CN104653330A - 一种冷源脉管发动机和基于冷源脉管发动机的发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷源脉管发动机和基于冷源脉管发动机的发电装置，冷源脉管发动机包括冷头和运动部，冷头包括脉管、脉管冷端换热器、回热器及室温换热器；运动部由发动机和推移活塞系统组成，发动机内设发动机工作腔，推移活塞系统包括推移活塞前工作腔和推移活塞背工作腔；脉管冷端换热器热接触冷源，室温换热器热接触室温加热回路，功从脉管的热端向冷端输入，脉管冷端换热器对冷源加热，室温换热器从室温吸热，发动机对外做功。与现有技术相比，本发明将脉管制冷机的脉管冷端换热器置于低温冷源中，同时从脉管的室温端输入功，这样，脉管的冷端放热，对低温冷源加热，同时，室温换热器从室温吸热，发动机对外做功。

Description

一种冷源脉管发动机和基于冷源脉管发动机的发电装置

技术领域

本发明涉及脉管发动机，尤其是涉及一种冷源脉管发动机和基于冷源脉管发动机的发电装置。

背景技术

脉管制冷机是一种低温制冷机，其逆向循环即为脉管发动机。脉管发动机的所有运动部件都在室温，因而可靠性很高。利用热做功或发电的脉管发动机已经有发明，但利用低温冷源，如液化天然气的冷源的脉管发动机的方法还没有被提出。虽然有许多利用液化天然气冷量的方法，但都并不简单。因而，大量液化天然气仅利用海水将其蒸发为气体利用，使液化天然气所含的冷量白白浪费掉。脉管制冷机没有低温下的运动部件，在室温下只有一个或两个运动部件，结构简单，可靠性高，在航天方面获得了成功的应用。如果脉管制冷机能够改造成冷源脉管发动机，使其可用液化天然气冷量发电，将会节约大量的能源。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种冷源脉管发动机和基于冷源脉管发动机的发电装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种冷源脉管发动机，包括冷头和运动部，所述的冷头由脉管室温端连接管、脉管室温端气体均匀器、脉管、脉管冷端换热器、回热器、室温换热器及回热器室温端连接管顺次连接而成；所述的运动部由发动机和推移活塞系统组成，发动机内设发动机工作腔，推移活塞系统包括推移活塞前工作腔和推移活塞背工作腔；所述的发动机工作腔与脉管室温端连接管或回热器室温端连接管连接，所述的推移活塞前工作腔、推移活塞背工作腔、脉管室温端连接管及回热器室温端连接管之间连接构成循环通路；所述的脉管冷端换热器与冷源热接触，所述的室温换热器热接触室温加热回路，功从脉管的热端向冷端输入，脉管冷端换热器对冷源加热，室温换热器从室温吸热，发动机对外做功。

推移活塞系统由推移活塞气缸、推移活塞、推移活塞杆、推移活塞挡板和推移活塞支撑部组成，推移活塞挡板位于推移活塞气缸和推移活塞支撑部之间，推移活塞可在推移活塞气缸内往复运动，推移活塞将推移活塞气缸分隔成推移活塞前工作腔和推移活塞背工作腔；推移活塞支撑部由推移活塞弹簧和推移活塞气库壳组成，推移活塞气库壳与推移活塞挡板之间的空容积为推移活塞气库腔；推移活塞杆伸入推移活塞支撑部的推移活塞气库壳内，推移活塞弹簧通过推移活塞杆使推移活塞与推移活塞气缸之间保持一个微小的间隙，使推移活塞杆与推移活塞挡板之间保持一个微小的间隙，在轴向上，推移活塞杆和固定在其上的推移活塞与推移活塞弹簧组成一个振动系统，该振动系统该为推移活塞振动系统；该振动系统有一个固有频率，为推移活塞系统固有频率；通过调节轴向弹性系数或推移活塞的质量或推移活塞杆的质量，推移活塞系统固有频率可被调节。

发动机由发动机气缸、发动机活塞、发动机活塞杆和直线电机组成；发动机活塞在发动机气缸内往复运动，发动机气缸与发动机活塞之间空间形成发动机工作腔；直线电机包括发动机弹簧、外定子、线圈、磁铁、磁铁支撑、内定子和电机壳，发动机活塞与电机壳间的空间为电机空腔，发动机弹簧位于电机壳内两侧，将发动机活塞杆支撑在中央，可使发动机气缸与装在发动机活塞杆上的发动机活塞间形成间隙密封，在轴向上，发动机活塞杆和其上固定的发动机活塞、磁铁、磁铁支撑与发动机弹簧组成一个振动系统；该振动系统为发动机振动系统，有一个固有频率，该固有频率为发动机固有频率；发动机的运行频率一般和固有频率一致，以获得高的电机效率。

