CN107014100B - 一种串联式脉管热机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种串联式脉管热机，包括由多个脉管单元及惯性管串联连接的串联脉管组件和压缩机；所述的脉管单元包括顺序连接的室温换热器、回热器、高温换热器及脉管；所述的压缩机包括至少两个压缩腔，两个压缩腔分别与首尾两端的两个脉管单元中的室温换热器及脉管连通。本发明的串联式脉管热机可在四种模式下运行，分别是制冷机、热泵、热发动机以及冷发动机。与现有技术相比，本发明采用几个串联式脉管单元达到大功率的目的，从而避开了大功率下回热器短粗而带来的气流不均问题。

Description

一种串联式脉管热机

技术领域

本发明涉及一种脉管热机，尤其是涉及一种串联式脉管热机。

背景技术

脉管制冷机现已在航空航天方面得到应用，其特点是小冷量、长寿命。脉管制冷机有两种形式，不回收膨胀功形式和回收膨胀功形式。在回收膨胀功形式中，阶梯压缩机或双作用压缩机式脉管热机是最简单的，而且其运动部件只有一个，其理论效率可与卡诺热机一样。由于是可逆热机，能够在制冷机、热泵、热发动机、冷发动机等四种模式下运行。与斯特林发动机相比，其结构与运行极其简单。如果能将其功率增大，将是十分有用的。

但是脉管的流动特性以及其本征效率限制了它向大功率方面应用的拓展。

现有斯特林脉管热机无法做的很大，其原因是当功率大时，回热器直径变大，而长度受回热器阻力限制，一般长度在40-100mm，再长阻力太大。短粗的回热器内部气流严重不均匀，回热器效率很低。至今，基本上只有无膨胀功回收的小型脉管制冷机在航天上得到了广泛的应用，大功率制冷机与发动机仍然在探索阶段。

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串联式脉管热机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种串联式脉管热机，包括由多个脉管单元及惯性管串联连接的串联脉管组件和压缩机；所述的脉管单元包括顺序连接的室温换热器、回热器、高温换热器及脉管；所述的压缩机包括至少两个压缩腔。

所述的压缩机包括电机、活塞及至少两个压缩腔，电机驱动活塞移动，改变压缩腔内气体压力，压缩腔分别与首尾两端的两个脉管单元中的室温换热器及脉管连通。

所述的串联式脉管热机包括以下四种运行模式：

所述的串联式脉管热机在制冷机模式下运行，此时，高温换热器所处环境温度低于室温换热器所处环境温度，电机驱动活塞使气体周期性地流经每个脉管单元中的室温换热器、回热器、高温换热器及脉管，在室温换热器向环境放热，在高温换热器吸热产生制冷量，压缩机输入功；或，

所述的串联式脉管热机在热泵模式下运行，此时，高温换热器所处环境温度高于室温换热器所处环境温度，电机驱动活塞使气体周期性地流经每个脉管单元中的室温换热器、回热器、高温换热器及脉管，在室温换热器从环境吸热，在高温换热器向环境放热，压缩机输入功；或，

所述的串联式脉管热机在热发动机模式下运行，此时，高温换热器所处环境温度高于室温换热器所处环境温度，气体周期性地流经每个脉管单元中的室温换热器、回热器、高温换热器及脉管，在室温换热器向环境放热，在高温换热器从高温热源吸热，功流经前一个脉管单元中的脉管后经过后一个脉管单元中脉管时放大，产生的功驱动电机活塞运动，产生电能，膨胀功被压缩腔回收，压缩机输出功；或，

所述的串联式脉管热机在冷发动机模式下运行，此时，高温换热器所处环境温度低于室温换热器所处环境温度，室温换热器从环境吸热，高温换热器向低温热源放热，功流经前一个脉管单元中的脉管后经过后一个脉管单元中脉管时放大，膨胀功被压缩腔回收，压缩机输出功。

