CN102486137A - 一种热压缩机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热压缩机系统，包括：气缸，活塞和直线电机；活塞位于气缸的缸体内，直线电机的主轴与活塞连接；将气缸靠近所述直线电机的一端界定为缸体顶端，相对的另一端界定为缸体底端，气缸的缸体底端外部设置有加热器，气缸的缸体顶端外部设置有散热器；缸体内充有工质。本发明将直线电机和热压缩机耦合起来工作，直线电机带动活塞在热压缩机气缸内往复运动，推动气体周期性的在气缸冷热端部之间流动；气缸采用外加热源对气缸热端加热，可利用各种能源；活塞两端几乎没有压差，仅用小功率的直线电机就能克服活塞往复运动过程中的摩擦阻力；系统振动噪音低、排放污染小，具有良好的环境特性。

Description

一种热压缩机系统

技术领域

本发明涉及空调压缩机领域，脉冲管制冷系统驱动压缩机领域，特别是涉及一种需要一定压力波幅的系统，具体为一种热压缩机系统。

背景技术

随着我国的经济发展和全世界范围内的能源紧张，节能减排和提高能源利用效率成为了一项具有挑战性的工作。在这一过程中，废热的回收和再利用有非常大的市场和意义。发电厂、化工厂、钢铁厂等都有大量的废热产生，最易获得的太阳能一般也只提供较低的热源温度。中国的空调每年的销售量越过2000万台，其中绝大部分为电力驱动，这给各城市的供配电带来了沉重的压力。

我国电能主要来自于化石燃料的燃烧，但随着石油、天然气、煤炭资源的日益短缺和石油、天然气、煤炭价格的逐渐上涨，使用煤炭、天然气的火力发电站和燃烧石油资源的传统内燃机所引起的环境污染和能源使用不平衡等社会问题日渐突出。研究能以天然气、沼气、生物质、太阳能以及工业过程中的废热等能源驱动的发动机(压缩机)的相关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一的化石资源能源结构状况和减少环境污染，创造节约型社会，从而促进经济的又好又快持续发展和社会进步，具有重要的意义。热压缩机技术就是具有这样意义的一种动力机械。

热压缩机技术源于斯特林(Stirling)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。直线电机驱动的热压缩机具有两个明显优点：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。

斯特林发动机1816年由苏格兰牧师雷伯尔特·斯特林发明，又称“热空气发动机”，当时已生产出数千台。后由于蒸汽机和内燃机的出现而被冷落，到二十世纪初已基本消失。荷兰菲利蒲公司试制了多种结构形式的发动机，并做了装车试验。该公司将部分发动机制造技术于1957～1967年陆续转让给西德和瑞典的有关公司。1973年世界性石油危机后，节油和油的替代提上重要议事日程。菲利蒲公司重新和美国福特公司合作共同开发了斯特林发动机。进入八十年代以来，第二次石油危机又引起各国对斯特林发动机的关心，后来石油供应虽有缓和，但从环保和能源角度出发各国又竞相进行斯特林发动机的开发工作。

我国从七十年代末即开始斯特林发动机的研究开发工作，曾经设计出功率150W-10kW发动机多种，多数在实验室正常运转。1986年国内同行发起成立了热气机研究会，推动了我国热气机研究和应用的发展。上海711研究所是我国从事热气机研究的一个重要单位，获得了具有国际水准的科研成果。该所成立的上海齐耀动力技术有限公司(Micropowers)是我国专门从事热气机和其它高效洁净能源动力装置和系统的设计开发、研制、生产的企业，他们已经成功开发了20kW、100kW功率的废热驱动的斯特林发电机。同时一些学校也开展了斯特林发动机理论研究和实验研究工作。

国际上有一个专门的会议：国际斯特林热机会议(Int.StirlingEngine Conference)，两年举行一次，会议主要围绕斯特林发动机及其应用而展开。

由于斯特林制冷机的效率很高，在低温温区得到了广泛应用。在普冷温区，其效率也是可以与常规朗肯循环比拟的。美国Sunpower公司研制的普通冰箱在-20℃的效率与目前的冰箱并无区别。其他公司也曾进行类似的尝试。美国、日本、韩国和欧洲一些发达国家的研究机构和大公司已致力于这方面的研究工作。斯特林冰箱系统的研制开发有重要的意义，是新一代的节能环保冰箱。由于采用氦气作为制冷剂，彻底实现了“绿色冰箱”的环保理念；相对于压缩节流制冷系统，采用斯特林制冷技术可节能15％～30％，降低了冰箱的能耗及运行成本；斯特林冰箱的制冷温度可以更低，控温精度可以更高，可以满足人们对保存食品及生物工业用品的更高要求。但斯特林冰箱一般不会考虑热驱动的方案，因为一年四季常开。

