一種熱壓縮機系統的製作方法

2023-09-24 05:32:40 2

專利名稱：一種熱壓縮機系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及空調壓縮機領域，脈衝管制冷系統驅動壓縮機領域，特別是涉及一種需要一定壓力波幅的系統，具體為一種熱壓縮機系統。
背景技術：
隨著我國的經濟發展和全世界範圍內的能源緊張，節能減排和提高能源利用效率成為了一項具有挑戰性的工作。在這一過程中，廢熱的回收和再利用有非常大的市場和意義。發電廠、化工廠、鋼鐵廠等都有大量的廢熱產生，最易獲得的太陽能一般也只提供較低的熱源溫度。中國的空調每年的銷售量越過2000萬臺，其中絕大部分為電力驅動，這給各城市的供配電帶來了沉重的壓力。我國電能主要來自於化石燃料的燃燒，但隨著石油、天然氣、煤炭資源的日益短缺和石油、天然氣、煤炭價格的逐漸上漲，使用煤炭、天然氣的火力發電站和燃燒石油資源的傳統內燃機所引起的環境汙染和能源使用不平衡等社會問題日漸突出。研究能以天然氣、 沼氣、生物質、太陽能以及工業過程中的廢熱等能源驅動的發動機(壓縮機)的相關技術， 對於促進能源的綜合利用、改善當前使用單一的化石資源能源結構狀況和減少環境汙染， 創造節約型社會，從而促進經濟的又好又快持續發展和社會進步，具有重要的意義。熱壓縮機技術就是具有這樣意義的一種動力機械。熱壓縮機技術源於斯特林(Stirling)發動機技術，它是一種外燃、閉式循環熱力發動機，它理想的熱力循環稱作概括性卡諾循環，因此，同溫度下其理論效率高。直線電機驅動的熱壓縮機具有兩個明顯優點一是能利用各種能源，無論是常用的液體燃料，還是氣體燃料或固體燃料，甚至餘熱、太陽能、化學反應能和放射性同位素能源，只要是能產生一定溫度的熱量，熱壓縮機機就可以工作；二是振動噪音低、排放汙染小，具有良好的環境特性，在熱電冷聯產、太陽能綜合利用、工業餘熱廢汽回收利用等方面，具有很大優勢。斯特林發動機1816年由蘇格蘭牧師雷伯爾特·斯特林發明，又稱「熱空氣發動機」，當時已生產出數千臺。後由於蒸汽機和內燃機的出現而被冷落，到二十世紀初已基本消失。荷蘭菲利蒲公司試製了多種結構形式的發動機，並做了裝車試驗。該公司將部分發動機製造技術於1957 1967年陸續轉讓給西德和瑞典的有關公司。1973年世界性石油危機後，節油和油的替代提上重要議事日程。菲利蒲公司重新和美國福特公司合作共同開發了斯特林發動機。進入八十年代以來，第二次石油危機又引起各國對斯特林發動機的關心， 後來石油供應雖有緩和，但從環保和能源角度出發各國又競相進行斯特林發動機的開發工作。我國從七十年代末即開始斯特林發動機的研究開發工作，曾經設計出功率 150ff-10kff發動機多種，多數在實驗室正常運轉。1986年國內同行發起成立了熱氣機研究會，推動了我國熱氣機研究和應用的發展。上海711研究所是我國從事熱氣機研究的一個重要單位，獲得了具有國際水準的科研成果。該所成立的上海齊耀動力技術有限公司 (Micropowers)是我國專門從事熱氣機和其它高效潔淨能源動力裝置和系統的設計開發、研製、生產的企業，他們已經成功開發了 20kW、100kW功率的廢熱驅動的斯特林發電機。同時一些學校也開展了斯特林發動機理論研究和實驗研究工作。國際上有一個專門的會議國際斯特林熱機會議ant. Stirling Engine Conference)，兩年舉行一次，會議主要圍繞斯特林發動機及其應用而展開。由於斯特林制冷機的效率很高，在低溫溫區得到了廣泛應用。在普冷溫區，其效率也是可以與常規朗肯循環比擬的。