CN102042194A - 由直线电机驱动的热压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明的热压缩机包括驱动单元和依次连接的第一冷却器(13)、回热器(14)、加热器(15)、脉冲管(16)和第二冷却器(17)，驱动单元包括气缸(9)和设置在气缸中的直线电机-活塞组件。各自具有双头活塞的两个相同的直线电机-活塞组件相对气缸的径向中心线对称布置，第一连通管(12)连通缸壁两端，第一工作腔(4)通过第一出口(5a)与第一冷却器连通，第二工作腔(8)通过第二出口(5b)与第二冷却器连通，两个直线电机分别驱动两个双头活塞在气缸中彼此反向往复运动，以驱动脉冲管制冷机工作。直线电机对称布置使排气量较大，活塞运动时的惯性力互相平衡，运行时振动小；且活塞前后压差一样，也有利于减少机械振动。

Description

由直线电机驱动的热压缩机

技术领域

本发明涉及热压缩机，尤其涉及由直线电机驱动的热压缩机。

背景技术

热压缩机技术源于斯特林发动机技术，它是一种外燃、闭式循环热力发动机，它理想的热力循环称作概括性卡诺循环，因此，同温度下其理论效率高。它具有两个明显优点：一是能利用各种能源，无论是常用的液体燃料，还是气体燃料或固体燃料，甚至余热、太阳能、化学反应能和放射性同位素能源，只要是能产生一定温度的热量，热压缩机就可以工作；二是振动噪音低、排放污染小，具有良好的环境特性。在热电冷联产、太阳能综合利用、工业余热废汽回收利用等方面，具有很大优势。

与热动力回热式制冷机中的热压缩机类似，脉管型热压缩机也是利用高低温热源的温度差进行工作，但与以往的热压缩机不同的是，脉管型热压缩机活塞的两侧都处于室温环境，这样在很大程度上降低了系统的设计要求，提高了热压缩机的可靠性。

目前脉管型热压缩机属于一个比较新的研究课题，在现有技术中脉管型热压缩机基本都采用单个永磁式直线振荡电机驱动，而这类电机结构普遍存在排气量小，驱动力不足等问题。动铁型直线电机和相同体积的其他直线电机相比能产生较大的驱动力，用其制作成的压缩机的压缩比也较大，但是这种压缩机在气隙中的运动不太稳定，容易偏离气隙中心轴线，不利于压缩机的平稳运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够长时间稳定运行、排气量较大的热压缩机。

为解决上述技术问题，本发明的基本构思是：热压缩机采用对称布置的动铁型直线电机，活塞运动时的惯性力可以互相平衡，而且由于相对运动的活塞受力相反，恰好能够抵消。加上轴承的定位导向作用，压缩机运行时振动小，能够长时间稳定工作。

本发明所采用的技术方案是提供一种热压缩机，包括驱动单元和依次连接的第一冷却器、回热器、加热器、脉冲管和第二冷却器，该驱动单元包括气缸和设置在气缸中的直线电机-活塞组件，其中，各自具有双头活塞的两个相同的直线电机-活塞组件相对气缸的径向中心线对称布置，两个直线电机-活塞组件的双头活塞的彼此相向的活塞头与缸壁一起在气缸中部界定第一工作腔，而彼此远离的活塞头在气缸两端与缸壁一起界定第二工作腔，第一连通管将缸壁两端连通，第一工作腔通过第一出口与第一冷却器连通，第二工作腔通过第二出口与第二冷却器连通，两个直线电机分别驱动两个双头活塞在气缸中沿相反方向往复运动。

本发明的有益效果是：

1.在采用对称布置的直线电机时，活塞运动时的惯性力可以互相平衡，热压缩机运行时振动小，能够长时间稳定工作。

2.通过采用对称布置的直线电机，克服了单一电机行程短，扫气容积小等缺点，提高了系统的输气量。

3.气缸两端通过一根连通管相连，这样两组活塞的前后压差一样，受力平衡，有利于减少机械振动。此外在压缩机工作前先将工作腔部分充填工质到相同的压力值，当压缩机运行时活塞两侧的压力差就比较小，摆脱了现在常规直线压缩机的高负荷运行状态，提高了压缩机的可靠性。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1是本发明的一个实施例中的热压缩机的驱动单元的结构示意图。

图2是图1所示的驱动单元在脉冲管压缩机中的连接示意图。

附图标记一览表

1a，1b，1c，1d、活塞头；2、电枢绕组；3、软铁；4、第一工作腔；5a、第一出口；5b、第二出口；6、活塞杆；7、永磁磁钢；8、第二工作腔9、气缸；10、骨架；11、轴承；12、第一连通管；13、第一冷却器；14、回热器；15、加热器；16、脉冲管；17、第二冷却器；18、第二连通管；19、脉冲管制冷机。