通过调节推移活塞系统的固有频率，可调节推移活塞与发动机活塞之间的相位角，使得发动机活塞与推移活塞保持一个相位差，该相位差使得功从脉管的热端向冷端输入，使脉管冷端换热器放热，使室温换热器从室温吸热。

进一步地，所述的推移活塞前工作腔与脉管室温端连接管连接，推移活塞背工作腔与回热器室温端连接管连接，在冷头与推移活塞系统之间构成循环通路，或者所述的推移活塞前工作腔与回热器室温端连接管连接，推移活塞背工作腔与脉管室温端连接管连接，在冷头与推移活塞系统之间构成循环通路，使气体可在推移活塞背工作腔、发动机工作腔、脉管室温端气体均匀器、脉管、脉管冷端换热器、回热器、吸热器和推移活塞前工作腔之间往复流动。

所述的冷头设有1～5个，当设有2个或2个以上冷头时，冷头之间并列设置，且所有冷头的脉管室温端连接管相互连通，所有冷头的回热器室温端连接管相互连通。

当采用2个冷头时，推移活塞系统内设置阶梯推移活塞和阶梯气缸，通过阶梯推移活塞使阶梯气缸内形成推移活塞第一前工作腔和推移活塞第二前工作腔；所述第一冷头的回热器室温端连接管连接于推移活塞第一前工作腔，第二冷头的回热器室温端连接管连接于推移活塞第二前工作腔。当采用多于2个冷头时，也可采用多级阶梯推移活塞。

一种冷源脉管发动机，包括冷头和运动部，所述的冷头由脉管室温端连接管、脉管室温端气体均匀器、脉管、脉管冷端换热器、回热器、室温换热器及回热器室温端连接管顺次连接而成；所述的运动部由两个发动机组成，每个发动机分别设有发动机工作腔；其中一个发动机工作腔与脉管室温端连接管连接，另一个发动机工作腔与回热器室温端连接管连接；所述的脉管冷端换热器与冷源热接触，所述的室温换热器热接触室温加热回路，与脉管室温端连接管连接的发动机向脉管的热端输入功，脉管冷端换热器对冷源加热，室温换热器从室温吸热，与回热器室温端连接管连接的发动机从室温换热端获得功。通过逆变器使连接于脉管室温端连接管的发动机输出功，使功从脉管的热端向冷端输入，从而使脉管冷端换热器放热，使室温换热器从室温吸热，使冷头内产生压力波和脉动气流，该脉动气流带动另一个发动机往复运动，向外输出功。

一种冷源脉管发动机，包括冷头、运动部及惯性管系统，所述的冷头由脉管室温端连接管、脉管室温端气体均匀器、脉管、脉管冷端换热器、回热器、室温换热器及回热器室温端连接管顺次连接而成；所述的运动部由一个发动机组成，该发动机具有两个反相工作腔，两个反相工作腔共用一个直线电机；所述的惯性管系统由惯性管第一喇叭口、惯性管、惯性管第二喇叭口和惯性管气库顺次连接而成；其中一个工作腔与脉管室温端连接管连接，另一个工作腔与回热器室温端连接管连接，惯性管系统与冷头连接；所述的脉管冷端换热器热接触冷源，所述的室温换热器热接触室温加热回路，发动机工作腔扫气容积比率大于临界比率。发动机的与脉管室温端连接管连接的工作腔输出功，功从脉管的热端向冷端输入，从而使脉管冷端换热器放热，使室温换热器从室温吸热，使冷头及惯性管内产生压力波和脉动气流，另一个与回热器室温端连接管连接的工作腔吸收脉动气流的能量，并对外输出功。

进一步地，所述的发动机包括直线电机、由直线电机带动的发动机活塞杆、连接在发动机活塞杆两端的发动机活塞以及容纳发动机活塞的发动机气缸，两个发动机气缸分别与发动机活塞形成二个反相的发动机工作腔；或者所述的发动机包括直线电机、由直线电机带动的发动机活塞杆、连接在发动机活塞杆一端的发动机活塞以及容纳发动机活塞的发动机气缸，发动机气缸内设有发动机气缸挡板，将发动机气缸分为两个反相的发动机工作腔；

