一種串聯式脈管熱機的製作方法

2023-05-18 17:44:32

本發明涉及一種脈管熱機，尤其是涉及一種串聯式脈管熱機。

背景技術：

脈管制冷機現已在航空航天方面得到應用，其特點是小冷量、長壽命。脈管制冷機有兩種形式，不回收膨脹功形式和回收膨脹功形式。在回收膨脹功形式中，階梯壓縮機或雙作用壓縮機式脈管熱機是最簡單的，而且其運動部件只有一個，其理論效率可與卡諾熱機一樣。由於是可逆熱機，能夠在制冷機、熱泵、熱發動機、冷發動機等四種模式下運行。與斯特林發動機相比，其結構與運行極其簡單。如果能將其功率增大，將是十分有用的。

但是脈管的流動特性以及其本徵效率限制了它向大功率方面應用的拓展。

現有斯特林脈管熱機無法做的很大，其原因是當功率大時，回熱器直徑變大，而長度受回熱器阻力限制，一般長度在40-100mm，再長阻力太大。短粗的回熱器內部氣流嚴重不均勻，回熱器效率很低。至今，基本上只有無膨脹功回收的小型脈管制冷機在航天上得到了廣泛的應用，大功率制冷機與發動機仍然在探索階段。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種串聯式脈管熱機。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種串聯式脈管熱機，包括由多個脈管單元及慣性管串聯連接的串聯脈管組件和壓縮機；所述的脈管單元包括順序連接的室溫換熱器、回熱器、高溫換熱器及脈管；所述的壓縮機包括至少兩個壓縮腔。

所述的壓縮機包括電機、活塞及至少兩個壓縮腔，電機驅動活塞移動，改變壓縮腔內氣體壓力，壓縮腔分別與首尾兩端的兩個脈管單元中的室溫換熱器及脈管連 通。

所述的串聯式脈管熱機包括以下四種運行模式：

所述的串聯式脈管熱機在制冷機模式下運行，此時，高溫換熱器所處環境溫度低於室溫換熱器所處環境溫度，電機驅動活塞使氣體周期性地流經每個脈管單元中的室溫換熱器、回熱器、高溫換熱器及脈管，在室溫換熱器向環境放熱，在高溫換熱器吸熱產生製冷量，壓縮機輸入功；或，

所述的串聯式脈管熱機在熱泵模式下運行，此時，高溫換熱器所處環境溫度高於室溫換熱器所處環境溫度，電機驅動活塞使氣體周期性地流經每個脈管單元中的室溫換熱器、回熱器、高溫換熱器及脈管，在室溫換熱器從環境吸熱，在高溫換熱器向環境放熱，壓縮機輸入功；或，

所述的串聯式脈管熱機在熱發動機模式下運行，此時，高溫換熱器所處環境溫度高於室溫換熱器所處環境溫度，氣體周期性地流經每個脈管單元中的室溫換熱器、回熱器、高溫換熱器及脈管，在室溫換熱器向環境放熱，在高溫換熱器從高溫熱源吸熱，功流經前一個脈管單元中的脈管後經過後一個脈管單元中脈管時放大，產生的功驅動電機活塞運動，產生電能，膨脹功被壓縮腔回收，壓縮機輸出功；或，

所述的串聯式脈管熱機在冷發動機模式下運行，此時，高溫換熱器所處環境溫度低於室溫換熱器所處環境溫度，室溫換熱器從環境吸熱，高溫換熱器向低溫熱源放熱，功流經前一個脈管單元中的脈管後經過後一個脈管單元中脈管時放大，膨脹功被壓縮腔回收，壓縮機輸出功。

所述的串聯式脈管熱機還可採用制冷機模式、熱泵模式、熱發動機模式或冷發動機模式中的一種或幾種的混合模式運行。

本發明的串聯式脈管熱機中，前一個脈管單元的脈管通過慣性管與後一個脈管單元的室溫換熱器連通，首尾兩端的兩個脈管單元中的室溫換熱器及脈管分別與兩個壓縮腔連通。

本發明的串聯式脈管熱機中一種優選實現方式為：當壓縮機的壓縮腔個數大於兩個時，除首尾兩端的兩個脈管單元中的室溫換熱器及脈管分別與兩個壓縮腔連通以外，剩下的壓縮腔與慣性管或中間脈管單元中的脈管連通，以回收膨脹功。

