熱驅動斯特林制冷機的製作方法

2023-07-08 10:46:06

本發明涉及制冷機技術領域，特別是涉及一種熱驅動斯特林制冷機。

背景技術：

熱驅動的低溫制冷機在電能缺乏的場合具有非常好的應用前景。比方說，我國天然氣儲量雖然非常豐富，但大部分屬於煤層氣、頁巖氣等非常規天然氣，通常氣源分布散、氣量較小、地點偏僻，傳統的管道輸運或電驅動的大型液化設備無法使用，因此這些天然氣的利用受到了很大的限制。如果採用熱驅動的低溫制冷機，就可以燃燒部分天然氣作為熱源，驅動制冷機將剩餘部分的氣體液化，從而便於這些非常規天然氣的運輸和利用。

圖1為現有技術中的熱驅動斯特林制冷機結構，它主要包括斯特林發動機、斯特林制冷機和諧振子三部分，諧振子位於所述發動機與制冷機之間。當發動機的熱端換熱器3被加熱，第一室溫換熱器1冷卻時，第一回熱器2內就會形成一定的溫度梯度，當該梯度達到一定的值時，就會產生自激振蕩，將熱能轉化為聲波形式的機械能，推動諧振子6(諧振子6是位於發動機與制冷機之間的氣缸5內的活塞)進行往復運動，將聲功傳遞進入斯特林制冷機；斯特林制冷機在受到聲功的驅動時，聲功在第二回熱器2』內進行熱量搬運，在冷端換熱器3』內獲得低溫，將機械能轉化為熱能。

上述熱驅動斯特林制冷機存在一個重大的缺陷：諧振子位移的敏感性，其振幅非常容易受到其他參數的影響。這些參數包括：加熱溫度、製冷溫度、壓力、諧振子阻尼、排出器阻尼等，這些參數的微小變化都會引起諧振子位移發生很大的改變。諧振子位移的敏感性一方面使得熱驅動斯特林制冷機工作很不穩定，因為加熱溫度、製冷溫度等參數在工作過程中很容易發生變化；另一方面因為阻尼等一些參數受到工藝的影響，實際值通常容易偏離設計值，設計軟體本身的誤差也會使一些設計參數與實際所需值發生偏離，因此熱驅動斯特林制冷機容易出現難以預知的性能特性，例如無法工作、振幅遠超設計值等。諧振子位移的敏感性不但會使熱驅動斯特林制冷機性能受到影響，而且會使諧振子非常容易受到損傷，因為位移過大時，支撐諧振的板簧就會疲勞斷裂。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是提供一種熱驅動斯特林制冷機，提高諧振子抵抗外界因素的影響，以解決現有技術中熱驅動斯特林制冷機工作不穩定，設計參數與實際所需值發生偏離的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供一種熱驅動斯特林制冷機，包括發動機、制冷機和諧振子，所述發動機包括從上到下依次相連的熱端換熱器、第一回熱器、第一室溫換熱器和發動機排出器，所述制冷機包括從上到下依次相連的第二室溫換熱器、第二回熱器、冷端換熱器和制冷機排出器，所述發動機和制冷機上下相對設置且兩者之間設有共用的氣缸，所述諧振子設於所述氣缸內，還包括高壓氣源與低壓氣源，所述高壓氣源和低壓氣源分別與所述熱驅動斯特林制冷機連接，用於向所述熱驅動斯特林制冷機內充放氣。

其中，還包括直線電機，所述直線電機包括定子和動子，所述定子與所述氣缸的側壁固定連接，所述動子與所述諧振子固定連接，所述動子帶動所述諧振子沿所述定子做往復運動，或，所述諧振子帶動所述動子沿所述定子做往復運動。