所述的惯性管第一喇叭口与脉管室温端气体均匀器连接，或者所述的惯性管第一喇叭口与脉管冷端换热器连接。

一种冷源脉管发动机，包括冷头、运动部及惯性管系统，所述的冷头由脉管室温端气体均匀器、脉管、脉管冷端换热器、回热器、室温换热器及回热器室温端连接管顺次连接而成；所述的运动部由一个发动机组成，该发动机具有两个同相的工作腔，分别为发动机第一阶梯工作腔和发动机第二阶梯工作腔，两个同相工作腔共用一个直线电机；所述的惯性管系统由惯性管第一喇叭口、惯性管、惯性管第二喇叭口和惯性管气库顺次连接而成；惯性管第一喇叭口与脉管室温端气体均匀器连接，发动机第二阶梯工作腔与惯性管气库连接，发动机第一阶梯工作腔与回热器室温端连接管连接；所述的脉管冷端换热器热接触冷源，所述的室温换热器热接触室温加热回路，发动机工作腔扫气容积比率大于临界比率。发动机第二阶梯工作腔向惯性管气库输入功，该功经惯性管传输到冷头内，从而使脉管冷端换热器放热，使室温换热器从室温吸热，使冷头内产生压力波和脉动气流，发动机第一阶梯工作腔接收脉动气流的能量，接受的能量大于输出的功，发动机对外输出功。

对于上面四种冷源脉管发动机而言，所述的冷头可设有1～5个，当设有2个或2个以上冷头时，相邻的冷头之间并联连接。

一种基于冷源脉管发动机的发电装置，以液化天然气流路作为冷源，与冷源脉管发动机的冷量换热器热接触，从而使冷量换热器对液化天然气放热使其蒸发。

液化天然气通过夹套式流路或绕管式流路，或其他工业上常用的方式与脉管冷端换热器热接触进行换热。

当冷头设有2个或2个以上时，液化天然气流路分别与每一个冷头中的脉管冷端换热器热接触；或者液化天然气流路顺序与每一个冷头中的脉管冷端换热器热接触，各冷头工作在不同温区，对液化天然气和汽化的天然气加热。

当脉管冷端换热器的温度高于室温换热器的温度时，该发动机变为热泵，这时外界要对发动机做功，但功在冷头中的方向不变。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明将脉管制冷机改造为利用冷量发电的冷源脉管发动机，运动部件在室温，低温下只有固定部件，保持了脉管制冷机没有低温下运动部件的特性，因而结构简单，可靠性高。本发明将脉管制冷机的位于脉管冷端的换热器置于低温冷源中，同时从脉管的室温端输入功，这样，脉管的冷端放热，对低温冷源加热，同时，回热器的室温端的换热器从室温吸热，发动机对外做功。

附图说明

图1为实施例1中冷源脉管发动机的结构示意图；

图2为实施例1中冷源脉管发动机的外部示意图；

图3为实施例1中基于冷源脉管发动机的发电装置的结构示意图；

图4为夹套式液化天然气流路图；

图5为实施例2中基于冷源脉管发动机的发电装置的结构示意图；

图6为实施例3中基于冷源脉管发动机的发电装置的结构示意图；

图7为实施例4中基于冷源脉管发动机的发电装置的结构示意图；

图8为实施例5中基于冷源脉管发动机的发电装置的结构示意图；

图9为实施例6中基于冷源脉管发动机的发电装置的结构示意图；

图10为实施例7中基于冷源脉管发动机的发电装置的结构示意图；

图11为实施例8中基于冷源脉管发动机的发电装置的结构示意图；

图12为实施例9中基于冷源脉管发动机的发电装置的结构示意图；

图13为实施例10中基于冷源脉管发动机的发电装置的结构示意图；

图14为实施例11中基于冷源脉管发动机的发电装置的结构示意图；

图15为实施例12中基于冷源脉管发动机的发电装置的结构示意图。

图中标号：1为第一冷头，11为第一脉管室温端连接管，12为第一脉管室温端气体均匀器，13为第一脉管，14为第一脉管冷端换热器，15为第一回热器，16为第一室温换热器，17为第一回热器室温端连接管，2为第二冷头，21为第二脉管室温端连接管，22为第二脉管室温端气体均匀器，23为第二脉管，24为第二脉管冷端换热器，25为第二回热器，26为第二室温换热器，27为第二回热器室温端连接管，3为发动机，30为运动部，31为发动机第一工作腔，311为发动机背工作腔，31a为发动机第一阶梯工作腔，31b为发动机第二阶梯工作腔，32为发动机第一气缸，32b为发动机阶梯气缸，33为发动机第一活塞，33b为发动机阶梯活塞，34为发动机活塞杆，35为直线电机，351为发动机弹簧，352为外定子，353为线圈，354为磁铁，355为磁铁支撑，356为内定子，357为电机空腔，358为电机壳，36为发动机第二活塞，37为发动机第二气缸，38为发动机第二工作腔，39为发动机气缸挡板，4为推移活塞系统，41为推移活塞前工作腔，42为推移活塞气缸，43为推移活塞，44为推移活塞杆，45为推移活塞背工作腔，46为推移活塞挡板，47为推移活塞支撑部，471为推移活塞弹簧，472为推移活塞气库壳，473为推移活塞气库腔，481为推移活塞第一前工作腔，482为推移活塞第二前工作腔，483为阶梯推移活塞气缸，484为阶梯推移活塞，51为第一液化天然气流路，52为第二液化天然气流路，53为第三液化天然气流路，54为第四液化天然气流路，55为夹套，551为夹套入口，552为夹套流路，553为夹套出口，61为第一室温加热回路，62为第二室温加热回路，7为惯性管系统，71为惯性管第一喇叭口，72为惯性管，73为惯性管第二喇叭口，74为惯性管气库，75为惯性管连接管，76为气库连接管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

