一种使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱

1.本发明涉及一种冰箱，尤其是涉及一种多冷头脉管制冷机及采用该多冷头脉管制冷机的多温区冰箱。


背景技术：

2.冰箱是家庭生活不可或缺的电器之一，也是医用领域的重要存储设备。目前市场上的冰箱冷藏室温度在3-10℃左右，冷冻室的温度在-18℃左右，性能较好的冰箱冷冻室温度可调节至-23℃，可以满足多数蔬菜水果以及肉类食品的短期保存。但一些海鲜的长期冷冻需要-25℃以下的储存空间，金枪鱼需要的冷冻温度更是低至-60℃。在医疗领域，生物大分子、细胞、组织和器官的常用储存温度为-80℃、-140℃及-196℃。普通家用冰箱的制冷方式为蒸汽循环制冷，制冷温度难以达到-24℃以下。
3.专利cn201810437993.7公开了采用脉管型自由活塞斯特林制冷机的多温区冰箱，采用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，通过取消在冷热端高频运动的膨胀活塞，消除了低温膨胀活塞带来的泵气损失、穿梭损失以及轴向导热损失。通过热端设置较短的室温膨胀活塞解决了脉管制冷机的声功回收问题，因此，当完全回收冷端声功时，该新型脉管型自由活塞斯特林制冷机理论效率为卡诺循环效率。同时，取消低温膨胀活塞降低了制冷机制造难度，减小了整机质量。其同轴脉管型自由活塞斯特林制冷机中存在膨胀活塞，比传统的脉管制冷机多了一个运动机构，失去了结构简单、寿命长的优势。且该制冷机仅用于为变温室提供冷量，冷藏室和冷冻室需要额外的压缩节流制冷系统，总体结构复杂。
4.专利cn201810770603.8公开了一种使用功回收脉管制冷机的多温区冰箱，冰箱包括冰箱箱体制冷装置，冰箱箱体具有第一冷冻室、第二冷冻室，制冷装置包括制冷机部、导冷部及控制部，制冷机部包括具有压缩腔的压缩单元、两个冷指单元及功回收单元，膨胀腔分别通过第一膨胀管路与第一热端换热器相连通、通过第二膨胀管路与第二热端换热器相连通，第一功回收腔通过第一功回收管路与第一压缩管路相连通，第二功回收腔通过第二功回收管路与第二压缩管路相连通，第一压缩管路上设置有第一电磁阀，第二压缩管路上设置有第二电磁阀，分别用于控制第一冷指单元和第二冷指单元的工作状态，导冷部包括第一导冷单元以及第二导冷单元，控制部包括与制冷机部相连的控制器。该结构额外增加了两个运动机构(功回收活塞)，且冷头与压缩活塞的布置位置无法灵活调节，且为减小振动，压缩活塞必须成对布置。采用压缩活塞作为功回收和调相系统，实际应用中需考虑功回收与调相性能的匹配问题。


技术实现要素：

5.为了满足家用和医用对不同冷冻温区的需求，本发明提出了一种使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱，多冷头脉管制冷机的具有多个冷头，可以提供不同温度下的不同冷量，能够满足不同物品的同时存储。
6.本发明提供了一种使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱，包括冰箱箱体、多冷头脉管制冷机、导冷装置和散热装置，其中冰箱箱体具有多个不同温区的存储空间，多冷头脉管制冷机可在不同温区提供不同冷量，并通过导冷装置将冷量输送至存储空间。
7.优选地，所述的多冷头脉管制冷机包括压缩机单元、n个冷头单元和调相系统单元，所述压缩机单元包括直线电机、压缩机活塞、压缩机气缸，压缩机活塞前端与压缩机气缸间形成压缩腔，压缩机活塞后端与直线电机相连，被直线电机驱动；所述冷头单元包括散热器、回热器、冷量换热器和脉管，脉管两端可设均流器；所述调相系统单元包括小孔气库系统、双向进气系统、惯性管气库单元、多路旁通系统、推移活塞系统、阶梯活塞系统及以上任意几种系统的组合系统。
8.进一步优选地，n个冷头单元的连接方式有串联连接方式和并联连接方式，串联连接方式将第一级散热器于压缩机单元相连，此后每级散热器与上一级脉管热端相连，利用上一级脉管热端的膨胀功作为输入功的一部分，并联连接方式的每个冷头单元的散热器与压缩机单元相连，利用压缩机的输出功作为输入功。