具体实施方式

参见图1，它是表示本发明的一个实施例中的热压缩机的驱动单元的结构示意图。在该实施例中，直线电机为动铁型振荡电机。如图所示，驱动单元包括气缸9和设置在该气缸中的直线电机-活塞组件，其中，各自具有双头活塞的两个相同的直线电机-活塞组件相对该气缸9的径向中心线对称布置，两个直线电机-活塞组件的双头活塞的彼此相向的活塞头1b、1c与缸壁一起在气缸中部界定第一工作腔4，而彼此远离的活塞头1a、1d在气缸两端与缸壁一起界定第二工作腔8，第一连通管12将缸壁两端连通，第一工作腔4通过第一出口5a与第一冷却器13连通，第二工作腔8通过第二出口5b与第二冷却器17连通，两个直线电机分别驱动两个双头活塞在气缸9中沿相反方向往复运动。在本实施例中，气缸9的截面为圆形，呈卧式分布，外面安装有一个支架(未示出)，起支撑固定作用。气缸9的两端通过第一连通管12连通，这样，两组活塞的前后压差一样，受力平衡，有利于减少机械振动，从而使热压缩机工作寿命延长。气缸9中的两个出口5a和5b可以设置在两组电机的对称线上，即气缸9的径向中心线上，其中一个开设在气缸壁上，另一个设在连通管12上。气缸9内的电枢绕组2、永磁磁钢7和软铁3构成直线电机的基本结构。该电枢绕组2最好是由两个绕组轴向串联而成的组合电枢，由漆包线绕制而成，分别装在骨架10的两侧凹槽中。软铁3的截面为圆环形，中空部分用来放置活塞杆6。组合电枢和它们共用软铁3的轴心重合，软铁3和活塞杆6的轴心共线。永磁磁钢7和软铁3也同心，该永磁磁钢7布置在电枢绕组2的中间，即骨架10的中间凹槽。在该直线电机中，软铁3、活塞杆6和活塞1构成了直线电机的动子部分，其中软铁3和活塞杆6，活塞杆6和活塞1可以用螺纹联接。轴承11安装在骨架10的两侧，对活塞杆6起定位和导向的作用。另外，直线电机可以设有行程限制器(未示出)，通过该行程限制器的控制，可以方便地调节软铁3的位移量。填充在第一和第二工作腔中的工质可以是氦气、氮气、氢气、空气或其混合物。此外在压缩机工作前先将第一和第二工作腔充填工质到相同的压力值，当压缩机运行时活塞两侧的压力差就比较小，摆脱了现在常规直线压缩机的高负荷运行状态，提高了压缩机的可靠性。

该实施例中的直线电机所基于的原理是：当直线电机的电枢绕组线圈加上交流电时，在永磁磁钢和电枢绕组内表面之间的气隙产生一个振荡磁场，推动软铁铁芯往复振荡，从而带动连接在软铁上的活塞杆以及活塞一起作往复运动，从而两个直线电机分别驱动两个双头活塞在气缸中以相反方向进行往复运动，这样气缸中的工质便会产生周期性的波动，通过负载出口就能输出一定压缩比的压力波。通过调节电压可以控制双头活塞的位移量，从而可以调节热压缩机的排气量。

参见图2，是图1所示的驱动单元在脉冲管压缩机中的连接示意图。第一冷却器13、回热器14、加热器15、脉冲管16和第二冷却器17依次连接，第一冷却器13通过第一出口与驱动单元连接，第二冷却器17通过第二出口与驱动单元连接。当两个直线电机分别驱动两个双头活塞在气缸中以相反方向进行往复运动时，气缸9中的工质便会在双头活塞的带动下，通过第二连通管18在第一工作腔4和第二工作腔8之间流动，通过脉管型热压缩机产生一定振幅的压力波，从而驱动脉冲管制冷机19(PTC)工作。通过调节电压可以控制活塞1的位移量，从而可以调节热压缩机的排气量。

上述实施例仅是对实施本发明的方式的示例性说明。本领域的普通技术人员应该理解，在不超出后附权利要求书限定的精神和范围内，可采用不同于上述本发明实施例的各种方案。后附的权利要求书旨在用来限定本发明的保护范围，并旨在用来涵盖在权利要求范围内的方法和装置及其等同物。

Claims (9)

1.一种热压缩机，包括驱动单元和依次连接的第一冷却器(13)、回热器(14)、加热器(15)、脉冲管(16)和第二冷却器(17)，该驱动单元包括气缸(9)和设置在该气缸中的直线电机-活塞组件，其特征是，各自具有双头活塞的两个相同的所述直线电机-活塞组件相对该气缸(9)的径向中心线对称布置，两个所述直线电机-活塞组件的双头活塞的彼此相向的活塞头(1b，1c)与缸壁一起在气缸中部界定第一工作腔(4)，而彼此远离的活塞头(1a，1d)在气缸两端与缸壁一起界定第二工作腔(8)，第一连通管(12)将缸壁两端连通，第一工作腔(4)通过第一出口(5a)与所述第一冷却器(13)连通，第二工作腔(8)通过第二出口(5b)与所述第二冷却器(17)连通，两个所述直线电机分别驱动两个所述双头活塞在所述气缸(9)中沿相反方向往复运动。

2.根据权利要求1所述的热压缩机，其特征是，所述直线电机是动铁型振荡电机，该动铁型振荡电机的永磁磁钢(7)和电枢绕组(2)固定在所述气缸(9)上的骨架(10)上，该动铁型振荡电机的软铁(3)通过活塞杆(6)与所述活塞固定相连。

3.根据权利要求2所述的热压缩机，其特征是，所述电枢绕组(2)是由两个绕组轴向串联而成的组合电枢。

4.根据权利要求3所述的热压缩机，其特征是，所述软铁(3)的截面为圆环形，在该软铁(3)的中空部分中放置所述活塞杆(6)。

5.根据权利要求4所述的热压缩机，其特征是，在所述骨架(10)的两侧设有轴承(11)，用于对所述活塞杆(6)进行定位和导向。

6.根据权利要求5所述的热压缩机，其特征是，所述组合电枢、永磁磁钢(7)、软铁(3)、轴承(11)和活塞杆(6)同心布置。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的热压缩机，其特征是，所述动铁型振荡电机具有行程限制器，用来调节所述软铁(3)的位移量。

8.根据权利要求2至6中任一项所述的热压缩机，其特征是，填充在第一和第二工作腔中的工质包括氦气、氮气、氢气、空气或其混合物。

9.根据权利要求8所述的热压缩机，其特征是，在第一和第二工作腔中填充所述工质到相同的压力值。

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