美國Simpower公司研製的普通冰箱在-20°C的效率與目前的冰箱並無區別。其他公司也曾進行類似的嘗試。美國、日本、韓國和歐洲一些發達國家的研究機構和大公司已致力於這方面的研究工作。斯特林冰箱系統的研製開發有重要的意義，是新一代的節能環保冰箱。由於採用氦氣作為製冷劑，徹底實現了 「綠色冰箱」的環保理念；相對於壓縮節流製冷系統，採用斯特林製冷技術可節能15% 30%，降低了冰箱的能耗及運行成本；斯特林冰箱的製冷溫度可以更低，控溫精度可以更高，可以滿足人們對保存食品及生物工業用品的更高要求。但斯特林冰箱一般不會考慮熱驅動的方案，因為一年四季常開。因此，開發具有多種燃料的適應性、良好的環境特性和高的轉換效率，能為空調溫區的熱驅動製冷系統提供動力(壓縮機)，對於促進能源的綜合利用、改善當前使用單一的化石資源能源結構狀況和減少環境汙染，創造節約型社會，從而促進經濟的又好又快持續發展和社會進步，具有重要的意義。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是為空調溫區的熱驅動製冷系統和脈衝管制冷系統提供動力，其具有多種燃料的適應性、良好的環境特性和高的轉換效率，並且動力結構構造簡單，節約能源，對環境汙染小。(二)技術方案為了解決上述技術問題，本發明提供一種熱壓縮機系統，其包括氣缸，活塞和直線電機；所述活塞位於所述氣缸的缸體內，所述直線電機的主軸與所述活塞連接；將所述氣缸靠近所述直線電機的一端界定為缸體頂端，相對的另一端界定為缸體底端，所述氣缸的缸體底端外部設置有加熱器，所述氣缸的缸體頂端外部設置有散熱器；所述缸體內充有工質。上述熱壓縮機系統中，所述加熱器設置有保溫層。上述熱壓縮機系統中，所述直線電機為動鐵式直線電機，或動圈式電機，或動磁式電機，或複合次級直線電機，或直線步進電機。上述熱壓縮機系統中，所述缸體的內壁和所述活塞的外表面是光滑的。上述熱壓縮機系統中，所述缸體的內壁或所述活塞的外表面上具有翅片或凹陷的通道。上述熱壓縮機系統中，所述散熱器為風冷式散熱器，或水套式散熱器。上述熱壓縮機系統中，所述工質為氦氣、氮氣、氫氣、空氣中的一種或者幾種的混
I=I O上述熱壓縮機系統中，所述缸體頂端設置有負載連接口，連接外部負載。
上述熱壓縮機系統中，所述保溫層外部還設置有罩殼。上述熱壓縮機系統中，所述加熱器為液體燃料、氣體燃料、固體燃料、工業餘熱、太陽能、化學反應能或放射性同位素能源加熱的加熱器。(三)有益效果上述技術方案將直線電機和熱壓縮機耦合起來工作，直線電機帶動活塞在熱壓縮機氣缸內往復運動，推動氣體周期性的在氣缸冷熱端部之間流動，在外加熱源的作用下，氣體在流向氣缸熱端的過程中吸收熱量，系統內氣體溫度升高，壓力也升高；當氣體由氣缸熱端流回氣缸冷端時，對外放熱，系統內氣體溫度下降，壓力也下降。氣缸採用外加熱源對氣缸熱端加熱，可利用各種能源，無論是常用的液體燃料，還是氣體燃料或固體燃料，甚至工業餘熱、太陽能、化學反應能和放射性同位素能源，只要是能產生一定溫度的熱量，熱壓縮機機就可以工作。活塞兩端幾乎沒有壓差，僅用小功率的直線電機就能克服活塞往復運動過程中的摩擦阻力，系統振動噪音低、排放汙染小，具有良好的環境特性。直線電機驅動的熱壓縮機將在空調溫區的熱驅動高效製冷系統中有廣泛的應用前景，在需求壓力波動但幅度不大的脈衝管制冷系統內也有重要的作用。