9.进一步优选地，n个冷头单元都需要连接调相系统单元进行相位调节。
10.进一步优选地，采用并联连接方式时只需要一台压缩机即可驱动多个冷头，占用空间小，可合理布置于箱体内部空间。
11.进一步优选地，采用并联连接方式时，冷头单元可连接功回收装置进行膨胀功的回收，提高脉管制冷机的效率。
12.优选地，所述导冷装置为热管，热管上可加翅片，所述热管具有冷凝段和蒸发段，冷凝段与冷量换热器相连，蒸发段设置于存储空间内。
13.优选地，散热装置为热管，热管上可加翅片，所述热管具有冷凝段与蒸发段，蒸发段与冷头散热器相连。
14.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
15.1.本发明多温区冰箱，可以提供不同温度下的不同冷量，能够满足不同物品的同时存储，且冷头具有多种布置方式，只需要一台压缩机便可驱动多个冷头，占用空间小，可合理布置于箱体内部。
16.2.本发明可将脉管制冷机串联布置，上一级脉管热端地膨胀功可作为下一级冷头的输入功被利用，而不是变为热量耗散，可节约能源。
17.3.本发明可将脉管制冷机并联布置，不同冷头间气量分配不同，产生的制冷量和工作的温区也不同；冷头可连接功回收装置进行膨胀功的回收，提高脉管制冷机的效率。
附图说明
18.图1为本发明实施例1中使用串联结构三级脉管制冷机的三温区冰箱的结构示意图；
19.图2为本发明实施例2中使用串联结构双级脉管制冷机的双温区冰箱的结构示意
图；
20.图3为本发明实施例3中使用并联结构三级脉管制冷机的三温区冰箱的结构示意图；
21.图4为本发明实施例4中使用并联结构双级脉管制冷机的双温区冰箱的结构示意图；
22.图5为本发明实施例1中使用的串联结构的三级脉管制冷机示意图；
23.图6为本发明实施例3中使用的并联结构的三级脉管制冷机示意图；
24.图7为本发明实施例1中的散热装置和导冷装置示意图；
25.图8为本发明实施例3中的散热装置和导冷装置示意图。
26.图中：冰箱箱体1、第一存储空间11、第二存储空间12、第三存储空间13、多冷头脉管制冷机2、压缩机单元21、冷头单元22、惯性管气库单元23、阶梯活塞系统24、推移活塞系统25、第一级连接管201、第二级连接管202、第三级连接管203、直线电机210、压缩机气缸211、压缩机活塞212、三级阶梯活塞212a、双级阶梯活塞212b、第一级压缩腔213、第二级压缩腔214、第三级压缩腔215、压缩腔216、膨胀腔217、第一级冷头221、第二级冷头222、第三级冷头223、第一级散热器221a、第一级回热器221b、第一级冷量换热器221c、第一级脉管221d、第一级脉管热端散热器211e、第一级脉管热端均流器221f、第二级散热器222a、第二级回热器222b、第二级冷量换热器222c、第二级脉管222d、第二级脉管热端均流器222f、第三级散热器223a、第三级回热器223b、第三级冷量换热器223c、第三级脉管223d、第三级脉管热端散热器223e、第三级脉管热端均流器223f、惯性管231、气库232、缓冲器241、连接管242、推移活塞气缸250、推移活塞膨胀腔连接管251、推移活塞背腔连接管252、推移活塞膨胀腔253、推移活塞254、推移活塞杆255、推移活塞背腔256、推移活塞后盖257、柔性弹簧258、推移活塞缓冲腔259、散热装置3、第一级散热器热管311、第一级脉管热端热管312、第二级散热器热管321、第二级脉管热端热管322、第三级散热器热管331、第三级脉管热端热管332、导冷装置4、散热器热管出汽管311a、散热器热管冷凝段311b、散热器热管回液管311c、脉管热端热管出汽管312a、脉管热端热管冷凝段312b、脉管热端热管回液管312c、导冷装置4、第一级冷量换热器热管41、第二级冷量换热器热管42、第三级冷量换热器热管43、冷量换热器热管回汽管411、冷量换热器热管蒸发段412、冷量换热器热管出液管413。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