冷源脉管发动机的结构如图1、图2所示，冷源脉管发动机采用一个冷头及一个运动部，第一冷头1由第一脉管室温端连接管11、第一脉管室温端气体均匀器12、第一脉管13、第一脉管冷端换热器14、第一回热器15、第一室温换热器16和第一回热器室温端连接管17顺次连接而成。

为方便描述，脉管的上端称为脉管室温端，下端称为脉管冷端，回热器的下端称为回热器室温端，上端称为回热器冷端。脉管一般是空管，由导热差的不锈钢制成，换热器一般由导热良好的铜制成，里面有气流通道，回热器一般由不锈钢管里面填充不锈钢丝网或其他多孔材料形成。脉管和回热器的冷端和室温端温差很大，为减小向轴向导热，采用导热很小的材料。回热器的换热面积尽可能大，但又不使气体流动阻力太大。

运动部30由推移活塞系统4和发动机3组成。

推移活塞系统4由推移活塞气缸42、推移活塞43、推移活塞杆44、推移活塞挡板46和推移活塞支撑部47组成。推移活塞43可在推移活塞气缸42内往复运动。推移活塞43与推移活塞气缸42形成推移活塞前工作腔41和推移活塞背工作腔45。推移活塞支撑部47由推移活塞弹簧471和推移活塞气库壳472组成。推移活塞气库壳472与推移活塞挡板46之间的空容积为推移活塞气库腔473。推移活塞弹簧471一般是片弹簧，其径向刚度很大，轴向刚度适中。推移活塞弹簧471通过推移活塞杆44使推移活塞43与推移活塞气缸42之间保持一个微小的间隙，使推移活塞杆44与推移活塞挡板46之间保持一个微小的间隙，这种微小间隙被称为间隙密封。可有效地密封气体使腔与腔之间的泄漏很小。间隙密封由于没有固体与固体的接触，从而使用寿命可以很长。在轴向上，推移活塞杆44和固定在其上的推移活塞43与推移活塞弹簧471组成一个振动系统。该振动系统有一个固有频率，为推移活塞系统固有频率；通过调节推移活塞弹簧471的轴向弹性系数或推移活塞43的质量或推移活塞杆44的质量，推移活塞系统固有频率可被调节。

发动机3由发动机第一气缸32、发动机第一活塞33、发动机活塞杆34和直线电机35组成。发动机第一气缸32与发动机第一活塞33形成发动机第一工作腔31。直线电机35由发动机弹簧351、外定子352、线圈353、磁铁354、磁铁支撑355、内定子356和电机壳358组成。发动机第一活塞33与电机壳358间的空间为电机空腔357。发动机弹簧351一般是片弹簧，可使发动机第一气缸32与发动机第一活塞33间形成间隙密封。在轴向上，发动机活塞杆34和其上固定的发动机第一活塞33、磁铁354、磁铁支撑355与发动机弹簧351组成一个振动系统；该振动系统为发动机振动系统，有一个固有频率，该固有频率为发动机固有频率；发动机的运行频率一般和固有频率一致，以获得高的电机效率。

第一脉管室温端连接管11连接于发动机第一工作腔31和推移活塞背工作腔45，第一回热器室温端连接管17连接于推移活塞前工作腔41。气体可在发动机第一工作腔31和推移活塞背工作腔45、第一脉管室温端气体均匀器12、第一脉管13、第一脉管冷端换热器14、第一回热器15、第一室温换热器16、推移活塞前工作腔41之间往复流动。

在图1中，发动机第一活塞33与推移活塞43的运动规律基本是正弦的，调整二者之间的相位角差可使功的方向从第一脉管13指向第一脉管冷端换热器14，也即功从脉管的热端输向脉管的冷端。发动机的频率为工作频率，推移活塞有一个固有频率。调节推移活塞的固有频率可调节调节发动机第一活塞33与推移活塞43之间的相位差。调节推移活塞杆44的直径可调节推移活塞43的行程。通过调节推移活塞43的固有频率和推移活塞杆44的直径，可得到最佳的工作区域，使发动机效率在最高区域。

基于本实施例的冷源脉管发动机的发电装置如图3所示，第一脉管冷端换热器14与第一液化天然气流路51热接触从而对液化天然气放热使其蒸发。第一室温换热器16与第一室温加热回路61热接触从而从室温吸热。