本發明中，首尾兩端的兩個脈管單元中的室溫換熱器及脈管可與壓縮腔通過慣性管連通。

本發明中，當串聯脈管組件包含偶數個慣性管時，壓縮腔反相設置；當串聯脈 管組件包含奇數個慣性管時，壓縮腔同相設置。

本發明中，串聯脈管組件的一個脈管單元可由氣庫替代。

本發明中，串聯脈管組件的相鄰兩脈管單元可不經慣性管而直接連接。

本發明中，各壓縮腔的活塞由同軸驅動，壓縮腔的形成方式包括以下形式中的一種或多種形式的結合：

通過一個階梯活塞與階梯氣缸配合形成兩個壓縮腔或多個壓縮腔；

通過在一個推移式活塞的兩側形成兩個壓縮腔；

通過在同一根軸的兩端各設置壓縮腔。

與現有技術相比，本發明採用幾個串聯式脈管單元達到大功率的目的，從而避開了大功率下回熱器短粗而帶來的氣流不均問題。

附圖說明

圖1為實施例1中串聯式脈管熱機的結構示意圖；

圖2為實施例2中串聯式脈管熱機的結構示意圖；

圖3為實施例3中串聯式脈管熱機的結構示意圖；

圖4為實施例4中串聯式脈管熱機的結構示意圖；

圖5為實施例5中串聯式脈管熱機的結構示意圖；

圖6為實施例6中串聯式脈管熱機的結構示意圖；

圖7為實施例7中串聯式脈管熱機的結構示意圖。

圖中，1-壓縮機，111/112/121/122-壓縮腔，113/123-活塞，13-電機，2/3/4-脈管單元，21/31/41-室溫換熱器，22/32/42-回熱器，23/33/43-高溫換熱器，24/34/44-脈管，25/35-慣性管，14/26/36/45-連接管，5為氣庫。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1

參見圖1所示的串聯式脈管熱機，由壓縮機1、脈管單元2、脈管單元4和慣性管25組成。

壓縮機1由電機13、壓縮腔111和112、活塞113組成，壓縮腔111和壓縮腔112互不相通，壓縮腔111通過連接管14與脈管單元2中的室溫換熱器21相連； 壓縮腔112(此時作用為膨脹腔)通過連接管45與脈管單元4中的脈管44相連。

本實施例中，脈管組件由脈管單元2、脈管單元4和一個慣性管25組成。

脈管單元2由室溫換熱器21、回熱器22、高溫換熱器23、脈管24順次連接而成，氣體可在各部件內自由流動。

脈管單元4由室溫換熱器41、回熱器42、高溫換熱器43、脈管44順次連接而成，氣體可在各部件內自由流動。

脈管單元2中的脈管24與脈管單元4中的室溫換熱器41通過慣性管25連通。

此時，室溫換熱器21/41處於環境溫度下，高溫換熱器23/43處於高溫環境下。壓縮機活塞113在電機13的帶動下做往復運動，這裡電機13做發電機用。壓縮腔111的容積呈周期性變化時，其內部的氣體壓力呈周期性變化。氣體通過連接管14流入並流出脈管單元2，在室溫換熱器21處放熱，氣體被冷卻到環境溫度；流經回熱器22，被逐漸加熱到高溫；在高溫換熱器23處吸熱，在脈管24膨脹做功。這部分膨脹功經過慣性管25的傳輸，壓力的相位變化約180°，到達下一個脈管單元4，與脈管單元2中的過程一樣，在高溫換熱器43處吸熱，並在脈管44膨脹做功，功由壓縮腔112回收(這裡壓縮腔112實際做膨脹腔用)。在此過程中，壓縮腔111輸出的功經兩個脈管單元後變為w112＝th/t0[(th/t0)w111]，該式中，w112表示壓縮腔112回收的功，w111表示壓縮腔111輸出的功，th表示高溫換熱器所處的熱源溫度，t0表示環境溫度。這裡，w112理論上大於w111為(th/t0)2倍。如果只有一個脈管組件，倍數為(th/t0)倍。

如果壓縮腔111和112的容積比小於一個臨界值，該機器為發動機。

通過改變壓縮腔111和112的容積比，使其大於臨界值，該熱機可工作在熱泵模式，即從室溫換熱器吸熱，從高溫換熱器放熱，這時壓縮腔111回收功，壓縮腔112輸入功。

此時，室溫換熱器21/41從環境吸熱，高溫換熱器23/43在高溫下放熱。壓縮機活塞113在電機13的帶動下做往復運動。壓縮腔112的容積呈周期性變化時，其內部的氣體壓力呈周期性變化。當壓縮腔112容積變小時，其內部氣體被壓縮，高溫高壓氣體通過連接管45流入脈管單元4，在高溫換熱器43處放熱；流經回熱器42，被逐漸冷卻到環境溫度；在室溫換熱器41處膨脹從環境吸熱；這部分膨脹功經過慣性管25的傳輸，到達下一個脈管單元2，與脈管單元4中的過程一樣，在高溫換熱器23處放熱，並在室溫換熱器21膨脹從環境吸熱，剩餘膨脹功由壓縮 腔111回收(這裡壓縮腔111實際做膨脹腔用)。