其中，所述諧振子與所述氣缸採用無接觸的間隙密封。

其中，所述高壓氣源與所述氣缸之間連接有第一閥門，所述低壓氣源與所述氣缸之間連接有第二閥門。

其中，所述諧振子包括兩個活塞，兩個所述活塞相對設置於所述氣缸中，並沿所述氣缸做相對往復運動。

其中，兩個所述活塞關於所述發動機或制冷機的中心軸線左右對稱設置。

其中，所述氣缸中位於所述活塞的外側分別設有直線電機，所述直線電機包括定子和動子，所述定子與所述氣缸的內壁固定連接，所述動子與相應的所述活塞固定連接，所述動子帶動所述活塞沿所述定子做往復運動，或，所述活塞帶動所述動子沿所述定子做往復運動。

其中，所述活塞的外端面設有連杆，所述直線電機的動子固定在所述連杆上。

其中，所述活塞與所述氣缸採用無接觸的間隙密封。

(三)有益效果

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

本發明提供一種熱驅動斯特林制冷機，通過設置高壓氣源與低壓氣源，且所述高壓氣源和低壓氣源分別與氣缸連接，用於向所述氣缸充放氣；通過改變氣缸中的壓力改變諧振子的振幅，也就是位移，當其他參數例如諧振子阻尼、排出器阻尼等參數發生變化引起諧振子的位移發生變化時，通過高低壓氣源來改變氣缸內充氣壓力，從而抵消其他參數變化所引起的諧振子位移變化，從而使諧振子位移保持在恆定值，增強熱驅動斯特林制冷機的運行穩定性。

附圖說明

圖1為現有技術中熱驅動斯特林制冷機的結構示意圖；

圖2為本發明熱驅動斯特林制冷機實施例一的結構示意圖；

圖3為本發明熱驅動斯特林制冷機實施例二的結構示意圖；

附圖標記說明

1-第一室溫換熱器；2-第一回熱器；3-熱端換熱器；4-發動機的排出器；5-氣缸；6-諧振子；7-動子；8-定子；9-第一閥門；10-高壓氣源；11-第二閥門；12-低壓氣源；1』-第二室溫換熱器；2』-第二回熱器；3』-冷端換熱器；4』-制冷機的排出器；6』-活塞。

具體實施方式

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。以下實例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

實施例1：

如圖2所示，一種熱驅動斯特林制冷機，包括發動機、制冷機和諧振子6，所述發動機包括從上到下依次相連的熱端換熱器3、第一回熱器2和第一室溫換熱器1，所述制冷機包括從上到下依次相連的第二室溫換熱器1』、第二回熱器2』和冷端換熱器3』，所述發動機和制冷機上下相對設置且兩者之間設有共用的氣缸5，所述諧振子6水平設於所述氣缸5內，其中，所述諧振子6與所述氣缸5無接觸的間隙密封。還包括高壓氣源10與低壓氣源12，所述高壓氣源10與低壓氣源12分別與所述熱驅動斯特林制冷機連接。

本實施例中，所述高壓氣源10和低壓氣源12分別與所述氣缸5連接，其中，所述高壓氣源10與所述氣缸5之間連接有第一閥門9，所述低壓氣源12與所述氣缸5之間連接有第二閥門11，高壓氣源10與低壓氣源12用於向所述氣缸5充放氣。

所述氣缸5上設有直線電機，所述直線電機包括定子8和動子7，所述定子8與所述氣缸5的內壁或外壁固定連接，所述動子7與所述諧振子6固定連接，所述動子7帶動所述諧振子6沿所述定子8做往復運動，或，所述諧振子6帶動所述動子7沿所述定子8做往復運動。

下面通過具體的過程，進一步的詳細說明。

當其他參數例如活塞阻尼、排出器阻尼等參數發生變化(這類變化對於同一個制冷機來產品說是不可逆轉的，除非重新加工修理)引起諧振子6的位移發生變化時，我們可以通過高低壓氣源10與低壓氣源12對氣缸5進行充放氣，改變熱驅動斯特林制冷機內的充氣壓力，對諧振子6進行調節，從而抵消其他參數變化所引起的諧振子6位移變化，使諧振子6位移保持在恆定值。