28.实施例1
29.本实施例为使用串联结构的三级脉管制冷机的三温区冰箱，如图1所示，包括冰箱箱体1、多冷头脉管制冷机2、散热装置3和导冷装置4。
30.冰箱箱体1具有第一存储空间11、第二存储空间12和第三存储空间13，三个存储空间分别有三个不同的温区。
31.本实施例中采用的多冷头脉管制冷机2为使用串联结构的三级脉管制冷机，其结构如图5所示，包括压缩机单元21、冷头单元22、惯性管气库单元23。
32.其中，
33.压缩机单元21由直线电机210、压缩机气缸211和三级阶梯活塞212a组成，压缩机
气缸211和三级压缩机活塞212a共同构成第一级压缩腔213、第二级压缩腔214和第三级压缩腔215。直线电机210驱动三级阶梯活塞212a做往复直线运动，各级压缩腔容积呈周期性变化，产生呈正弦波变化的气体压力。
34.冷头单元22包括第一级冷头221、第二级冷头222和第三级冷头223，第一级冷头221包括第一级散热器221a、第一级回热器221b、第一级冷量换热器221c、第一级脉管221d，第二级冷头222包括第二级散热器222a、第二级回热器222b、第二级冷量换热器222c、第二级脉管222d，第三级冷头223包括第三级散热器223a、第三级回热器223b、第三级冷量换热器223c、第三级脉管223d、第三级脉管热端散热器223e。回热器内可填充铜丝网、不锈钢丝网、钬铜、铅球等作为回热材料。第一级散热器221a通过第一级连接管201与第一级压缩腔213相连获得输入功，气体在脉管内膨胀做功，产生冷量。第二级散热器222a既与第一级脉管221d热端相连，又通过第二级连接管202与第二级压缩腔214相连，第二级冷头222的输入功一部分来自第一级脉管221d热端的膨胀功，另一部分来自第二级压缩腔214。第三级散热器223a既与第二级脉管222d热端相连，第三级冷头223的输入功一部分来自第二级脉管222d热端的膨胀功，另一部分来自第三级压缩腔215。第一级脉管221d热端通过第二级连接管202与第二级压缩腔214相连，来自第二级压缩腔214的气体可对第一级冷头221起到相位调节的作用。第二级脉管222d热端通过第三级连接管203与第三级压缩腔215相连，来自第三级压缩腔215的气体可对第二级冷头222起到相位调节的作用。
35.惯性管气库单元23包括惯性管231和气库232。惯性管气库单元23可对第三级冷头223进行相位调节。
36.本实施例中第一级冷头221采用的散热装置和导冷装置如图7所示。
37.其中，
38.第一级散热装置包括第一级散热器热管311和第一级脉管热端热管312。第一级散热器热管311包括散热器热管出汽管311a、散热器热管冷凝段311b、散热器热管回液管311c，散热器热管出汽管311a和散热器热管回液管311c均与第一级散热器221a相连，液体工质在散热器221a中吸热变为蒸汽，经散热器热管出汽管311a流入散热器热管冷凝段311b冷凝为液体，通过散热器热管回液管311c流入散热器221a重复上述循环。第一级脉管热端热管312包括脉管热端热管出汽管312a、脉管热端热管冷凝段312b、脉管热端热管回液管312c。液体工质在第一级脉管热端散热器211e中吸热变为蒸汽，经脉管热端热管出汽管312a进入脉管热端热管冷凝段312b冷凝为液体，通过脉管热端热管回液管312c流入第一级脉管热端散热器211e中重复上述循环。为增大散热面积，可在散热器热管冷凝段311b和脉管热端热管冷凝段312b加装翅片。
39.第一级导冷装置为第一级冷量换热器热管41，包括冷量换热器热管回汽管411、冷量换热器热管蒸发段412、冷量换热器热管出液管413，气体工质在第一级冷量换热器221c中被冷凝为液体，经冷量换热器出液管流入冷量换热器热管蒸发段412，吸收第一存储空间11内的热量后变为气体工质，经冷量换热器热管回汽管411进入第一级冷量换热器221c中冷凝为液体，此后重复上述循环。为增加换热面积，可在冷量换热器热管蒸发段412增设翅片。