所述的串联式脉管热机还可采用制冷机模式、热泵模式、热发动机模式或冷发动机模式中的一种或几种的混合模式运行。

本发明的串联式脉管热机中，前一个脉管单元的脉管通过惯性管与后一个脉管单元的室温换热器连通，首尾两端的两个脉管单元中的室温换热器及脉管分别与两个压缩腔连通。

本发明的串联式脉管热机中一种优选实现方式为：当压缩机的压缩腔个数大于两个时，除首尾两端的两个脉管单元中的室温换热器及脉管分别与两个压缩腔连通以外，剩下的压缩腔与惯性管或中间脉管单元中的脉管连通，以回收膨胀功。

本发明中，首尾两端的两个脉管单元中的室温换热器及脉管可与压缩腔通过惯性管连通。

本发明中，当串联脉管组件包含偶数个惯性管时，压缩腔反相设置；当串联脉管组件包含奇数个惯性管时，压缩腔同相设置。

本发明中，串联脉管组件的一个脉管单元可由气库替代。

本发明中，串联脉管组件的相邻两脉管单元可不经惯性管而直接连接。

本发明中，各压缩腔的活塞由同轴驱动，压缩腔的形成方式包括以下形式中的一种或多种形式的结合：

通过一个阶梯活塞与阶梯气缸配合形成两个压缩腔或多个压缩腔；

通过在一个推移式活塞的两侧形成两个压缩腔；

通过在同一根轴的两端各设置压缩腔。

与现有技术相比，本发明采用几个串联式脉管单元达到大功率的目的，从而避开了大功率下回热器短粗而带来的气流不均问题。

附图说明

图1为实施例1中串联式脉管热机的结构示意图；

图2为实施例2中串联式脉管热机的结构示意图；

图3为实施例3中串联式脉管热机的结构示意图；

图4为实施例4中串联式脉管热机的结构示意图；

图5为实施例5中串联式脉管热机的结构示意图；

图6为实施例6中串联式脉管热机的结构示意图；

图7为实施例7中串联式脉管热机的结构示意图。

图中，1-压缩机，111/112/121/122-压缩腔，113/123-活塞，13-电机，2/3/4-脉管单元，21/31/41-室温换热器，22/32/42-回热器，23/33/43-高温换热器，24/34/44-脉管，25/35-惯性管，14/26/36/45-连接管，5为气库。

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

参见图1所示的串联式脉管热机，由压缩机1、脉管单元2、脉管单元4和惯性管25组成。

压缩机1由电机13、压缩腔111和112、活塞113组成，压缩腔111和压缩腔112互不相通，压缩腔111通过连接管14与脉管单元2中的室温换热器21相连；压缩腔112(此时作用为膨胀腔)通过连接管45与脉管单元4中的脉管44相连。

本实施例中，脉管组件由脉管单元2、脉管单元4和一个惯性管25组成。

脉管单元2由室温换热器21、回热器22、高温换热器23、脉管24顺次连接而成，气体可在各部件内自由流动。

脉管单元4由室温换热器41、回热器42、高温换热器43、脉管44顺次连接而成，气体可在各部件内自由流动。

脉管单元2中的脉管24与脉管单元4中的室温换热器41通过惯性管25连通。

此时，室温换热器21/41处于环境温度下，高温换热器23/43处于高温环境下。压缩机活塞113在电机13的带动下做往复运动，这里电机13做发电机用。压缩腔111的容积呈周期性变化时，其内部的气体压力呈周期性变化。气体通过连接管14流入并流出脉管单元2，在室温换热器21处放热，气体被冷却到环境温度；流经回热器22，被逐渐加热到高温；在高温换热器23处吸热，在脉管24膨胀做功。这部分膨胀功经过惯性管25的传输，压力的相位变化约180°，到达下一个脉管单元4，与脉管单元2中的过程一样，在高温换热器43处吸热，并在脉管44膨胀做功，功由压缩腔112回收(这里压缩腔112实际做膨胀腔用)。在此过程中，压缩腔111输出的功经两个脉管单元后变为W₁₁₂＝T_H/T₀[(T_H/T₀)W₁₁₁]，该式中，W₁₁₂表示压缩腔112回收的功，W₁₁₁表示压缩腔111输出的功，T_H表示高温换热器所处的热源温度，T₀表示环境温度。这里，W₁₁₂理论上大于W₁₁₁为(T_H/T₀)²倍。如果只有一个脉管组件，倍数为(T_H/T₀)倍。