具體的，當諧振子6的位移小於設計值時，高壓氣源10向熱驅動斯特林制冷機內注入氣體，提高熱驅動斯特林制冷機內的充氣壓力，由於熱驅動斯特林制冷機內的充氣壓力變大，諧振子6兩側的瞬時壓力差變大，其位移變大達到設計值。反之則從熱驅動斯特林制冷機內放出氣體，降低壓力，諧振子6的位移變小。

當不宜使用充放氣的辦法來保持諧振子6位移的穩定時，例如熱驅動斯特林制冷機的製冷溫度、加熱溫度等參數發生臨時性的變化，可以通過直線電機對諧振子6進行調節。

具體的，當諧振子6位移小於設計值時，直線電機起到壓縮機的作用，將外界輸入的電能轉化為聲功，動子7帶動諧振子6運動，增加位移。(因為諧振子6位移較小時，不會對熱驅動斯特林制冷機造成破壞，因此也可以不使用直線電機)；當諧振子6位移大於設計值時，直線電機起到發電機的作用，諧振子6帶動所述動子7沿所述定子8做往復運動，將熱驅動斯特林制冷機內聲波形式的機械能轉化為電能向外界輸出，抑制諧振子6的位移，從而保持諧振子6位移不超設計值。當諧振子6的位移沒有偏離設計值，則直線電機線圈處於斷路狀態，不發生任何能量轉換。

本實施例提供一種熱驅動斯特林制冷機，通過設置高壓氣源與低壓氣源，且所述高壓氣源和低壓氣源分別與所述氣缸連接，用於向所述氣缸充放氣。通過改變氣缸中的壓力改變諧振子的振幅，也就是位移。當其他參數例如活塞阻尼、排出器阻尼等參數發生變化引起活塞的位移發生變化時，通過高低壓氣源來改變熱驅動斯特林制冷機的充氣壓力，從而抵消其他參數變化所引起的活塞位移變化，從而使活塞位移保持在恆定值。另一方面，本實施例中的熱驅動斯特林制冷機，當不宜使用充放氣的辦法來保持諧振子位移的穩定時，通過設置直線電機，將機械能與電能進行轉換，從而對諧振子的位移進行調整。增強了熱驅動斯特林制冷機的運行穩定性。且可以將熱驅動斯特林制冷機內聲波形式的機械能轉化為電能向外界輸出，用作發電機。

實施例2：

本實施例與實施例1基本相同，為了描述的簡要，在本實施例的描述過程中，不再描述與實施例1相同的技術特徵，僅說明本實施例與實施例1不同之處：

如圖3所示，所述諧振子6包括兩個活塞6』，兩個所述活塞6』相對設置於所述氣缸5中，並沿所述氣缸5做相對往復諧振運動，從而能夠抵消振動。同時，活塞6』不起傳遞聲功的作用，只是用來匹配斯特林發動機與斯特林制冷機之間的阻抗關係。其中，兩個所述活塞6』優選關於所述發動機或制冷機的中心軸線左右對稱設置。所述氣缸5上設有直線電機，所述直線電機包括定子8和動7子，所述定子8與所述氣缸5的內壁固定連接，其中，所述動子7與所述活塞6』固定連接，或，所述動子7與所述活塞6』外端面的連杆固定連接。本實施例中，所述動子7與所述活塞6』外端面的連杆固定連接，用於帶動所述活塞沿所述定子做往復運動。進一步地，為了減小滑動摩擦，所述活塞6』與所述氣缸5無接觸的間隙密封。

本實施例提供的一種熱驅動斯特林制冷機，通過設置所述活塞關於所述氣缸相對設置，從而抵消了振動；同時，諧振子不起傳遞聲功的作用，只是用來匹配斯特林發動機與斯特林制冷機之間的阻抗關係，因此諧振子兩側壓差較小，諧振子與氣缸之間的漏氣損失也較小，由此提高了熱驅動斯特林制冷機的效率。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。