圖1是本發明實施例的熱壓縮機系統的結構示意圖；圖2是本發明實施例的熱壓縮機系統具有的肋狀換熱結構的活塞橫截面示意圖；圖3是本發明實施例的熱壓縮機系統具有的肋狀換熱結構的氣缸橫截面示意圖。其中，1 熱氣缸；2 加熱器；3 保溫層；4 缸體；5 散熱器；6 冷氣缸；7 直線電機；8 罩殼；9 活塞；10 負載連接口。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。圖1示出了本發明實施例的熱壓縮機系統的結構示意圖。如圖所示，壓縮機系統包括加熱器2、保溫層3、缸體4、散熱器5、直線電機7、罩殼8、活塞9、負載連接口 10，活塞 9位於氣缸的缸體4內，直線電機7的主軸與活塞9連接；將氣缸靠近直線電機7的一端界定為缸體頂端，相對的另一端界定為缸體底端時，加熱器2設置在缸體4底端外部，使氣缸的底部成為熱氣缸1，散熱器5設置在缸體4頂端外部，使氣缸的頂部成為冷氣缸；缸體4內填充有工質，工質被密封在一個封閉的系統內，可以進行無汙染壓縮，且工質不會洩露。保溫層3設置在加熱器2外部，負載連接口 10設置在缸體4頂端，用來連接外部負載。罩殼 8設置在保溫層3外部。直線電機7帶動活塞9在氣缸內做往復運動，如圖1所示，當活塞9由最左側向最右側運動時，系統內的工質經過氣缸與活塞9之間的通道時吸熱，再經加熱器2加熱，工質溫度升高，系統內壓力升高；當活塞9由最右側向左側運動時，工質經過氣缸與活塞9之間的通道時放熱，再經散熱器5散熱，工質溫度降低，系統內壓力也降低。活塞9在移動的過程中所需要克服的阻力很小，因此直線電機7所需的輸入功率也很小。在不撞缸的前提下， 增大直線電機7的功率，可以提高系統內的高低壓壓比，系統通過負載連接口 10輸出，連接負載。本實施例中，直線電機7可以是動鐵式直線電機，或動圈式電機，或動磁式電機， 或複合次級直線電機，或直線步進電機。本實施例的熱壓縮機系統無外部回熱器，氣體在活塞9與氣缸之間的通道內流動，當氣體從冷氣缸6流向熱氣缸1時，氣體從氣缸和活塞9吸熱；當氣體從熱氣缸1流向冷氣缸6時，氣體向氣缸和活塞9放熱。活塞9與氣缸的表面可以是光滑的，也可單獨在活塞9或者氣缸(如圖3所示，包括但並僅限於)上、抑或二者上同時通過一定的手段(如線切割)，加工出翅片或通道，以增加工質流通面積，減小阻力，增強換熱。如圖2所示，為本實施例所採用的一種活塞9的橫截面示意圖，活塞9外壁上間隔設置了凹槽通道；如圖3所示，為本實施例所採用的一種氣缸的橫截面示意圖，氣缸內壁上也間隔設置了凹槽通道。本實施例中，氣缸的熱量自熱氣缸1側加入系統，熱量的產生可以利用各種能源， 無論是常用的液體燃料，還是氣體燃料或固體燃料，甚至餘熱、太陽能、化學反應能和放射性同位素能源，只要是能產生一定溫度的熱量，都可以使用。為提高系統性能，加熱器2外側可以採用熱絕緣材料保溫和防止熱輻射層。但根據使用需要，也可以不採用熱絕緣材料保溫和防止熱輻射層。散熱器5可以採用風冷式散熱器，或水套式散熱器，或者其它形式的散熱冷卻方式。氣缸內的工質為氣體，如氦氣，氮氣，氫氣、空氣等的一種或者幾種的混合工質。根據具體應用的要求可以選擇其它合適的工質。負載連接口 10可以設置為由進氣閥和排氣閥組成的工質單向流動系統。按照等溫模型，忽略氣缸內冷熱兩端的餘隙容積，熱壓縮機熱端溫度為Th，冷端溫度為τ。，工作體積為V，餘隙體積為Vi, VmS餘隙體積與工作體積之比，系統內工質最高壓力為IV最低壓力為P。，則理想的熱壓縮機壓比為σ = PJPHC;