40.第二级冷头222和第三级冷头223采用同样结构的散热装置和导冷装置。
41.实施例2
42.本实施例为使用串联结构的双级脉管制冷机的双温区冰箱，如图2所示,本实施例将实施例1中的串联结构的三级脉管制冷机改为串联结构的双级脉管制冷机。
43.实施例3
44.本实施例为使用并联结构的三级脉管制冷机的三温区冰箱，如图3所示，包括冰箱箱体1、多冷头脉管制冷机2、散热装置3和导冷装置4。冰箱箱体1具有第一存储空间11、第二存储空间12和第三存储空间13，三个存储空间分别有三个不同的温区。本实施例中采用的多冷头脉管制冷机2为使用并联结构的三级脉管制冷机，采用一台压缩机单元21便可驱动三个冷头。
45.如图6所示，冷头单元22采用u形结构，为使脉管(第一级脉管221d、第二级脉管222d、第三级脉管223d)内气体均匀流动，在脉管热端设均流器(第一级脉管热端均流器221f、第二级脉管热端均流器222f、第三级脉管热端均流器223f)。第一级冷头221采用阶梯活塞系统24进行调相，第二级冷头222采用惯性管气库单元23进行调相，第三级冷头采用推移活塞系统25进行调相。
46.其中，
47.阶梯活塞系统24包括双级阶梯活塞212b、缓冲器241、连接管242、惯性管231a，缓冲器241通过连接管242与膨胀腔217相连，通过惯性管231a与第一级脉管221d热端相连。阶梯活塞系统24不仅可以调节相位，还可以进行功回收，提高制冷机效率。第一级脉管221d热端的膨胀功在经过惯性管231a时有一部分变为热量耗散，另一部分经过缓冲器241后进入膨胀腔217被回收。
48.惯性管气库单元23包括惯性管231和气库232，惯性管231分别连接气库232和第二级冷头222的第二级脉管热端均流器222f。
49.推移活塞系统25包括推移活塞气缸250、推移活塞膨胀腔连接管251、推移活塞背腔连接管252、推移活塞254、推移活塞杆255、推移活塞后盖257、柔性弹簧258，推移活塞254前端与推移活塞气缸250间形成了推移活塞膨胀腔253，推移活塞254后端与推移活塞气缸250和推移活塞后盖257之间形成了推移活塞背腔256。推移活塞膨胀腔253通过推移活塞膨胀腔连接管251与第三级脉管223d热端相连，推移活塞背腔256通过推移活塞背腔连接管252与压缩腔216相连，第三级脉管223d热端的膨胀功可被推移活塞系统回收。
50.本实施例中第一级冷头221采用的散热装置和导冷装置如图8所示。
51.其中，
52.散热装置包括散热器热管出汽管311a、散热器热管冷凝段311b、散热器热管回液管311c，散热器热管出汽管311a和散热器热管回液管311c均与第一级散热器221a相连，液体工质在散热器221a中吸热变为蒸汽，经散热器热管出汽管311a流入散热器热管冷凝段311b冷凝为液体，通过散热器热管回液管311c流入散热器221a重复上述循环。
53.导冷装置为第一级冷量换热器热管41，包括冷量换热器热管回汽管411、冷量换热器热管蒸发段412、冷量换热器热管出液管413，气体工质在第一级冷量换热器221c中被冷凝为液体，经冷量换热器出液管流入冷量换热器热管蒸发段412，吸收第一存储空间11内的热量后变为气体工质，经冷量换热器热管回汽管411进入第一级冷量换热器221c中冷凝为液体，此后重复上述循环。
54.第二级冷头222和第三级冷头223采用同样结构的散热装置和导冷装置。
55.实施例4
56.本实施例为使用并联结构的双级脉管制冷机的双温区冰箱，如图4所示。本实施例将实施例3中的并联结构的三级脉管制冷机改为并联结构的双级脉管制冷机。