因此，开发具有多种燃料的适应性、良好的环境特性和高的转换效率，能为空调温区的热驱动制冷系统提供动力(压缩机)，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一的化石资源能源结构状况和减少环境污染，创造节约型社会，从而促进经济的又好又快持续发展和社会进步，具有重要的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是为空调温区的热驱动制冷系统和脉冲管制冷系统提供动力，其具有多种燃料的适应性、良好的环境特性和高的转换效率，并且动力结构构造简单，节约能源，对环境污染小。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种热压缩机系统，其包括：气缸，活塞和直线电机；所述活塞位于所述气缸的缸体内，所述直线电机的主轴与所述活塞连接；将所述气缸靠近所述直线电机的一端界定为缸体顶端，相对的另一端界定为缸体底端，所述气缸的缸体底端外部设置有加热器，所述气缸的缸体顶端外部设置有散热器；所述缸体内充有工质。

上述热压缩机系统中，所述加热器设置有保温层。

上述热压缩机系统中，所述直线电机为动铁式直线电机，或动圈式电机，或动磁式电机，或复合次级直线电机，或直线步进电机。

上述热压缩机系统中，所述缸体的内壁和所述活塞的外表面是光滑的。

上述热压缩机系统中，所述缸体的内壁或所述活塞的外表面上具有翅片或凹陷的通道。

上述热压缩机系统中，所述散热器为风冷式散热器，或水套式散热器。

上述热压缩机系统中，所述工质为氦气、氮气、氢气、空气中的一种或者几种的混合。

上述热压缩机系统中，所述缸体顶端设置有负载连接口，连接外部负载。

上述热压缩机系统中，所述保温层外部还设置有罩壳。

上述热压缩机系统中，所述加热器为液体燃料、气体燃料、固体燃料、工业余热、太阳能、化学反应能或放射性同位素能源加热的加热器。

(三)有益效果

上述技术方案将直线电机和热压缩机耦合起来工作，直线电机带动活塞在热压缩机气缸内往复运动，推动气体周期性的在气缸冷热端部之间流动，在外加热源的作用下，气体在流向气缸热端的过程中吸收热量，系统内气体温度升高，压力也升高；当气体由气缸热端流回气缸冷端时，对外放热，系统内气体温度下降，压力也下降。气缸采用外加热源对气缸热端加热，可利用各种能源，无论是常用的液体燃料，还是气体燃料或固体燃料，甚至工业余热、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，热压缩机机就可以工作。活塞两端几乎没有压差，仅用小功率的直线电机就能克服活塞往复运动过程中的摩擦阻力，系统振动噪音低、排放污染小，具有良好的环境特性。直线电机驱动的热压缩机将在空调温区的热驱动高效制冷系统中有广泛的应用前景，在需求压力波动但幅度不大的脉冲管制冷系统内也有重要的作用。

附图说明

图1是本发明实施例的热压缩机系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的热压缩机系统具有的肋状换热结构的活塞横截面示意图；

图3是本发明实施例的热压缩机系统具有的肋状换热结构的气缸横截面示意图。

其中，1：热气缸；2：加热器；3：保温层；4：缸体；5：散热器；6：冷气缸；7：直线电机；8：罩壳；9：活塞；10：负载连接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示出了本发明实施例的热压缩机系统的结构示意图。如图所示，压缩机系统包括：加热器2、保温层3、缸体4、散热器5、直线电机7、罩壳8、活塞9、负载连接口10，活塞9位于气缸的缸体4内，直线电机7的主轴与活塞9连接；将气缸靠近直线电机7的一端界定为缸体顶端，相对的另一端界定为缸体底端时，加热器2设置在缸体4底端外部，使气缸的底部成为热气缸1，散热器5设置在缸体4顶端外部，使气缸的顶部成为冷气缸；缸体4内填充有工质，工质被密封在一个封闭的系统内，可以进行无污染压缩，且工质不会泄露。保温层3设置在加热器2外部，负载连接口10设置在缸体4顶端，用来连接外部负载。罩壳8设置在保温层3外部。

直线电机7带动活塞9在气缸内做往复运动，如图1所示，当活塞9由最左侧向最右侧运动时，系统内的工质经过气缸与活塞9之间的通道时吸热，再经加热器2加热，工质温度升高，系统内压力升高；当活塞9由最右侧向左侧运动时，工质经过气缸与活塞9之间的通道时放热，再经散热器5散热，工质温度降低，系统内压力也降低。活塞9在移动的过程中所需要克服的阻力很小，因此直线电机7所需的输入功率也很小。在不撞缸的前提下，增大直线电机7的功率，可以提高系统内的高低压压比，系统通过负载连接口10输出，连接负载。