在开始工作时，向直线电机35输入一个交流电压，使发动机第一活塞33往复运动，依次在发动机第一工作腔31、推移活塞背工作腔45、推移活塞前工作腔41和第一冷头1内产生接近于正弦的压力波和往复流动的脉动气流。由于推移活塞气库腔473足够大，其内的压力基本不变。这样，推移活塞43上有一个随压力波动的往复力使推移活塞43往复运动。通过设计推移活塞系统的固有频率和发动机固有频率，使推移活塞43和发动机第一活塞33的相位有一个适合的相位差，使功从第一脉管13的室温端向冷端输入，在第一脉管冷端换热器14放热，加热液化天然气使其蒸发，同时，第一室温换热器16通过第一室温加热回路61从室温吸热，这样，第一脉管13的室温端向冷端输入的功被放大，由推移活塞前工作腔41吸收。推移活塞前工作腔41吸收的功传给推移活塞背工作腔45，之后，一部分输入到脉管13的热端，一部分输入到发动机第一工作腔31推动直线电机35往复运动对外输出功，这里，功的输山可以是电力，也可以是轴功，也可直接用于其他用处。

在图3中，第一液化天然气流路51为绕管式。液化天然气在管内流动，被加热后变为气体流出。

液化天然气与脉管冷端换热器热接触方式还可以如图4所示的夹套式流路。夹套55与第一脉管冷端换热器14形成的夹套流路552，液化天然气从夹套入口551流入，在夹套流路552内被加热，从夹套出口553流出。液化天然气与脉管冷端换热器热接触方式还可以有其他方式，如壳管式、板翅式等。

第一脉管13的室温端向冷端输入的功被放大的倍数在理想情况下等于室温换热器温度与冷端换热器温度的比值。

实施例2

基于冷源脉管发动机的发电装置如图5所示，与实施例1不同之处在于，本实施例的冷源脉管发动机中包括两个冷头。

第二冷头2由第二脉管室温端连接管21、第二脉管室温端气体均匀器22、第二脉管23、第二脉管冷端换热器24、第二回热器25、第二室温换热器26和第二回热器室温端连接管27顺次连接而成。第二脉管冷端换热器24与第二液化天然气流路52热接触从而对液化天然气放热使其蒸发。第二室温换热器26与第二室温加热回路62热接触从而从室温吸热。第一冷头1与第二冷头2并联在一起。

由于第一冷头1与第二冷头2并联在一起，可能会有附加的循环流，该循环流的方向可能从第一冷头1的第一脉管13的热端流向第二冷头2的第二脉管23的热端，然后再从第一冷头1的第一回热器15的热端流入。或沿相反方向流动。这会造成额外的热损失。影响效率。

实施例3

与实施例1不同之处在于推移活塞系统4的结构不同，且本实施例中包括两个冷头。

如图6所示，推移活塞系统4中有由阶梯推移活塞484和阶梯推移活塞气缸483所形成的推移活塞第一前工作腔481和推移活塞第二前工作腔482，第一回热器室温端连接管17连接于推移活塞第一前工作腔481，第二回热器室温端连接管27连接于推移活塞第二前工作腔482，第一脉管冷端换热器14和第二脉管冷端换热器24顺序与第三液化天然气流路53热接触从而对液化天然气放热使其蒸发。这样第一冷头1与第二冷头2之间没有循环流。

同时，两个冷头的温度可不一样，第三液化天然气流路53连续地与不同冷头热接触，第一个冷头使天然气蒸发成气体，第二个冷头进一步加热气态天然气，从而进一步回收冷量。

当冷头有许多个时，理论上可将天然气加热到室温，从而使发电效率接近理论效率。

实施例4

如图7所示，与实施例1不同之处在于：发动机第一工作腔31与第一脉管室温端连接管11连接，推移活塞前工作腔41与第一脉管室温端连接管11连接，推移活塞背工作腔45与第一回热器室温端连接管17连接。

实施例5

如图8所示，与实施例1不同之处在于：推移活塞前工作腔41与第一回热器室温端连接管17连接，发动机第一工作腔31与第一回热器室温端连接管17连接，推移活塞背工作腔45与第一脉管室温端连接管11连接。

实施例6

如图9所示，与实施例1不同之处在于：推移活塞前工作腔41与第一脉管室温端连接管11连接，推移活塞背工作腔45与第一回热器室温端连接管17连接，发动机第一工作腔31与第一回热器室温端连接管17连接。

实施例4、5、6与实施例1没有本质区别，只是发动机第一工作腔31、推移活塞前工作腔41、推移活塞背工作腔45之间的几种不同的连接，没有本质的差别，但不同的连接方法对推移活塞杆和推移活塞的固有频率有不同的要求。

