CN104848577A - 热驱动低温制冷机 - Google Patents

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CN104848577A CN201510218208.5A CN201510218208A CN104848577A CN 104848577 A CN104848577 A CN 104848577A CN 201510218208 A CN201510218208 A CN 201510218208A CN 104848577 A CN104848577 A CN 104848577A
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罗二仓
胡剑英
戴巍
余国瑶
吴张华
张丽敏
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 

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Abstract

本发明涉及制冷设备技术领域，公开了一种热驱动低温制冷机，包括斯特林发动机、斯特林制冷机和谐振子，所述斯特林发动机和斯特林制冷机上下相对设置，所述斯特林发动机和斯特林制冷机之间设有连通两者的气缸，所述谐振子与所述气缸相连通，所述谐振子对置设于所述气缸中。本发明的热驱动低温制冷机振动小，同时提高了系统的效率。

Description

热驱动低温制冷机
技术领域
本发明涉及制冷设备技术领域，特别是涉及一种热驱动低温制冷机。
背景技术
热驱动的低温斯特林制冷机在电能缺乏的场合具有非常好的应用前景。比方说，我国天然气储量虽然非常丰富，但大部分属于煤层气、页岩气等非常规天然气，通常气源分布散、气量较小、地点偏僻，管道输送技术和传统电驱动的大型液化设备无法使用，因此这些天然气的利用受到了很大的限制。采用热驱动的低温斯特林制冷机则可以很好地解决电力缺乏的问题(燃烧部分天然气驱动斯特林制冷机进行液化)。在热驱动的低温斯特林制冷机中，热驱动斯特林制冷机以其高效率、高功率密度尤其受到青睐，并且热驱动斯特林制冷机的功率大小与小型的天然气液化设备比较接近，因此在煤层气、页岩气等非常规天然气液化方面具有非常好的应用前景。
图1为已有的热驱动斯特林制冷机结构，它主要包括斯特林发动机、斯特林制冷机和谐振子三部分，谐振子位于斯特林发动机与斯特林制冷机之间。当斯特林发动机的热端换热器3被室温换热器1冷却时，回热器2内就会形成一定的温度梯度，当该梯度达到一定的值时，系统就会产生自激振荡，将热能转化为声波形式的机械能，通过排出器4和4’推动谐振子6(谐振子6位于斯特林发动机与斯特林制冷机之间的气缸5内)进行往复运动，将声功传递进入斯特林制冷机；斯特林制冷机在受到声功的驱动时，声功穿过室温换热器1’在回热器2’内进行热量搬运，在冷端换热器3’内获得低温，将机械能转化为热能。
传统的热驱动斯特林制冷机有两个比较大的缺点：一、谐振子6的质量比较大，其在进行往复运动时会产生很大的振动，不利于实际应用；二、谐振子6两侧的压差比较大，这会导致谐振子6(相当于活塞)与汽缸之间的间隙漏气损失比较大，从而降低系统的效率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种小振动的热驱动低温制冷机，同时提高系统的效率。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种热驱动低温制冷机，包括斯特林发动机、斯特林制冷机和谐振子，所述斯特林发动机和斯特林制冷机上下相对设置，所述斯特林发动机和斯特林制冷机之间设有连通两者的气缸，所述谐振子与所述气缸相连通，所述谐振子对置设于所述气缸中。
其中，所述谐振子包括两个相对设置的第一活塞，两个所述第一活塞能够沿所述气缸做相对往复谐振运动。
其中，所述气缸中设有两个相对设置的直线电机，所述直线电机包括动子和第二活塞，所述第二活塞设于动子的一端，由所述动子带动所述第二活塞做往复运动，所述动子和第二活塞作为所述谐振子。
其中，所述谐振子包括两个相对设置的谐振管，两个所述谐振管的管口与所述气缸过渡连接。
其中，所述第一活塞与所述气缸之间采用间隙密封。
其中，所述第二活塞与所述气缸之间采用间隙密封。
其中，所述谐振子的阻抗关系式为：Zpiston＝-Zcooler-Zengine；其中Zcooler表示斯特林制冷机阻抗，Zengine表示斯特林发动机阻抗。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种热驱动低温制冷机，包括斯特林发动机、斯特林制冷机和谐振子，所述斯特林发动机和斯特林制冷机上下相对设置，所述斯特林发动机和斯特林制冷机之间设有连通两者的气缸，所述谐振子与所述气缸相连通，所述谐振子关于所述气缸相对设置，从而抵消了振动；同时，谐振子不起传递声功的作用，只是用来匹配斯特林发动机与斯特林制冷机之间的阻抗关系，因此谐振子两侧压差较小，谐振子与气缸之间的漏气损失也较小，由此提高了系统的效率。
附图说明
图1为传统的热驱动斯特林斯特林制冷机的结构示意图；
图2为本发明热驱动斯特林斯特林制冷机实施例一的结构示意图；
图3为本发明热驱动斯特林斯特林制冷机实施例二的结构示意图；
图4为本发明热驱动斯特林斯特林制冷机实施例三的结构示意图。
图中：1、1’：室温换热器；2、2’：回热器；3：热端换热器；3’：冷端换热器；4、4’：排出器；5：气缸；6：谐振子；7：第一活塞；8：第二活塞；9：动子；10：定子；11：谐振管。
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。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一
如图2所示，为本发明提供的一种热驱动低温制冷机，包括斯特林发动机、斯特林制冷机和谐振子6，所述斯特林发动机和斯特林制冷机上下相对设置，所述斯特林发动机和斯特林制冷机之间设有连通两者的气缸5，,所述谐振子6与所述气缸5相连通，所述谐振子6对置设于所述气缸5中，具体地，所述谐振子6设于所述斯特林发动机和斯特林制冷机两侧的气缸5中。
具体地，所述谐振子6可以包括两个相对设置的第一活塞7，两个所述第一活塞7优选关于所述气缸5的中心轴线对称设置，且两个所述第一活塞7能够沿所述气缸5做相对往复谐振运动，从而能够抵消振动；同时，谐振子6不起传递声功的作用，只是用来匹配斯特林发动机与斯特林制冷机之间的阻抗关系，因此谐振子6两侧压差较小，谐振子6与气缸5之间的漏气损失也较小，由此提高了系统的效率。
进一步地，为了减小滑动摩擦，所述第一活塞7与所述气缸5之间采用间隙密封。
在图1中，如果不考虑斯特林发动机与斯特林制冷机之间气缸5的影响，那么谐振子6的阻抗可以表示为：
其中Zcooler表示斯特林制冷机阻抗，Zengine表示斯特林发动机阻抗；
本实施例中，所述谐振子6的阻抗关系式为：Zpiston＝-Zcooler-Zengine(1)；由此可见，谐振子6的阻抗设计与传统热驱动斯特林斯特林制冷机有很大的不同。
实施例二
如图3所示，该实施例二与实施例一的区别在于，所述谐振子6可由直线电机代替，所述气缸5中可以设有两个相对设置的所述直线电机，所述直线电机包括定子10、动子9和第二活塞8，所述定子10与气缸5的内壁固定连接，所述第二活塞8设于动子9靠近所述气缸5的中心轴线的一端，所述动子9用于带动第二活塞8做往复运动，从而用于抵消振动，所述动子9和第二活塞8作为所述谐振子6。所述谐振子6在运动时同时与磁场作用对外输出电能，因此在本实施例中，系统可以同时向外输出电能和冷能，这对电力缺乏的场合非常有实用价值。
为了减小摩擦，所述第二活塞8与所述气缸5之间采用间隙密封。
实施例三
如图4所示，本实施例三与上述实施例的区别在于，所述谐振子6可以包括两个相对设置的谐振管11，两个所述谐振管11优选关于所述气缸5的中心轴线对称设置，所述谐振管11的长度约为波长的二分之一左右，如果在谐振管11的末端接上一个气库，则谐振管11的长度约为四分之一波长左右，由此可以用于声学谐振子型热驱动斯特林制冷机。谐振管11与气缸5连接处的阻抗可按照式(1)来进行设计。
其中，所述谐振管11的管口与所述气缸5的内壁过渡连接。
由以上实施例可以看出，本发明结构设计合理，能够减小热驱动斯特林制冷机的振动，提高系统的效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (7)