如果压缩腔111和112的容积比小于一个临界值，该机器为发动机。

通过改变压缩腔111和112的容积比，使其大于临界值，该热机可工作在热泵模式，即从室温换热器吸热，从高温换热器放热，这时压缩腔111回收功，压缩腔112输入功。

此时，室温换热器21/41从环境吸热，高温换热器23/43在高温下放热。压缩机活塞113在电机13的带动下做往复运动。压缩腔112的容积呈周期性变化时，其内部的气体压力呈周期性变化。当压缩腔112容积变小时，其内部气体被压缩，高温高压气体通过连接管45流入脉管单元4，在高温换热器43处放热；流经回热器42，被逐渐冷却到环境温度；在室温换热器41处膨胀从环境吸热；这部分膨胀功经过惯性管25的传输，到达下一个脉管单元2，与脉管单元4中的过程一样，在高温换热器23处放热，并在室温换热器21膨胀从环境吸热，剩余膨胀功由压缩腔111回收(这里压缩腔111实际做膨胀腔用)。

如果压缩腔111和112的容积比小于一个临界值，高温换热器的温度低于室温换热器，该机器可做制冷机，即从室温换热器放热，从高温换热器吸热。这时，压缩腔111输出的功经两个脉管单元后变为W₁₁₂＝T_H/T₀[(T_H/T₀)W₁₁₁]。由于T_H小于T₀，W₁₁₂小于W₁₁₁。该式中，W₁₁₂表示压缩腔112回收的功，W₁₁₁表示压缩腔111输出的功，T_H表示高温换热器所处的热源温度，T₀表示环境温度。

如果压缩腔111和112的容积比大于一个临界值，高温换热器的温度低于室温换热器，该机器可做冷发动机，即从室温换热器吸热，从高温换热器放热。

图1所示的脉管热机的脉管单元2可做发动机，脉管单元4可做制冷机。这时，脉管单元2的高温换热器高于室温，脉管单元4的高温换热器低于室温，这时压缩机可少输入功或输出功。

图1所示的脉管热机的脉管单元2可做发动机，脉管单元4可做热泵。这时，脉管单元2的高温换热器高于室温，脉管单元4的高温换热器低于室温，置于室外，从环境吸热。

实施例2

参见图2所示的串联式脉管热机，由压缩机1、脉管单元2、脉管单元4及气库5组成。

压缩机1由电机13、压缩腔111和121、活塞113和123组成，压缩腔111和压缩腔121互不相通，压缩腔111通过连接管14与脉管单元2中的室温换热器21相连；压缩腔121(此时作用为膨胀腔)通过连接管45与脉管单元4中的脉管44相连。活塞113和123同相位运动。

脉管单元2由室温换热器21、回热器22、高温换热器23及脉管24顺次连接而成，气体可在各部件内自由流动。

脉管单元4由室温换热器41、回热器42、高温换热器43及脉管44顺次连接而成，气体可在各部件内自由流动。

脉管单元2中的脉管24通过惯性管25连通气库5的一端，气库5另一端通过惯性管35与脉管单元4中的室温换热器41连通。压力波从压缩腔111经过惯性管25到达气库5后理论上基本反相，压力波从气库5经过惯性管45到达压缩腔121后理论上基本反相，因此，压力波在压缩腔111与压缩腔121内基本同相。

此时，室温换热器21/41处于环境温度下，高温换热器23/43处于高温下。压缩机活塞113在直线电机的带动下做往复运动。压缩腔111的容积呈周期性变化时，其内部的气体压力呈周期性变化。气体通过连接管14流入并流出脉管单元2，在室温换热器21处放热，气体被冷却到环境温度；流经回热器22，被逐渐加热到高温；在高温换热器23处吸热，在脉管24膨胀做功。这部分膨胀功经过惯性管25的传输，到达气库5，此时，压力波的相位变化约180°，再经过惯性管35的传输，相位再次变化约180°，到达下一个脉管单元4，与脉管单元2中的过程一样，在高温换热器43处吸热，并在脉管44膨胀做功，功由压缩腔121回收(这里压缩腔121实际做膨胀腔用)。