实施例7

如图10所示，与实施例1不同之处在于，运动部30由两个发动机3组成，每个发动机3分别设有发动机工作腔；其中一个发动机工作腔与第一脉管室温端连接管11连接，另一个发动机工作腔与第一回热器室温端连接管17连接。通过逆变器使连接于第一脉管室温端连接管11的发动机输出功，使功从脉管的热端向冷端输入，从而使脉管冷端换热器放热，使室温换热器从室温吸热，使冷头内产生压力波和脉动气流，该脉动气流带动另一个发动机往复运动，另一个发动机对外输出电力。

由于发动机的制造成本要高于推移活塞系统，该方法成本较高。在本实施例中，运动部有两个发动机，比较复杂。

实施例8

基于冷源脉管发动机的发电装置如图11所示，与实施例1不同之处在于，冷源脉管发动机的运动部只有一个发动机，且冷源脉管发动机还包括惯性管系统7。

本实施例的冷源脉管发动机不同于实施例1之处在于，在发动机活塞杆34的另一端加装发动机第二活塞36，使其与发动机第二气缸37形成发动机第二工作腔38，第一回热器室温端连接管17连接于发动机第二工作腔38，同时在脉管热端接入惯性管系统7，惯性管系统7由惯性管第一喇叭口71、惯性管72、惯性管第二喇叭口73和惯性管气库74顺次连接而成。气体在惯性管72内呈二分之一波长的热声振动从而使第一脉管13内产生足够的压力波。

连接于第一脉管室温端连接管11的发动机第一工作腔31与连接于第一回热器室温端连接管17的发动机第二工作腔38的扫气容积比率决定了该机器是制冷机还是发动机，该比率称为发动机工作腔扫气容积比率。

发动机工作腔扫气容积比率为零时，发动机第一工作腔31的扫气容积为零，功从发动机第二工作腔38输入，此时为惯性管脉管制冷机，第一脉管冷端换热器14要吸热。发动机工作腔扫气容积比率增大时，发动机第一工作腔31的扫气容积逐渐增大，开始吸收功，制冷机的效率开始提高，再增大，制冷效率降低。有一个最佳的发动机工作腔扫气容积比率，使制冷效率最高。

发动机工作腔扫气容积比率为无穷大时，发动机第二工作腔38的扫气容积为零，发动机第一工作腔31虽然输出功，但没有功吸收，此时仅仅是一个简单的加热器。发动机工作腔扫气容积比率减小时，发动机第二工作腔38的扫气容积增大，开始吸收功，继续减小，开始有功输出，再减小，发电效率增大，再减小，发电效率降低。有一个最佳的发动机工作腔扫气容积比率，使发电效率最高。

介于制冷效率最高的发动机工作腔扫气容积比率和发电效率最高的发动机工作腔扫气容积比率之间，有一个临界比率，此时，机器既不制冷，也不发电。因而，发动机工作腔扫气容积比率要大于临界值，该机器才为发动机，才能发电。

一般而言，该临界比率与冷端换热器温度与室温换热器温度之比接近。

实施例9

基于冷源脉管发动机的发电装置如图12所示，与实施例8不同之处在于，惯性管系统7通过惯性管连接管75接于第一冷端换热器14。惯性管系统7由第四液化天然气流路54冷却到低温，从而使其内的气体密度增大，惯性增大，同时，使其声速减低，减小惯性管72的长度，和减小气体的粘性，从而使气体的流动损失降低，减小惯性管系统的功耗，增大对外输出功，进而增大效率。当然，也可将惯性管接入其他位置。

实施例10

基于冷源脉管发动机的发电装置如图13所示，与实施例9不同之处在于，冷源脉管发动机中发动机的结构不同。

本实施例中，发动机3包括直线电机35、由直线电机35带动的发动机活塞杆34、连接在发动机活塞杆34一端的发动机第一活塞33以及容纳发动机第一活塞33的发动机第一气缸32，发动机第一气缸32内设有发动机气缸挡板39，发动机气缸挡板39与发动机第一活塞33形成发动机背工作腔311，发动机背工作腔311与第一回热器室温端连接管17连接。发动机背工作腔311的相位和实施例8中的发动机第二工作腔38一样。本实施和实施例8的效果一样。

实施例11

基于冷源脉管发动机的发电装置如图14所示，与实施例10不同之处在于，发动机背工作腔311与第一脉管室温端连接管11连接，发动机第一工作腔31与第一回热器室温端连接管17连接。实施例11与实施例10的区别在于由发动机活塞杆34所引起的扫气容积的差异所造成的差异。本实施例中，两个发动机工作腔运动反相。

实施例12

基于冷源脉管发动机的发电装置如图15所示，冷源脉管发动机包括第一冷头1、运动部30及惯性管系统7，第一冷头1由第一脉管室温端气体均匀器12、第一脉管13、第一脉管冷端换热器14、第一回热器15、第一室温换热器16及第一回热器室温端连接管17顺次连接而成；

运动部30由一个发动机3组成，该发动机3具有两个同相的工作腔，分别为发动机第一阶梯工作腔31a和发动机第二阶梯工作腔31b，两个同相工作腔共用一个直线电机35；惯性管系统7由惯性管第一喇叭口71、惯性管72、惯性管第二喇叭口73和惯性管气库74顺次连接而成；惯性管第一喇叭口71与第一脉管室温端气体均匀器12连接，发动机第二阶梯工作腔31b与惯性管气库74连接，发动机第一阶梯工作腔31a与第一回热器室温端连接管17连接.