1.一种热驱动低温制冷机，包括斯特林发动机、斯特林制冷机和谐振子，所述斯特林发动机和斯特林制冷机上下相对设置，所述斯特林发动机和斯特林制冷机之间设有连通两者的气缸，所述谐振子与所述气缸相连通，其特征在于，所述谐振子对置设于所述气缸中。
2.如权利要求1所述的热驱动低温制冷机，其特征在于，所述谐振子包括两个相对设置的第一活塞，两个所述第一活塞能够沿所述气缸做相对往复谐振运动。
3.如权利要求1所述的热驱动低温制冷机，其特征在于，所述气缸中设有两个相对设置的直线电机，所述直线电机包括动子和第二活塞，所述第二活塞设于动子的一端，由所述动子带动所述第二活塞做往复运动，所述动子和第二活塞作为所述谐振子。
4.如权利要求1所述的热驱动低温制冷机，其特征在于，所述谐振子包括两个相对设置的谐振管，两个所述谐振管的管口与所述气缸过渡连接。
5.如权利要求2所述的热驱动低温制冷机，其特征在于，所述第一活塞与所述气缸之间采用间隙密封。
6.如权利要求3所述的热驱动低温制冷机，其特征在于，所述第二活塞与所述气缸之间采用间隙密封。
7.如权利要求1-6任一项所述的热驱动低温制冷机，其特征在于，所述谐振子的阻抗关系式为：Zpiston＝-Zcooler-Zengine；其中Zcooler表示斯特林制冷机阻抗，Zengine表示斯特林发动机阻抗。
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