CN100376849C - 采用油润滑的热驱动v-m制冷机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统。其为在传统V-M制冷机的基础上，将排出器和曲轴箱内的连杆及曲轮等采用润滑油进行润滑，即对所有运动部件均采用润滑油进行润滑。在加热器和排出器及低温换热器和排出器之间增加了室温换热器，热缓冲管和弹性膜片，用在回热器旁边的室温换热器和取代了传统V-M制冷机安装在曲轴箱内的室温换热器，同时在室温换热器和旁通管之间增加安装了弹性膜片，使得润滑油无法进入换热器和回热器内，在保证了换热器和回热器的正常工作的同时，使得整个系统的加工难度降低了；而且可以大大提高系统的运行寿命，其热力工作性因摩擦的降低而得到了提高。

Description

采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统

技术领域

本发明属于制冷与低温技术领域，具体地说是涉及一种采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统。

背景技术

V-M制冷机原先是由Vuilleumier提出并于1918年获得美国专利，如图1所示，它是一种有三个热源的热机：从高温热源(即图1中的加热器5)吸热，在低温(即图1中的低温换热器24)下制冷，同时通过安装在曲轴箱内的室温换热器(即图1中的室温换热器32)向环境温度放热。由于V-M制冷机消耗高温热量而直接产生低温，它不需要消耗额外的机械功，因此，这种制冷机曾称为热气体制冷机。V-M制冷机采用热能作为主要能源，不需要机械压缩机，另外结构小巧紧凑，因此有非常广泛的应用前景。

目前，V-M制冷机存在的主要问题是寿命短，机械加工难度大。因为V-M制冷机的运动部件是两个排出器10和20的汽缸-活塞，现有技术是采用干摩擦或是微间隙密封来进行的。而采用干摩擦会使得汽缸-活塞的寿命降低，且对汽缸-活塞的材料要求很高；而采用微间隙密封则要求加工工艺高。因此，V-M制冷机的大规模应用受到了限制。

对运动部件采用润滑油进行润滑已是非常成熟的技术，但是在用于V-M制冷系统内部的两个排出器10和20的活塞-汽缸时，很难做到不能有润滑油进入回热器和换热器，这就必然使得致冷系统的换热效果变差，工作性能将大大下降。所以，对V-M制冷机的运动部件采用润滑油进行润滑的同时又能够防止润滑油进入回热器和换热器，那将是对V-M制冷机的一个重大改进，其可靠性将会得到极大提高，同时，制造成本也会大大下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的V-M制冷机的运动部件是采用干摩擦或是微间隙密封，从而使得V-M制冷机寿命短，机械加工难度大；而对运动部件采用润滑油进行润滑，难以避免有润滑油进入回热器和换热器，使得致冷系统的换热效果变差，工作性能将大大下降的缺陷，从而提供一种寿命长、机械加工难度小、可以阻挡润滑油进入换热器和回热器的采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供的采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统，如图2所示，包括：一曲轴箱12；所述曲轴箱12与呈V形排列的第一刚性汽缸30和第二刚性汽缸31相连通；所述曲轴箱12内的曲轮29通过第一连杆18与位于第一刚性汽缸30内的第一排出器10相连，并推动其在第一刚性汽缸30内作往复运动；通过第二连杆181与位于第二刚性汽缸31内的第二排出器20相连，并推动其在第二刚性汽缸31内作往复运动；第一汽缸30内远离曲轴箱12装有加热器5，第二汽缸31内远离曲轴箱12装有低温换热器24，其特征在于：

所述的第一排出器10与第一汽缸30内壁面之间采用第一活塞环9进行密封，并用润滑油进行润滑；在第一排出器10与加热器5之间依次安装有第一弹性膜片8、第一室温换热器7、第一热缓冲腔6；在加热器5与远离曲轴箱12的气缸壁之间依次安装有高温回热器4、第三室温换热器3和第三弹性膜片2，在第一汽缸30远离曲轴箱端通过第一旁通管1与曲轴箱12相连通；

所述的第二排出器20与第二汽缸31内壁面之间采用第二活塞环19进行密封，并用润滑油进行润滑；在第二排出器20与低温换热器24之间依次安装有第二弹性膜片21、第二室温换热器22、第二热缓冲腔23，在第二气缸31远离曲轴箱12的气缸壁之间依次安装有低温回热器25、第四室温换热器26和第四弹性膜片27，在第二汽缸31的远曲轴箱端通过第二旁通管28与曲轴箱12相连通；和

一个油润滑机构，该油润滑机构包括；盛装在曲轴箱腔体底部的润滑油和一油泵14；连通曲轴箱腔体底部与油泵14的第一输油管15，连通油泵14与第一排出器10的活塞环之间的第二输油管13，连通油泵14与第二排出器20的活塞环之间的第二输油管16，可以将曲轴箱12内的润滑油泵送到排出器10和20的活塞环之间，对汽缸-活塞进行润滑。