1C L+^m -h要增加熱壓縮機壓比，就需要提高加熱溫度，降低散熱溫度，增加工作體積，減小餘隙體積。受材料性能影響，熱壓縮機長期使用的安全溫度一般為大約650°C，散熱溫度一般為環境溫度，Vm—般為0. 25，這種情況下熱壓縮機的熱效率接近概括性卡諾循環效率，系統的理想壓比一般為2. 48，實際熱壓縮機壓比可能比該值更小，這是熱壓縮機的特點。在材料強度滿足要求的條件下，熱壓縮機平均工作壓力可以很高。由以上實施例可以看出，本發明利用狹縫回熱器的直線電機驅動的熱壓縮機能利用各種能源，無論是常用的液體燃料，還是氣體燃料或固體燃料，甚至餘熱、太陽能、化學反應能和放射性同位素能源，只要是能產生一定溫度的熱量，熱壓縮機機就可以工作；系統振動噪音低、排放汙染小，具有良好的環境特性。在熱電冷聯產、太陽能綜合利用、工業餘熱廢汽等方面，具有很大優勢，有望在空調溫區的熱驅動高效製冷系統中有廣泛應用；在需求壓力波動但幅度不大的系統內也有重要的應用。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種熱壓縮機系統，其特徵在於，包括氣缸，活塞(9)和直線電機(7)；所述活塞 (9)位於所述氣缸的缸體內，所述直線電機(7)的主軸與所述活塞(9)連接；將所述氣缸靠近所述直線電機(7)的一端界定為缸體(4)頂端，相對的另一端界定為缸體(4)底端， 所述氣缸的缸體(4)底端外部設置有加熱器O)，所述氣缸的缸體(4)頂端外部設置有散熱器(5)；所述缸體⑷內充有工質。
2.如權利要求1所述的熱壓縮機系統，其特徵在於，所述加熱器(2)設置有保溫層⑶。
3.如權利要求1所述的熱壓縮機系統，其特徵在於，所述直線電機(7)為動鐵式直線電機，或動圈式電機，或動磁式電機，或複合次級直線電機，或直線步進電機。
4.如權利要求1所述的熱壓縮機系統，其特徵在於，所述缸體的內壁和所述活塞 (9)的外表面是光滑的。
5.如權利要求1所述的熱壓縮機系統，其特徵在於，所述缸體的內壁或所述活塞 (9)的外表面上具有翅片或凹陷的通道。
6.如權利要求1所述的熱壓縮機系統，其特徵在於，所述散熱器(5)為風冷式散熱器， 或水套式散熱器。
7.如權利要求1所述的熱壓縮機系統，其特徵在於，所述工質為氦氣、氮氣、氫氣、空氣中的一種或者幾種的混合。
8.如權利要求1所述的熱壓縮機系統，其特徵在於，所述缸體(4)頂端設置有負載連接口 (10)，連接外部負載。
9.如權利要求1所述的熱壓縮機系統，其特徵在於，所述保溫層(3)外部還設置有罩殼⑶。
10.如權利要求1所述的熱壓縮機系統，其特徵在於，所述加熱器(2)為液體燃料、氣體燃料、固體燃料、工業餘熱、太陽能、化學反應能或放射性同位素能源加熱的加熱器。
全文摘要
本發明公開了一種熱壓縮機系統，包括氣缸，活塞和直線電機；活塞位於氣缸的缸體內，直線電機的主軸與活塞連接；將氣缸靠近所述直線電機的一端界定為缸體頂端，相對的另一端界定為缸體底端，氣缸的缸體底端外部設置有加熱器，氣缸的缸體頂端外部設置有散熱器；缸體內充有工質。本發明將直線電機和熱壓縮機耦合起來工作，直線電機帶動活塞在熱壓縮機氣缸內往復運動，推動氣體周期性的在氣缸冷熱端部之間流動；氣缸採用外加熱源對氣缸熱端加熱，可利用各種能源；活塞兩端幾乎沒有壓差，僅用小功率的直線電機就能克服活塞往復運動過程中的摩擦阻力；系統振動噪音低、排放汙染小，具有良好的環境特性。
文檔編號F02G1/055GK102486137SQ20101058224
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月6日 優先權日2010年12月6日
發明者吳小華, 楊俊玲, 楊魯偉, 林文野 申請人:中國科學院理化技術研究所