发动机3的活塞和气缸是阶梯式的。发动机阶梯活塞33b和发动机阶梯气缸32b形成两个同相的发动机第一阶梯工作腔31a和发动机第二阶梯工作腔31b。发动机第二阶梯工作腔31b通过气库连接管76与惯性管气库74连接，发动机第一阶梯工作腔31a与第一回热器室温端连接管17连接。工作时，发动机第二阶梯工作腔31b向惯性管气库74输入功，该功经惯性管72传输到第一脉管13，发动机第一阶梯工作腔31a接收功。而接受的功大于输出的功。发动机对外输出电力。惯性管72的作用是将压力波反相，从而使同相的发动机第一阶梯工作腔31a做正功，发动机第二阶梯工作腔31b作负功，即对惯性管气库74输入功。

连接于惯性管气库74的发动机第二阶梯工作腔31b的扫气容积与连接于第一回热器室温端连接管17的发动机第一阶梯工作腔31a的扫气容积比率决定了该机器是制冷机还是发动机，该比率称为发动机工作腔扫气容积比率。

发动机工作腔扫气容积比率为零时，发动机第二阶梯工作腔31b的扫气容积为零，功从发动机第一阶梯工作腔31a输入，此时为惯性管脉管制冷机，第一冷端换热器14要吸热。发动机工作腔扫气容积比率增大时，发动机第二阶梯工作腔31b的扫气容积逐渐增大，开始吸收功，制冷机的效率开始提高，再增大，制冷效率降低。有一个最佳的发动机工作腔扫气容积比率，使制冷效率最高。

发动机工作腔扫气容积比率为无穷大时，发动机第一阶梯工作腔31a的扫气容积为零，发动机第二阶梯工作腔31b虽然输出功，但没有功吸收，此时仅仅是一个简单的加热器。发动机工作腔扫气容积比率减小时，发动机第一阶梯工作腔31a的扫气容积增大，开始吸收功，继续减小，开始有功输出，再减小，发电效率增大，再减小，发电效率降低。有一个最佳的发动机工作腔扫气容积比率，使发电效率最高。

介于制冷效率最高的发动机工作腔扫气容积比率和发电效率最高的发动机工作腔扫气容积比率之间，有一个临界比率，此时，机器既不制冷，也不发电。因而，发动机工作腔扫气容积比率要大于临界比率，该机器才为发动机。临界比率与气库容积，惯性管直径和长度有关，也与冷端换热器温度与室温换热器温度之比有关。

惯性管内气体的流速很高，因而要消耗一部分功。因而带惯性管的冷源脉管发动机效率较低。

上述描述中，室温既可是空气温度，也可是燃烧天然气的热气，也可是水，如海水等。

上述描述中，直线电机也可用普通的电机和曲柄连杆机构代替，功也可直接输出轴功或直接应用。密封也可用普通的密封件，如活塞环等，弹簧也可是其他形式的弹簧。

由于用一个发动机时的振动很大，工业上常成对使用，以降低振动。如实施例1中的发动机3可由相同的两个组成，两个发动机组成一对，同时连接于第一脉管室温端连接管11。同样地，推移活塞系统也可成对使用，从而使振动降低。

当脉管冷端换热器的温度高于室温换热器的温度时，冷源脉管发动机变为热泵，这时，功在冷头内的的方向不变，但外界要向发动机输入功。对有直线电机的发动机而言，要输入电力。这时，热泵从室温换热器吸热，向“冷源”放热，即将热量从室温泵向高温。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷源脉管发动机，包括冷头和运动部，

所述的冷头由脉管室温端连接管、脉管室温端气体均匀器、脉管、脉管冷端换热器、回热器、室温换热器及回热器室温端连接管顺次连接而成；

所述的运动部由发动机和推移活塞系统组成，发动机内设发动机工作腔，推移活塞系统包括推移活塞前工作腔和推移活塞背工作腔；

所述的发动机工作腔与脉管室温端连接管或回热器室温端连接管连接，所述的推移活塞前工作腔、推移活塞背工作腔、脉管室温端连接管及回热器室温端连接管之间连接构成循环通路；

其特征在于，所述的脉管冷端换热器与冷源热接触，所述的室温换热器热接触室温加热回路，功从脉管的热端向冷端输入，脉管冷端换热器对冷源加热，室温换热器从室温吸热，发动机对外做功。