所述的低温回热器25还可以进一步分为两部分，如图3所示，靠近曲轴箱部分直径较小，远离曲轴箱部分直径较大，并且在二者的相接部位依次连接出第三热缓冲腔11和第五室温换热器17，第五室温换热器17的另一端与第二室温换热器22和第二弹性膜片21之间的空隙连通。

所述的弹性膜为高弹性的有机材料或金属材料制得的膜片，所述的有机材料为氟橡胶、乳胶、天然橡胶等，所述的金属材料则为铍青铜、弹性不锈钢材料等，它们的厚度和直径的大小根据所在截面的体积流量和弹性材料的疲劳极限加以设计。通常，弹性膜的材料厚度在0.3～5mm之间，而其直径则根据其弹性膜的许用位移大于该截面处的气体运动位移。

所述的热缓冲腔是不锈钢、钛合金或者陶瓷等低热导率材料的薄壁空管子，其壁厚一般为管子临界承压厚度的1～3倍左右，通常在0.1mm～5mm之间。

发明提供的采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统的关键是使用一种弹性膜片，能够组织润滑油进入换热器和回热器，同时还能够保证声功在膜的两侧传输，这种膜片能够完全隔离其两侧的流动介质，同时具有非常好的弹性。其工作原理叙述如下：

假设弹性膜片振动时每处的排出量均相等，则可以写出如下的运动方程：

(P₁-P₂)S＝Kx+mx”                                                  (1)

其中P₁、P₂为弹性膜片两侧的压力波动，S为弹性膜片的面积，K为弹性膜片与工作介质接触的面积，x为弹性膜片的位移，m为弹性膜片的质量，x”表示弹性膜片位移的二阶导数。

运动方程还可以进一步写成：

(P₁-P₂)S＝(K-mω²)x                                                 (2)

ω为弹性膜片与工作介质的运动角频率。当K＝mω²时弹性膜片两侧的压力相等，也就是说此时声波能够顺利通过弹性膜片，而且压力波动不发生任何影响。当然这是理想的模型，实际的弹性膜片是中心处位移量大，边缘处位移量小，而且也很难做到K＝mω²，所以在实际应用当中，在弹性膜片能够严格隔开两侧工作介质且具有良好的弹性的前提下，选择越薄的弹性膜片越好，张力越小越好。另外，如果膜片的弹性不够时，可以在安装弹性膜片的地方应加大管道的直径，以保证膜片的中心处能够达到足够的位移量，使膜片对声波的影响最小。

通常，温度影响弹性膜片寿命的一个重要因素，高温和低温都会大幅降低弹性膜片的使用寿命。因此在排出器和加热器或者低温换热器之间加弹性膜片时，必须增加热缓冲腔和室温换热器，使得从加热器或者冷端换热器出来的气体能够变为室温后再和膜片接触。

本发明提供的采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统是在传统V-M制冷机的基础上，将排出器10、20和曲轴箱12内的连杆18及曲轮29等采用润滑油进行润滑，即对所有运动部件均采用润滑油进行润滑。在加热器5和排出器10及低温换热器24和排出器20之间增加了室温换热器7、22，热缓冲管6、23和弹性膜片8、21，用在回热器4、25旁边的室温换热器3和24取代了传统V-M制冷机安装在曲轴箱内的室温换热器32，同时在室温换热器3、26和旁通管1、28之间增加安装了弹性膜片2和27，使得润滑油无法进入换热器和回热器内，在保证了换热器和回热器的正常工作的同时，使得整个系统的加工难度降低了；而且可以大大提高系统的运行寿命，其热力工作性因摩擦的降低而得到了提高。

附图说明

图1为传统热驱动V-M制冷机系统的结构示意图；

图2为实施例1中采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统的结构示意图；

图3为实施例2中采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统的结构示意图；

其中：1为第一旁通管，2为第三弹性膜片，3为第三室温换热器，4为高温回热器，5为加热器，6为第一热缓冲腔，7为第一室温换热器，8为第一弹性膜片，9为第一活塞环，10为第一排出器，11为第三热缓冲腔，12为曲轴箱，13为第二输油管，14为油泵，15为第一输油管，16为第三输油管，17为第五室温换热器，18为第一连杆，181第二连杆，19为第二活塞环，20为排出器，21为第二弹性膜片，22为第二室温换热器，23为第二热缓冲腔，24为低温换热器，25为低温回热器，26为第四室温换热器，27为第四弹性膜片，28为第二旁通管，29为曲轮，30为第一刚性汽缸，31为第二刚性汽缸，32为室温换热器。

