板管外形为矩形铜板，导冷板管内部为一根根U型管道，每一个U型管道两端开一个固定槽孔，每根脉动热管的U形毛细铜管插入槽孔固定后焊接密封，导冷板管中间底部有一个圆形槽孔，圆形槽孔与自由活塞斯特林制冷机冷端的冷头匹配，并焊接密封固定。

5.根据权利要求4所述斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱，其特征在于，所述在导冷板管圆形槽孔的一侧安装有保温层，保温层为中心有槽孔的T字形，覆盖整个导冷板管和脉管制冷机的冷端，以防止冷量的散失。

2

CN 105115219 A

说 明 书

斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱

1/3页

技术领域

[0001]

本发明涉及一种冰箱，特别涉及一种斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱。

背景技术

随着生物、医疗产业的快速发展，相关生物及医学样本、试剂等生物材料长期存储对于超低温冰箱的需求越来越大。此类超低温冰箱一般要求存储温度在-70℃以下，制冷系统稳定，以实现生物材料的长期可靠存储。然而，长期以来，我国深冷冰箱业处于空白阶段，国外品牌一直占据着市场统治地位，因此本专利提出了一种低温冰箱的设计方法。[0003] 新型低温制冷机在大温差制冷工况（制冷温差>60℃时）下，制冷效率相对较高。尤其是在应用于-70℃以下超低温冰箱制冷系统中，新型低温制冷机制冷效率可达到传统复叠式蒸汽压缩制冷系统的2倍以上，具有显著的节能优势。同时，由于新型低温制冷机可以不采用油润滑，消除了采用蒸汽压缩式制冷的超低温冰箱常见的低温油堵故障，系统更加稳定可靠。而且，这些新型低温制冷机通常采用氮气、氦气等天然物质作为制冷工质，更加环保，随着超低温冰箱应用的普及，这些新型低温制冷机的应用前景更加广泛。而在这些新型低温制冷机中，自由活塞斯特林制冷机以其结构简单，没有处于低温下的运动部件，运行可靠，振动小，寿命长的优点得到了广泛应用。[0004] 热管是一种具有很高传热性能的元件，它可将大量热量通过其很小的截面积远距离传输而无需外加动力，其工作温区从-273℃到 1000℃。热管具有其他传热技术所不具备的许多优点：卓越的传热效率及传热速度、可靠性、隔离性、低阻力、体积小、可控制等。现在制冷行业中所使用的热管主要为有芯热管和重力热管，但是，有芯热管和重力热管都存在着一些缺陷。有芯热管里需要吸液芯，结构较复杂。重力热管不需要吸液芯，但是其受重力影响，具有方向性。

[0002]

发明内容

本发明是针对有芯热管里需要吸液芯，结构较复杂，重力热管不需要吸液芯，但是其受重力影响，具有方向性和传统复叠式蒸汽压缩制冷系统效率低、不可靠等的问题，提出了一种斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱，利用了脉动热管结构简单、成本低廉、传热性能突出及环境适应性强的优点，解决了有芯热管里需要吸液芯，结构较复杂，重力热管受重力影响具有方向性的问题，同时本发明还利用了自由活塞斯特林制冷机环保性、节能性、适合低温制冷的优点，解决了传统复叠式蒸汽压缩制冷系统不节能、不环保等问题，使低温冰箱节能环保。

[0006] 本发明的技术方案为：一种斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱，包括箱体和制冷系统，箱体包括冷冻室、冷冻室之间的隔板、箱体下部侧面的通风口、门、保温层、冰箱外壁，外壁内充有绝热材料，制冷系统包括自由活塞斯特林制冷机、脉动热管系统、散热系统，散热系统包括风扇和翅片，自由活塞斯特林制冷机的热端安装有翅片，风扇在翅片和通风口之间，进行强制对流换热，脉动热管系统包括脉动热管和导冷板管，自由活塞斯特林制

[0005]

3

CN 105115219 A

说 明 书

2/3页

冷机的冷端与导冷板管进行换热，使与导冷板管联通的毛细铜管构成的脉动热管内的工质形成振荡流动，脉动热管贯穿所有冷冻室降温。

[0007] 所述自由活塞斯特林制冷机内工质为氦气。[0008] 所述脉动热管内的工质选R503或R508A，脉动热管内的充液率为30%-40%。[0009] 所述脉动热管由数根并排的竖直U形毛细铜管构成，导冷板管外形为矩形铜板，导冷板管内部为一根根U型管道，每一个U型管道两端开一个固定槽孔，每根脉动热管的U形毛细铜管插入槽孔固定后焊接密封，导冷板管中间底部有一个圆形槽孔，圆形槽孔与自由活塞斯特林制冷机冷端的冷头匹配，并焊接密封固定。[0010] 所述在导冷板管圆形槽孔的一侧安装有保温层，保温层为中心有槽孔的T字形，覆盖整个导冷板管和脉管制冷机的冷端，以防止冷量的散失。[0011] 本发明的有益效果在于：本发明斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱，与现有的低温冰箱相比，效率高，能耗少，成本低，不会产生任何污染，保护环境。附图说明