2.根据权利要求1所述的一种冷源脉管发动机，其特征在于，发动机活塞与推移活塞保持一个相位差，该相位差使得功从脉管的热端向冷端输入。

3.一种冷源脉管发动机，包括冷头和运动部，

所述的冷头由脉管室温端连接管、脉管室温端气体均匀器、脉管、脉管冷端换热器、回热器、室温换热器及回热器室温端连接管顺次连接而成；

所述的运动部由两个发动机组成，每个发动机分别设有发动机工作腔；

其中一个发动机工作腔与脉管室温端连接管连接，另一个发动机工作腔与回热器室温端连接管连接；

其特征在于，所述的脉管冷端换热器与冷源热接触，所述的室温换热器热接触室温加热回路，与脉管室温端连接管连接的发动机向脉管的热端输入功，脉管冷端换热器对冷源加热，室温换热器从室温吸热，与回热器室温端连接管连接的发动机从室温换热端获得功。

4.一种冷源脉管发动机，包括冷头、运动部及惯性管系统，

所述的冷头由脉管室温端连接管、脉管室温端气体均匀器、脉管、脉管冷端换热器、回热器、室温换热器及回热器室温端连接管顺次连接而成；

所述的运动部由一个发动机组成，该发动机具有两个反相工作腔，两个反相工作腔共用一个直线电机；

所述的惯性管系统由惯性管第一喇叭口、惯性管、惯性管第二喇叭口和惯性管气库顺次连接而成；

其中一个工作腔与脉管室温端连接管连接，另一个工作腔与回热器室温端连接管连接，惯性管系统与冷头连接；

其特征在于，所述的脉管冷端换热器热接触冷源，所述的室温换热器热接触室温加热回路，发动机工作腔扫气容积比率大于临界比率，功从脉管的热端向冷端输入，脉管冷端换热器对冷源加热，室温换热器从室温吸热，发动机对外做功。

5.根据权利要求4所述的一种冷源脉管发动机，其特征在于，所述的发动机包括直线电机、由直线电机带动的发动机活塞杆、连接在发动机活塞杆两端的发动机活塞以及容纳发动机活塞的发动机气缸，两个发动机气缸分别与发动机活塞形成二个反相的发动机工作腔；

或者所述的发动机包括直线电机、由直线电机带动的发动机活塞杆、连接在发动机活塞杆一端的发动机活塞以及容纳发动机活塞的发动机气缸，发动机气缸内设有发动机气缸挡板，发动机气缸挡板的两侧即为两个反相的发动机工作腔；

所述的惯性管第一喇叭口与脉管室温端气体均匀器连接，或者所述的惯性管第一喇叭口与脉管冷端换热器连接。

6.一种冷源脉管发动机，包括冷头、运动部及惯性管系统，

所述的冷头由脉管室温端气体均匀器、脉管、脉管冷端换热器、回热器、室温换热器及回热器室温端连接管顺次连接而成；

所述的运动部由一个发动机组成，该发动机具有两个同相的工作腔，分别为发动机第一阶梯工作腔和发动机第二阶梯工作腔，两个同相工作腔共用一个直线电机；

所述的惯性管系统由惯性管第一喇叭口、惯性管、惯性管第二喇叭口和惯性管气库顺次连接而成；

惯性管第一喇叭口与脉管室温端气体均匀器连接，发动机第二阶梯工作腔与惯性管气库连接，发动机第一阶梯工作腔与回热器室温端连接管连接；

其特征在于，所述的脉管冷端换热器热接触冷源，所述的室温换热器热接触室温加热回路，发动机工作腔扫气容积比率大于临界比率，功从脉管的热端向冷端输入，脉管冷端换热器对冷源加热，室温换热器从室温吸热，发动机对外做功。

7.根据权利要求1、3、4、6中任一项所述的一种冷源脉管发动机，其特征在于，所述的冷头设有1～5个，当设有2个或2个以上冷头时，相邻的冷头之间并联连接。

8.根据权利要求1、3、4、6中任一项所述的一种冷源脉管发动机，其特征在于，所述的脉管冷端换热器的温度高于室温换热器的温度时，该发动机变为热泵。

9.一种基于权利要求1、3、4、6中任一项所述的冷源脉管发动机的发电装置，其特征在于，液化天然气流路作为冷源，与冷源脉管发动机的冷量换热器热接触，从而使冷量换热器对液化天然气放热使其蒸发。

10.根据权利要求9所述的一种基于冷源脉管发动机的发电装置，其特征在于，当冷头设有2个或2个以上时，液化天然气流路分别与每一个冷头中的脉管冷端换热器热接触；

或者液化天然气流路顺序与每一个冷头中的脉管冷端换热器热接触，各冷头工作在不同温区，对液化天然气和汽化的天然气加热。