具体实施方式

实施例1

本实施例的结构如图2所示，曲轴箱12与两个刚性汽缸30、31相连，第一排出器10位于第一汽缸30内，第二排出器20位于第二汽缸31内，排出器与汽缸内壁面之间采用活塞环进行密封，并用润滑油进行润滑；曲轴箱12内的主要部件为曲轮29，在转轮上连接有连杆18和181，分别与排出器10和20相连；在第一排出器10远离曲轴箱12的方向上，在第一汽缸30内依次安装有第一弹性膜片8、第一室温换热器7、第一热缓冲腔6、加热器5、高温回热器4、第三室温换热器3和第三弹性膜片2，在第一汽缸30的远曲轴箱端通过第一旁通管1与曲轴箱12相连通；在第二排出器20远离曲轴箱12的方向上，在第二汽缸31内依次安装有第二弹性膜片21、第二室温换热器22、第二热缓冲腔23、低温换热器24、低温回热器25、第四室温换热器26和第四弹性膜片27，在第二汽缸31的远曲轴箱端通过第二旁通管28与曲轴箱12相连通；在曲轴箱12上连接有油泵14，曲轴箱12内的润滑油经过第一输油管15进入油泵14，再分别由输油管13、16进入到排出器10和20的活塞环之间。弹性膜片均采用1mm厚的氟橡胶弹性膜，系统工作时在加热器5处向系统输入热量，同时向曲轮输入少量的机械功，引导曲轮转动，在冷端换热器24处就能够获得低温。

实施例2

本实施例的结构如图3所示。本实施例的结构与实施例1的结构基本类似，但低温回热器25被分成了两部分，靠近曲轴箱的回热器部分直径比远离曲轴箱的回热器部分直径小，在二者的相接处依次连接了第三热缓冲腔11和第五室温换热器17，第五室温换热器17的另一端与第二室温换热器22和第二弹性膜片21之间的空隙连通。这样的结构相对实施例1的结构被称为两级V-M制冷机，它能获得更低的制冷温度。

Claims (7)

1.一种采用油润滑热驱动的V-M制冷机系统，包括：

一曲轴箱(12)；所述曲轴箱(12)与呈V形排列的第一刚性汽缸(30)和第二刚性汽缸(31)相连通；所述曲轴箱(12)内的曲轮(29)通过第一连杆(18)与位于第一刚性汽缸(30)内的第一排出器(10)相连，并推动其在第一刚性汽缸(30)内作往复运动；通过第二连杆(181)与位于第二刚性汽缸(31)内的第二排出器(20)相连，并推动其在第二刚性汽缸(31)内作往复运动；第一汽缸(30)内远离曲轴箱(12)装有加热器(5)，第二汽缸(31)内远离曲轴箱(12)装有低温换热器(24)，其特征在于：

所述的第一排出器(10)与第一汽缸(30)内壁面之间采用第一活塞环(9)进行密封，并用润滑油进行润滑；在第一排出器(10)与加热器(5)之间依次安装有第一弹性膜片(8)、第一室温换热器(7)、第一热缓冲腔(6)；在加热器(5)与远离曲轴箱(12)的气缸壁之间依次安装有高温回热器(4)、第三室温换热器(3)和第三弹性膜片(2)，在第一汽缸(30)远离曲轴箱端通过第一旁通管(1)与曲轴箱(12)相连通；

所述的第二排出器(20)与第二汽缸(31)内壁面之间采用第二活塞环(19)进行密封，并用润滑油进行润滑；在第二排出器(20)与低温换热器(24)之间依次安装有第二弹性膜片(21)、第二室温换热器(22)、第二热缓冲腔(23)，在第二气缸(3 1)远离曲轴箱(12)的气缸壁之间依次安装有低温回热器(25)、第四室温换热器(26)和第四弹性膜片(27)，在第二汽缸(31)的远曲轴箱端通过第二旁通管(28)与曲轴箱(12)相连通；和

一个油润滑机构，该油润滑机构包括：盛装在曲轴箱腔体底部的润滑油和一油泵(14)；连通曲轴箱腔体底部与油泵(14)的第一输油管(15)，连通油泵(14)与第一排出器(10)的活塞环之间的第二输油管(13)，连通油泵(14)与第二排出器(20)的活塞环之间的第三输油管(16)，可以将曲轴箱(12)内的润滑油泵送到排出器(10、20)的活塞环之间，对汽缸-活塞进行润滑。

2.如权利要求1所述的采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统，其特征在于：所述的低温回热器(25)分为两部分，靠近曲轴箱部分直径较小，远离曲轴箱部分直径较大，并且在二者的相接部位依次连接出第三热缓冲腔(11)和第五室温换热器(17)，第五室温换热器(17)的另一端与第二室温换热器(22)和第二弹性膜片(21)之间的空隙连通。

3.如权利要求1所述的采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统，其特征在于：所述的弹性膜为高弹性的有机材料或金属材料制得的膜片。

4.如权利要求1或3所述的采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统，其特征在于：所述的弹性膜为氟橡胶、乳胶、或天然橡胶制得的膜片。

5.如权利要求1或3所述的采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统，其特征在于：所述的弹性膜为铍青铜、或不锈钢材料制得的膜片。

6.如权利要求1所述的采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统，其特征在于：所述的热缓冲腔为低热导率材料制得的薄壁空管子。

7.如权利要求1或6所述的采用油润滑的热驱动V-M制冷机系统，其特征在于：所述的热缓冲腔为不锈钢、钛合金、或者陶瓷制得的薄壁空管子。

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