57.以上实施例仅用于说明本发明技术方案，并非是对本发明的限制，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所作的改变、替代、修饰、简化均为等效的变换，都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

技术特征：
1.一种使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱，包括冰箱箱体、多冷头脉管制冷机、导冷装置和散热装置，其特征在于，所述冰箱箱体具有多个不同温区的存储空间，所述多冷头脉管制冷机在不同温区提供不同冷量，并通过导冷装置将冷量输送至存储空间。2.根据权利要求1所述的使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱，其特征在于，所述的多冷头脉管制冷机包括压缩机单元、n个冷头单元和调相系统单元；所述压缩机单元包括直线电机、压缩机活塞、压缩机气缸，压缩机活塞前端与压缩机气缸间形成压缩腔，压缩机活塞后端与直线电机相连；所述冷头单元包括散热器、回热器、冷量换热器和脉管。3.根据权利要求2所述的使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱，其特征在于，各冷头单元的连接方式包括串联连接方式和并联连接方式。4.根据权利要求2所述的使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱，其特征在于，各冷头单元均连接调相系统单元进行相位调节；所述调相系统单元包括小孔气库系统、双向进气系统、惯性管气库单元、多路旁通系统、推移活塞系统、阶梯活塞系统及以上任意几种系统的组统。5.根据权利要求3所述的使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱，其特征在于，各冷头单元串联连接，第一级散热器与压缩机单元相连，此后每级散热器与上一级脉管热端相连，并利用上一级脉管热端的膨胀功作为输入功的一部分。6.根据权利要求3所述的使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱，其特征在于，各冷头单元并联连接，每个冷头单元的散热器与压缩机单元相连，利用压缩机的输出功作为输入功。7.根据权利要求3所述的使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱，其特征在于，各冷头单元并联连接，通过一台压缩机单元驱动多个冷头。8.根据权利要求3所述的使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱，其特征在于，各冷头单元并联连接，冷头单元连接功回收装置进行膨胀功的回收。9.根据权利要求1所述的使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱，其特征在于，所述的导冷装置为热管，所述热管包括出液管、蒸发段和回气管，出液管和回气管与冷量换热器相连，蒸发段设置于存储空间内。10.根据权利要求2所述的使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱，其特征在于，所述散热装置为热管，所述热管包括出汽管、冷凝段和回液管，出汽管和回液管均与散热器相连。

技术总结
本发明涉及一种使用多冷头脉管制冷机的多温区冰箱，包括冰箱箱体、多冷头脉管制冷机、导冷装置和散热装置，冰箱箱体具有多个不同温区的存储空间，多冷头脉管制冷机包括压缩机单元、冷头单元和调相系统单元，冷头单元可串联布置或并联布置，并可在不同温区提供不同冷量，通过导冷装置将冷量输送至存储空间。与现有技术相比，本发明可提供更低温度的存储空间，同时实现脉管制冷机的功回收，提高效率。提高效率。提高效率。


技术研发人员：许爽 朱绍伟
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/6