本实施例中，直线电机7可以是动铁式直线电机，或动圈式电机，或动磁式电机，或复合次级直线电机，或直线步进电机。

本实施例的热压缩机系统无外部回热器，气体在活塞9与气缸之间的通道内流动，当气体从冷气缸6流向热气缸1时，气体从气缸和活塞9吸热；当气体从热气缸1流向冷气缸6时，气体向气缸和活塞9放热。

活塞9与气缸的表面可以是光滑的，也可单独在活塞9或者气缸(如图3所示，包括但并仅限于)上、抑或二者上同时通过一定的手段(如：线切割)，加工出翅片或通道，以增加工质流通面积，减小阻力，增强换热。如图2所示，为本实施例所采用的一种活塞9的横截面示意图，活塞9外壁上间隔设置了凹槽通道；如图3所示，为本实施例所采用的一种气缸的横截面示意图，气缸内壁上也间隔设置了凹槽通道。

本实施例中，气缸的热量自热气缸1侧加入系统，热量的产生可以利用各种能源，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，都可以使用。为提高系统性能，加热器2外侧可以采用热绝缘材料保温和防止热辐射层。但根据使用需要，也可以不采用热绝缘材料保温和防止热辐射层。散热器5可以采用风冷式散热器，或水套式散热器，或者其它形式的散热冷却方式。气缸内的工质为气体，如氦气，氮气，氢气、空气等的一种或者几种的混合工质。根据具体应用的要求可以选择其它合适的工质。负载连接口10可以设置为由进气阀和排气阀组成的工质单向流动系统。

按照等温模型，忽略气缸内冷热两端的余隙容积，热压缩机热端温度为T_h，冷端温度为T_c，工作体积为V，余隙体积为V_i，V_m为余隙体积与工作体积之比，系统内工质最高压力为P_h，最低压力为P_c，则理想的热压缩机压比为：

$\mathrm{\σ}=P_h/P_c=\frac{T_h}{T_c}\·\frac{T_m+V_m\·T_c}{T_m+V_m\·T_h}$

要增加热压缩机压比，就需要提高加热温度，降低散热温度，增加工作体积，减小余隙体积。受材料性能影响，热压缩机长期使用的安全温度一般为大约650℃，散热温度一般为环境温度，V_m一般为0.25，这种情况下热压缩机的热效率接近概括性卡诺循环效率，系统的理想压比一般为2.48，实际热压缩机压比可能比该值更小，这是热压缩机的特点。在材料强度满足要求的条件下，热压缩机平均工作压力可以很高。

由以上实施例可以看出，本发明利用狭缝回热器的直线电机驱动的热压缩机能利用各种能源，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，热压缩机机就可以工作；系统振动噪音低、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、工业余热废汽等方面，具有很大优势，有望在空调温区的热驱动高效制冷系统中有广泛应用；在需求压力波动但幅度不大的系统内也有重要的应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种热压缩机系统，其特征在于，包括：气缸，活塞(9)和直线电机(7)；所述活塞(9)位于所述气缸的缸体(4)内，所述直线电机(7)的主轴与所述活塞(9)连接；将所述气缸靠近所述直线电机(7)的一端界定为缸体(4)顶端，相对的另一端界定为缸体(4)底端，所述气缸的缸体(4)底端外部设置有加热器(2)，所述气缸的缸体(4)顶端外部设置有散热器(5)；所述缸体(4)内充有工质。

2.如权利要求1所述的热压缩机系统，其特征在于，所述加热器(2)设置有保温层(3)。

3.如权利要求1所述的热压缩机系统，其特征在于，所述直线电机(7)为动铁式直线电机，或动圈式电机，或动磁式电机，或复合次级直线电机，或直线步进电机。

4.如权利要求1所述的热压缩机系统，其特征在于，所述缸体(4)的内壁和所述活塞(9)的外表面是光滑的。

5.如权利要求1所述的热压缩机系统，其特征在于，所述缸体(4)的内壁或所述活塞(9)的外表面上具有翅片或凹陷的通道。

6.如权利要求1所述的热压缩机系统，其特征在于，所述散热器(5)为风冷式散热器，或水套式散热器。

7.如权利要求1所述的热压缩机系统，其特征在于，所述工质为氦气、氮气、氢气、空气中的一种或者几种的混合。

8.如权利要求1所述的热压缩机系统，其特征在于，所述缸体(4)顶端设置有负载连接口(10)，连接外部负载。

9.如权利要求1所述的热压缩机系统，其特征在于，所述保温层(3)外部还设置有罩壳(8)。

10.如权利要求1所述的热压缩机系统，其特征在于，所述加热器(2)为液体燃料、气体燃料、固体燃料、工业余热、太阳能、化学反应能或放射性同位素能源加热的加热器。

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