与实施例1不同的地方在于，本实施例的两个压缩腔分别设置在同一根轴的两端，两个压缩腔的容积变化规律是相反的，且有两根惯性管。这是因为经过两根惯性管的调相作用，压缩腔111处的压力波和压缩腔121处的压力波基本是同相位的，所以为了回收膨胀功，需要将压缩腔如此设置。

其余与实施例1所述相同，通过改变压缩腔111和121的容积和各换热器的温度，该机器可在制冷机、热泵、热发动机和冷发动机的模式下工作。也可如实施例1所述，两个脉管单元分别工作在发动机和热泵/制冷机下，在混合模式下运行。

实施例3

参见图3所示的串联式脉管热发动机，由压缩机1、脉管单元2、脉管单元3及脉管单元4组成。

压缩机1由电机13，压缩腔111和121，活塞123组成，压缩腔111和压缩腔121互不相通，压缩腔111通过连接管14与脉管单元2中的室温换热器21相连；压缩腔121(此时作用为膨胀腔)通过连接管45与脉管单元4中的脉管44相连。

脉管单元2由室温换热器21、回热器22、高温换热器23和脉管24顺次连接而成，气体可在各部件内自由流动。

脉管单元3由室温换热器31、回热器32、高温换热器33和脉管34顺次连接而成，气体可在各部件内自由流动。

脉管单元4由室温换热器41、回热器42、高温换热器43和脉管44顺次连接而成，气体可在各部件内自由流动。

脉管单元2中的脉管24通过惯性管25与脉管单元3中的室温换热器31连通，脉管单元3中的脉管34通过惯性管35与脉管单元4中的室温换热器41连通。

此时，室温换热器21/31/41处于环境温度下，高温换热器23/33/43处于高温下。高温换热器43从高温热源吸热，室温换热器41向环境放热，在回热器42内形成温度梯度，功从高温换热器43流向室温换热器41，经过惯性管35到达脉管单元3。在脉管单元3处经过脉管单元4中相同的过程，功被放大。然后经过惯性管25，到达脉管单元2，功进一步被放大，驱动活塞123带动发电机13产生电能。膨胀功在压缩腔121内被回收。

与实施例2不同的地方在于，本实施例的两个压缩腔分别设置在同一个活塞的两面，两个压缩腔的容积变化规律是相反的，且有两根惯性管，并且增加一个脉管单元3。目的是进一步将产生的功放大。

其余与实施例2所述相同，通过改变压缩腔111和121的容积和各换热器的温度，该机器可在制冷机、热泵、热发动机和冷发动机的模式下工作。也可如实施例1所述，各个脉管单元分别工作在发动机和热泵/制冷机下，在混合模式下运行。

实施例4

参考图4，本实施例的两个压缩腔分别设置在同一根轴的两端，有两个活塞，两个压缩腔的容积变化规律是相反的，其余与实施例3所述相同。

实施例5

参见图5所示的串联式脉管热发动机，由压缩机1、脉管单元2、脉管单元3及脉管单元4组成。该实施例是在实施例4的基础上，将活塞113改为阶梯式活塞，增加一个压缩腔112，使其通过连接管26与惯性管25相连，可以回收一部分功，剩余功继续到下一个脉管单元放大，这样可以使下一个脉管单元尺寸变小。其余与实施例4相同。

通过改变压缩腔111和121的容积和各换热器的温度，该机器可在制冷机、热泵、热发动机和冷发动机的模式下工作。

实施例6

参见图6所示的串联式脉管热发动机，由压缩机1、脉管单元2、脉管单元3及脉管单元4组成。该实施例是在实施例5的基础上，将活塞123改为阶梯式活塞，增加一个压缩腔122，使其通过连接管36与惯性管35相连。可以回收一部分功。其余与实施例5相同。

