斯特林循环和蒸气压缩制冷循环直接耦合的制冷机及方法

摘要

本发明公开了一种斯特林循环和蒸气压缩制冷循环直接耦合的制冷机及方法。它包括斯特林制冷机和蒸气压缩式制冷机。其中斯特林制冷机包含压缩活塞、压缩腔、冷凝蒸发器、回热器、冷端换热器、膨胀腔、推移活塞，蒸气压缩式制冷机包含压缩机、冷凝器、节流阀、冷凝蒸发器。冷凝蒸发器中冷流体即为蒸气压缩制冷循环的工质，热流体即为斯特林循环的工质，二者通过换热器的壁面交换热量。本发明使用蒸气压缩制冷循环工质直接冷却斯特林循环的工质，与采用载冷剂冷却的方法相比，可大大降低冷凝蒸发器内工质的平均温度，提升斯特林循环的性能。同时，该发明简化了换热流程，减少了冷凝蒸发器附属耗电设备，使整个系统的制冷效率得以提高。

说明书

技术领域

本发明涉及回热式低温制冷机，尤其涉及一种斯特林循环和蒸气压缩制冷循环直接耦合的制冷机及方法。

技术背景

高温超导技术及小型低温液化装置的应用极大地促进了大功率低温制冷机的快速发展。斯特林制冷机具有效率高、冷却速率快、制冷温度范围广等特点，并且其技术相对成熟、成本较低，是百、千瓦级制冷装置的首选机型。

斯特林制冷机应用斯特林循环获得制冷量，斯特林循环是由等温压缩、等温膨胀和两个等容回热过程构成的闭式热力学循环。等温压缩产生的压缩热在室温端换热器中被载冷剂带走，一般采用水作为载冷剂。大冷量制冷机中压缩热较大，由于冷却水比热容有限，导致水冷器进出口水温有较大温差，即平均水温高于进水温度。实验和理论都证明，冷却水温升高会导致回热器热端温度升高，造成制冷机性能下降。所以采取措施降低冷却水温度对于制冷机性能提升是很重要的。

通常采用冷水机组对斯特林制冷机热端进行冷却。斯特林制冷机水冷器、水箱、泵和管路构成循环水路，冷却斯特林循环压缩热。水箱、压缩式制冷机、泵和管路构成循环水路，冷却水箱热量。将斯特林制冷机及其附属设备作为整体考虑，整机功耗包含水箱制冷机及管路耗功，降低该处功耗可以有效提高斯特林制冷机系统的制冷效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种斯特林循环和蒸气压缩制冷循环直接耦合的制冷机及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

斯特林循环和蒸气压缩制冷循环直接耦合的制冷机包括斯特林制冷机和蒸气压缩式制冷机，斯特林制冷机包括顺次连接的压缩活塞、压缩腔、冷凝蒸发器、回热器、冷端换热器、膨胀腔、推移活塞，蒸气压缩式制冷机包括顺次连接的压缩机、冷凝器、节流阀、冷凝蒸发器。

所述的冷凝蒸发器采用间壁式换热器结构。

斯特林循环和蒸气压缩制冷循环直接耦合的制冷方法是：压缩活塞上移，压缩腔内的斯特林循环工质A被压缩，能量升高，流入冷凝蒸发器，向蒸气压缩制冷循环工质B释放压缩热，实现工质A的等温压缩过程；工质B在冷凝蒸发器中吸热蒸发后进入压缩机，被增压升温后进入冷凝器，向环境冷源放热冷凝后进入节流阀，压力下降，低温低压的液态工质B再次进入冷凝蒸发器吸热蒸发，形成蒸气压缩制冷循环回路。释放压缩热后的工质A进入回热器，将热量传递给填料，温度沿流动方向逐渐降低，实现等容放热过程；推移活塞上移，膨胀腔内的工质A膨胀，能量降低，通过冷端换热器从冷源吸热，获得制冷量，实现工质A的等温膨胀过程；工质A反向流动，进入回热器，从填料吸热，温度沿流动方向逐渐升高，实现等容吸热过程。工质A的往复流动形成斯特林循环回路；冷凝蒸发器中冷流体为蒸气压缩制冷循环工质B，热流体为斯特林循环工质A，两股流体通过换热壁面进行热交换，应用工质B的相变直接冷却工质A在斯特林循环中释放的压缩热量。

本发明提出的复合型深低温制冷机，使用蒸气压缩制冷循环工质B的相变换热直接冷却斯特林循环的压缩热量。与常用的冷水机组冷却方法相比：1. 蒸气压缩制冷循环工质B（冷却介质）的潜热大于水的比热容，则冷却等量的压缩热并且冷却介质进口温度一致时，本发明中冷凝蒸发器内冷却介质平均温度较低，回热器热端温度较低，制冷性能提升；2. 简化了蒸气压缩制冷循环工质与冷却水、冷却水与斯特林循环工质的换热过程，避免了涉及到冷却水的换热过程以及水箱本身的漏热，所以冷却相等的压缩热时压缩机的耗功降低，整个系统的制冷效率提高；3.简化了制冷机冷凝蒸发器（室温端换热器）的附属设备，避免了水路循环，由于去掉了水泵的功耗，所以冷却相等的压缩热时压缩机的耗功降低，整个系统的制冷效率提高。

附图说明

图1是斯特林循环和蒸气压缩制冷循环直接耦合的制冷机的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，斯特林循环和蒸气压缩制冷循环直接耦合的制冷机包括斯特林制冷机和蒸气压缩式制冷机，斯特林制冷机包括顺次连接的压缩活塞1、压缩腔2、冷凝蒸发器3、回热器4、冷端换热器5、膨胀腔6、推移活塞7，蒸气压缩式制冷机包括顺次连接的压缩机8、冷凝器9、节流阀10、冷凝蒸发器3。

所述的冷凝蒸发器3采用间壁式换热器结构。制冷机驱动单元可采用旋转电机与曲柄连杆机构。

斯特林循环和蒸气压缩制冷循环直接耦合的制冷机使用的制冷方法是：压缩活塞1上移，压缩腔2内的斯特林循环工质A被压缩，能量升高，流入冷凝蒸发器3，向蒸气压缩制冷循环工质B释放压缩热，实现工质A的等温压缩过程；工质B在冷凝蒸发器3中吸热蒸发后进入压缩机8，被增压升温后进入冷凝器9，向环境冷源放热冷凝后进入节流阀10，压力下降，低温低压的液态工质B再次进入冷凝蒸发器3吸热蒸发，形成蒸气压缩制冷循环回路。释放压缩热后的工质A进入回热器4，将热量传递给填料，温度沿流动方向逐渐降低，实现等容放热过程；推移活塞7上移，膨胀腔6内的工质A膨胀，能量降低，通过冷端换热器5从冷源吸热，获得制冷量，实现工质A的等温膨胀过程；工质A反向流动，进入回热器4，从填料吸热，温度沿流动方向逐渐升高，实现等容吸热过程。工质A的往复流动形成斯特林循环回路；冷凝蒸发器3中冷流体为蒸气压缩制冷循环工质B，热流体为斯特林循环工质A，两股流体通过换热壁面进行热交换，应用工质B的相变直接冷却工质A在斯特林循环中释放的压缩热量。斯特林循环工质A一般使用高压氦气、氢气或者氮气，蒸气压缩制冷循环工质B一般使用氟利昂等空调制冷剂。