图1为本发明斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱整体图；

图2为本发明斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱去后壁视图；

图3为本发明斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱中自由活塞斯特林制冷机整体图；

图4为本发明斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱的自由活塞斯特林制冷机与脉动热管组合图；

图5为本发明斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱中脉动热管外视图；图6为本发明斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱中脉动热管管道剖面图；图7为本发明斯特林制冷机结合脉动热管的低温冰箱中脉动热管中心局部剖面图。

[0012]

具体实施方式

[0013] 如图1基于自由活塞斯特林制冷机的低温冰箱的整体图、图2基于自由活塞斯特林制冷机的低温冰箱的去后壁视图、图3自由活塞斯特林制冷机整体图所示，低温冰箱包括箱体1和制冷系统，冰箱箱体1包括冷冻室2、冷冻室之间的隔板21、箱体下部侧面的通风口3、门4、冷冻室最下端保温层10、冰箱外壁11；制冷系统包括自由活塞斯特林制冷机5、脉动热管系统、散热系统；低温冰箱散热系统包括风扇6、翅片9；所述的脉动热管系统包括脉动热管7和导冷板管8；冰箱箱体1底部的自由活塞斯特林制冷机5的热端51安装有翅片9，可增大换热面积，风扇6在翅片9和通风口3之间，风扇6不断地运转，自由活塞斯特林制冷机5的热端51和翅片9与环境进行强制对流换热，使自由活塞斯特林制冷机5冷端不断制冷。自由活塞斯特林制冷机5冷端52与保温层10上的导冷板管8进行换热，使与导冷板管8联通的脉动热管7内的工质形成振荡流动，从而将冷量从冷端带到热端，脉动热管7贯穿所有冷冻室2，使低温冰箱冷冻室2里的物品降至低温，如图4所示自由活塞斯特林制冷机与脉动热管组合图。所述低温冰箱的外壁11内充有绝热材料，可减少冷量的损失。

[0014] 所述的低温循环工质与低温冰箱的工作温度相匹配，根据低温冰箱工作温度的不

4

CN 105115219 A

说 明 书

3/3页

同选用不同的工质。本发明是针对-50℃至-90℃工作温区的低温冰箱，脉动热管7内的工质可选为R503或R508A，脉动热管7的充液率为30%-40%。所述自由活塞斯特林制冷机5内工质为氦气。[0015] 如图5、6所示基于自由活塞斯特林制冷机的低温冰箱的脉动热管外视和剖面图，所述的脉动热管系统包括脉动热管7和导冷板管8，脉动热管系统的脉动热管7是将毛细铜管弯曲成U形结构，导冷板管8外形为矩形铜板，内部开U型管道82，管道82内径与脉动热管7的内径相等。每一个U型管道82两端都会开一个固定槽孔83，槽孔83的内径与热管7的外径相匹配，用于将热管7固定到槽孔83中。最后，将脉动热管7焊在导冷板管8上。将脉动热管7管内抽真空后注入工质，工质在表面张力的作用下以液塞和气塞的形式存在。脉动热管7置于冷冻室2那一侧，导冷板管8置于自由活塞斯特林制冷机冷端52那一侧，内部随机形成的气塞和液塞在压力差的作用下会随机形成振荡流动，将热量从蒸发端即位于脉动热管7侧流至冷凝端即位于导冷板管8侧。

[0016] 如图7基于自由活塞斯特林制冷机的低温冰箱的脉动热管中心局部剖面图，脉动热管系统的导冷板管8中间底部开一个圆形槽孔81，其内径与自由活塞斯特林制冷机5冷端的冷头外径相匹配，其深度与自由活塞斯特林制冷机5冷头宽度相等。把自由活塞斯特林制冷机5冷端的冷头插入圆形槽孔81中，然后把二者焊接在一起。最后，在导冷板管8有圆形槽孔81的那一侧安装保温层10，保温层10为中心有槽孔的“T”字形，覆盖整个导冷板管8和脉管制冷机5的冷端，以防止冷量的散失。

[0017] 散热系统中两个对称的通风孔3分别位于冰箱外壁11的两侧，自由活塞斯特林制冷机5的热端51安装有翅片9，增加与空气的换热面积。在通风孔3和翅片9之间安装有一个风扇6，使自由活塞斯特林制冷机5的热端51、翅片9和其他发热部分强制对流换热。[0018] 本发明自由活塞斯特林制冷机冷端与导冷板管进行换热，使脉动热管内的工质形成振荡流动，从而将冷量从冷端带到热端，使低温冰箱冷冻室里的物品降至低温。自由活塞斯特林制冷机制冷效率可达到传统复叠式蒸汽压缩制冷系统的2倍以上，具有显著的节能优势。同时，自由活塞斯特林制冷机的工质为氦气，无污染，对环境友好。

5

CN 105115219 A

说 明 书 附 图

1/5页

图1

6

CN 105115219 A

说 明 书 附 图

2/5页

图2

7

CN 105115219 A

说 明 书 附 图

3/5页

图3

图4

8

CN 105115219 A

说 明 书 附 图

4/5页

图5

图6

9

CN 105115219 A

说 明 书 附 图

5/5页

图7

10