通过改变压缩腔111和121的容积和各换热器的温度，该机器可在制冷机、热泵、热发动机和冷发动机的模式下工作。

实施例7

参见图7所示的串联式脉管热发动机，由压缩机1、脉管单元2、脉管单元3及脉管单元4组成。该实施例是在实施例1的基础上，在脉管单元2的后面增加一个脉管单元3，中间直接用脉管相连。

其余与实施例1相同，通过改变压缩腔111和112的容积和各换热器的温度，该机器可在制冷机、热泵、热发动机和冷发动机的模式下工作。也可如实施例1所述，两个脉管单元分别工作在发动机和热泵/制冷机下，在混合模式下运行。

由于直线电机驱动的压缩机单个震动很大，需要加平衡震子，或采用对置结构，即两个压缩机的活塞相对运动。这在采用直线电机的系统中是常识。

这里，直线电机既可用于输入功，也可用于输出功，活塞的机械功既可直接输出输入，也可通过直线电机以电能的形式输出输入。

这里，压缩腔如果是输出功则为压缩腔功能，如果是回收功，则为膨胀腔功能。各个压缩腔的相位除同相或反相外，也可以是其他角度。同相或反相可由直线电机实现，结构简单。其他角度需要不同的直线电机或曲柄连杆机构实现，结构复杂。

串联脉管组件与压缩腔之间的连接管可以是普通的连接管，即压力波通过时相位基本不发生反转，也可以是惯性管，即压力波通过时相位基本发生反转。

串联脉管组件与压缩腔之间的连接可不经过连接管而直接连接，加连接管仅仅是为了设计方便。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种串联式脉管热机，其特征在于，包括由多个脉管单元及惯性管串联连接的串联脉管组件和压缩机；所述的脉管单元包括顺序连接的室温换热器、回热器、高温换热器及脉管；所述的压缩机包括至少两个压缩腔；前一个脉管单元的脉管通过惯性管与后一个脉管单元的室温换热器连通，首尾两端的两个脉管单元中的室温换热器及脉管分别与两个压缩腔连通。

2.根据权利要求1所述的一种串联式脉管热机，其特征在于，所述的串联式脉管热机包括以下四种运行模式：

所述的串联式脉管热机在制冷机模式下运行，此时，高温换热器所处环境温度低于室温换热器所处环境温度，室温换热器向环境放热，高温换热器吸热产生制冷量，压缩机输入功；或，

所述的串联式脉管热机在热泵模式下运行，此时，高温换热器所处环境温度高于室温换热器所处环境温度，室温换热器从环境吸热，高温换热器向环境放热，压缩机输入功；或，

所述的串联式脉管热机在热发动机模式下运行，此时，高温换热器所处环境温度高于室温换热器所处环境温度，室温换热器向环境放热，高温换热器从高温热源吸热，压缩机输出功；或，

所述的串联式脉管热机在冷发动机模式下运行，此时，高温换热器所处环境温度低于室温换热器所处环境温度，室温换热器从环境吸热，高温换热器向低温热源放热，压缩机输出功。

3.根据权利要求2所述的一种串联式脉管热机，其特征在于，所述的串联式脉管热机可采用制冷机模式、热泵模式、热发动机模式或冷发动机模式中的一种或几种的混合模式运行。

4.根据权利要求1所述的一种串联式脉管热机，其特征在于，当压缩机的压缩腔个数大于两个时，除首尾两端的两个脉管单元中的室温换热器及脉管分别与两个压缩腔连通以外，剩下的压缩腔与惯性管或中间脉管单元中的脉管连通。

5.根据权利要求1所述的一种串联式脉管热机，其特征在于，首尾两端的两个脉管单元中的室温换热器及脉管可与压缩腔通过惯性管连通。

6.根据权利要求1所述的一种串联式脉管热机，其特征在于，串联脉管组件的相邻两脉管单元不经惯性管而直接连接。

7.根据权利要求1所述的一种串联式脉管热机，其特征在于，各压缩腔的活塞由同轴驱动，压缩腔的形成方式包括以下形式中的一种或多种形式的结合：

通过一个阶梯活塞与阶梯气缸配合形成两个压缩腔或多个压缩腔；

通过在一个推移式活塞的两侧形成两个压缩腔；

通过在同一根轴的两端各设置压缩腔。