如果壓縮腔111和112的容積比小於一個臨界值，高溫換熱器的溫度低於室溫換熱器，該機器可做制冷機，即從室溫換熱器放熱，從高溫換熱器吸熱。這時，壓縮腔111輸出的功經兩個脈管單元後變為w112＝th/t0[(th/t0)w111]。由於th小於t0，w112小於w111。該式中，w112表示壓縮腔112回收的功，w111表示壓縮腔111輸出的功，th表示高溫換熱器所處的熱源溫度，t0表示環境溫度。

如果壓縮腔111和112的容積比大於一個臨界值，高溫換熱器的溫度低於室溫換熱器，該機器可做冷發動機，即從室溫換熱器吸熱，從高溫換熱器放熱。

圖1所示的脈管熱機的脈管單元2可做發動機，脈管單元4可做制冷機。這時，脈管單元2的高溫換熱器高於室溫，脈管單元4的高溫換熱器低於室溫，這時壓縮機可少輸入功或輸出功。

圖1所示的脈管熱機的脈管單元2可做發動機，脈管單元4可做熱泵。這時，脈管單元2的高溫換熱器高於室溫，脈管單元4的高溫換熱器低於室溫，置於室外，從環境吸熱。

實施例2

參見圖2所示的串聯式脈管熱機，由壓縮機1、脈管單元2、脈管單元4及氣庫5組成。

壓縮機1由電機13、壓縮腔111和121、活塞113和123組成，壓縮腔111和壓縮腔121互不相通，壓縮腔111通過連接管14與脈管單元2中的室溫換熱器21相連；壓縮腔121(此時作用為膨脹腔)通過連接管45與脈管單元4中的脈管44相連。活塞113和123同相位運動。

脈管單元2由室溫換熱器21、回熱器22、高溫換熱器23及脈管24順次連接而成，氣體可在各部件內自由流動。

脈管單元4由室溫換熱器41、回熱器42、高溫換熱器43及脈管44順次連接而成，氣體可在各部件內自由流動。

脈管單元2中的脈管24通過慣性管25連通氣庫5的一端，氣庫5另一端通過慣性管35與脈管單元4中的室溫換熱器41連通。壓力波從壓縮腔111經過慣性管25到達氣庫5後理論上基本反相，壓力波從氣庫5經過慣性管45到達壓縮腔121後理論上基本反相，因此，壓力波在壓縮腔111與壓縮腔121內基本同相。

此時，室溫換熱器21/41處於環境溫度下，高溫換熱器23/43處於高溫下。壓 縮機活塞113在直線電機的帶動下做往復運動。壓縮腔111的容積呈周期性變化時，其內部的氣體壓力呈周期性變化。氣體通過連接管14流入並流出脈管單元2，在室溫換熱器21處放熱，氣體被冷卻到環境溫度；流經回熱器22，被逐漸加熱到高溫；在高溫換熱器23處吸熱，在脈管24膨脹做功。這部分膨脹功經過慣性管25的傳輸，到達氣庫5，此時，壓力波的相位變化約180°，再經過慣性管35的傳輸，相位再次變化約180°，到達下一個脈管單元4，與脈管單元2中的過程一樣，在高溫換熱器43處吸熱，並在脈管44膨脹做功，功由壓縮腔121回收(這裡壓縮腔121實際做膨脹腔用)。

與實施例1不同的地方在於，本實施例的兩個壓縮腔分別設置在同一根軸的兩端，兩個壓縮腔的容積變化規律是相反的，且有兩根慣性管。這是因為經過兩根慣性管的調相作用，壓縮腔111處的壓力波和壓縮腔121處的壓力波基本是同相位的，所以為了回收膨脹功，需要將壓縮腔如此設置。

其餘與實施例1所述相同，通過改變壓縮腔111和121的容積和各換熱器的溫度，該機器可在制冷機、熱泵、熱發動機和冷發動機的模式下工作。也可如實施例1所述，兩個脈管單元分別工作在發動機和熱泵/制冷機下，在混合模式下運行。

實施例3

參見圖3所示的串聯式脈管熱發動機，由壓縮機1、脈管單元2、脈管單元3及脈管單元4組成。

壓縮機1由電機13，壓縮腔111和121，活塞123組成，壓縮腔111和壓縮腔121互不相通，壓縮腔111通過連接管14與脈管單元2中的室溫換熱器21相連；壓縮腔121(此時作用為膨脹腔)通過連接管45與脈管單元4中的脈管44相連。

脈管單元2由室溫換熱器21、回熱器22、高溫換熱器23和脈管24順次連接而成，氣體可在各部件內自由流動。

脈管單元3由室溫換熱器31、回熱器32、高溫換熱器33和脈管34順次連接而成，氣體可在各部件內自由流動。

脈管單元4由室溫換熱器41、回熱器42、高溫換熱器43和脈管44順次連接而成，氣體可在各部件內自由流動。

脈管單元2中的脈管24通過慣性管25與脈管單元3中的室溫換熱器31連通，脈管單元3中的脈管34通過慣性管35與脈管單元4中的室溫換熱器41連通。

此時，室溫換熱器21/31/41處於環境溫度下，高溫換熱器23/33/43處於高溫 下。高溫換熱器43從高溫熱源吸熱，室溫換熱器41向環境放熱，在回熱器42內形成溫度梯度，功從高溫換熱器43流向室溫換熱器41，經過慣性管35到達脈管單元3。在脈管單元3處經過脈管單元4中相同的過程，功被放大。然後經過慣性管25，到達脈管單元2，功進一步被放大，驅動活塞123帶動發電機13產生電能。膨脹功在壓縮腔121內被回收。

與實施例2不同的地方在於，本實施例的兩個壓縮腔分別設置在同一個活塞的兩面，兩個壓縮腔的容積變化規律是相反的，且有兩根慣性管，並且增加一個脈管單元3。目的是進一步將產生的功放大。

其餘與實施例2所述相同，通過改變壓縮腔111和121的容積和各換熱器的溫度，該機器可在制冷機、熱泵、熱發動機和冷發動機的模式下工作。也可如實施例1所述，各個脈管單元分別工作在發動機和熱泵/制冷機下，在混合模式下運行。

實施例4

參考圖4，本實施例的兩個壓縮腔分別設置在同一根軸的兩端，有兩個活塞，兩個壓縮腔的容積變化規律是相反的，其餘與實施例3所述相同。

實施例5

參見圖5所示的串聯式脈管熱發動機，由壓縮機1、脈管單元2、脈管單元3及脈管單元4組成。該實施例是在實施例4的基礎上，將活塞113改為階梯式活塞，增加一個壓縮腔112，使其通過連接管26與慣性管25相連，可以回收一部分功，剩餘功繼續到下一個脈管單元放大，這樣可以使下一個脈管單元尺寸變小。其餘與實施例4相同。

通過改變壓縮腔111和121的容積和各換熱器的溫度，該機器可在制冷機、熱泵、熱發動機和冷發動機的模式下工作。

實施例6

參見圖6所示的串聯式脈管熱發動機，由壓縮機1、脈管單元2、脈管單元3及脈管單元4組成。該實施例是在實施例5的基礎上，將活塞123改為階梯式活塞，增加一個壓縮腔122，使其通過連接管36與慣性管35相連。可以回收一部分功。其餘與實施例5相同。

通過改變壓縮腔111和121的容積和各換熱器的溫度，該機器可在制冷機、熱泵、熱發動機和冷發動機的模式下工作。

實施例7

參見圖7所示的串聯式脈管熱發動機，由壓縮機1、脈管單元2、脈管單元3及脈管單元4組成。該實施例是在實施例1的基礎上，在脈管單元2的後面增加一個脈管單元3，中間直接用脈管相連。

其餘與實施例1相同，通過改變壓縮腔111和112的容積和各換熱器的溫度，該機器可在制冷機、熱泵、熱發動機和冷發動機的模式下工作。也可如實施例1所述，兩個脈管單元分別工作在發動機和熱泵/制冷機下，在混合模式下運行。

由於直線電機驅動的壓縮機單個震動很大，需要加平衡震子，或採用對置結構，即兩個壓縮機的活塞相對運動。這在採用直線電機的系統中是常識。

這裡，直線電機既可用於輸入功，也可用於輸出功，活塞的機械功既可直接輸出輸入，也可通過直線電機以電能的形式輸出輸入。

這裡，壓縮腔如果是輸出功則為壓縮腔功能，如果是回收功，則為膨脹腔功能。各個壓縮腔的相位除同相或反相外，也可以是其他角度。同相或反相可由直線電機實現，結構簡單。其他角度需要不同的直線電機或曲柄連杆機構實現，結構複雜。

串聯脈管組件與壓縮腔之間的連接管可以是普通的連接管，即壓力波通過時相位基本不發生反轉，也可以是慣性管，即壓力波通過時相位基本發生反轉。

串聯脈管組件與壓縮腔之間的連接可不經過連接管而直接連接，加連接管僅僅是為了設計方便。

上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明範疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。