CN107101409B - 双作用α型斯特林制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双作用α型斯特林制冷机，属于制冷机技术领域，本发明包括活塞缸和活塞，活塞设在活塞缸中，活塞与活塞缸内壁之间间隙配合，所述活塞内部形成一个封闭的空腔，活塞的空腔中设有十字形的泄压管道，在活塞空腔中的泄压管道上还分别设置有单向出气阀和单向进气阀；在活塞上设有让活塞空腔与活塞缸内腔相连通的出气孔；在活塞缸外部设有可相对于活塞缸运动的牵引架，通过牵引架的移动来控制活塞的运动。提高了机械效率，使工质转变为完全内部循环而无泄露污染的弊端。

Description

双作用α型斯特林制冷机
技术领域
本发明涉及制冷机技术，尤其涉及一种双作用α型斯特林制冷机。
背景技术
长期以来，制冷一直都是利用制冷剂通过压缩机来实现。作为制冷温区广，理论效率最高的斯特林制冷只用在某些深低温制冷中。其中自由活塞式斯特林制冷机稳定性高，但实际效率偏低，成本又较高，难以推广普及。α型斯特林制冷机构造简单，效率相对较高，但由于其活塞为无油动密封，工质易泄露污染，寿命相对较低。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提出了一种双作用斯特林制冷机。解决了传统α型斯特林制冷机工质易泄露污染，寿命较低的缺陷。并由单作用变成双作用，提高了机械效率。
本发明的技术方案是：
双作用α型斯特林制冷机，包括活塞缸和活塞，活塞设在活塞缸中，活塞缸的上下两端封闭，在活塞缸上下两端封闭处分别设有缸体通气口；所述活塞与活塞缸内壁之间间隙配合，所述活塞内部形成一个封闭的空腔，
活塞的空腔中设有泄压管道，在活塞的上下表面和侧壁中间分别开设有与泄压管道的出口相对应的通孔；
泄压管道的各个出口分别对应设置在各通孔中并与其大小相配合，使得泄压管道内部与活塞外部的活塞缸内腔相连通；
在活塞的侧壁上还开设有让活塞空腔与活塞缸内腔相连通的出气孔。用间隙密封加气体润滑的活塞代替原来的活塞加活塞环的构造。
在活塞缸外部设有可相对于活塞缸运动的牵引架，通过牵引架的移动来控制活塞的运动。
还设置有单向出气阀和单向进气阀；
其中，单向出气阀设置在对应活塞上、下表面的泄压管道的上部和下部，使得气流只能顺着泄压管道的中部向着活塞上下两端面流动并流入活塞缸内腔中；
单向进气阀设置在单向出气阀外侧的泄压管道侧壁上或活塞的上下两个端面上，使得活塞缸内腔与活塞空腔内部相连通；单向进气阀使得气体只能从活塞缸内腔进入活塞空腔中。
活塞外侧壁上设有导流槽，导流槽环绕活塞一周，并将泄压管道在活塞侧壁上的出气孔连在一起。该导流槽可让出气孔流出的气体便于收集并流入泄压管道中。
在活塞的底部设有活塞磁铁，在牵引架上设有牵引磁铁，牵引磁铁与活塞磁铁相对应设置；两块磁铁之间通过磁力同时运动。除磁铁外，其它部件均不导磁。
活塞磁铁为圆片形中间带孔强磁铁，牵引磁铁为圆环状强磁铁；两块磁铁厚度相同。
两块磁铁异极处在同一高度且相对设置，使得活塞磁铁稳定在牵引磁铁的中心位置。可在磁铁两极加形状相同的坡莫合金片或硅钢片来聚磁以获得更大的作用力。强磁铁两端用铁磁性材料聚磁来增强磁铁间的作用力，从而减小磁铁的使用量。
还包括曲柄连杆机构，前述牵引架与曲柄连杆机构的连杆一端铰接在一起。
每两组活塞缸和活塞为一套，两个活塞缸的上部通气口相连接，下部通气口之间相连接，连接处的管线上设有蓄冷器和换热器；两个活塞缸上的牵引架分别连接在同一曲柄连杆机构上。
适当加大相位差降低两套系统的最大压强差，并使冷热缸体积比等于所要制冷的低温和高温的比值。
工作原理：气体膨胀对外做功，温度降低，压缩气体做功，温度升高。系统使气体在低温进膨胀，对所要制冷的环境吸热，在高温时压缩，向外界环境放热。
本发明的有益效果是
本发明把传统的α型斯特林由单作用变成双作用，提高了其机械效率，使工质转变为完全内部循环而无泄露污染的弊端。强磁铁两端用铁磁性材料聚磁能够增强磁铁间的作用力，从而减小磁铁的使用量。活塞采用新型自润滑气体轴承支撑技术，相比自由活塞式斯特林中的气体轴承，能够使两端的出气孔在任何状态下都会一直出气，且气膜刚度稳定，使无停止运行变为永不摩擦，整机构造简单稳定，高效，长寿。
附图说明
图1是本发明的结构剖示图；
图2是活塞上方压强高时的气流流动示意图；
图3是活塞上下两端面的压强都低于活塞内部压强时的气流流动示意图；
图4 是活塞下方压强高时的气流流动示意图；
图5是本发明的运转工作示意图；
图6是制冷系统运转状态过程图；
图7是系统工作压强变化示意图。
其中，1、活塞缸，2、活塞，3、单向出气阀，4、侧壁出气孔，5、泄压管道，6、活塞磁铁，7、牵引磁铁，8、牵引架，9、缸体通气口，10、单向进气阀，11、导流槽，12、换热器，13、蓄冷器，14、曲柄连杆机构。
具体实施方式
下面对本发明的内容进行更加详细的阐述：
活塞的储气腔在各状态下的气体流向情况如下：
如图1、2所示：当活塞2上方的压强高于活塞空腔压强时，气体从上部的单向进气阀10进入到活塞空腔，此时上部的单向出气阀3关闭；活塞空腔中压强较高，活塞2上部的侧壁出气孔4出来的气体因上部压强高，只能向下运动，再流入中间的泄压管道5中，此时下部的单向出气阀3打开，单向进气阀10关闭；气体流到下部的低压腔。活塞2下部的侧壁出气孔4出来的气体则会上下流动，一方面通过泄压管道5流到下部的低压腔中，另一方面直接从活塞2与活塞缸1之间的间隙流到下部低压腔中。
当活塞2上下两端面的压强都低于活塞内部压强时，单向进气阀10全部关闭，只有压强更低的活塞2一端的单向出气阀3打开，另一端的单向出气阀3关闭。此时气体通过活塞2与活塞缸1之间的间隙及泄压管道5流到活塞缸1的内腔中。如图3所示，此时活塞2上端的压强更低。
如图4所示：当活塞2下方的压强高于活塞空腔的压强时，气体从下部的单向进气阀10进入到活塞空腔，此时下部的单向出气阀3关闭，活塞空腔中压强较高，活塞2的侧壁出气孔4出来的气体因下部压强高而只能向上流动；再通过中间的泄压管道5流到上部的低压腔中，上部活塞2的侧壁出气孔4出来的气体则会上下流动，一方面通过泄压管道5流到上部的低压腔中，另一方面直接从活塞2与活塞缸1之间的间隙流到上部低压腔中。
综上所述：只要设备在运转，压强就一直在变化，活塞2侧壁的出气孔4在任何状态下都会有气体流出，活塞2只要一直出气体便可以永无摩擦的运转。
如图5、6所示，
运转过程：
每两组活塞缸和活塞为一套组成制冷系统，两个活塞缸的上部通气口相连接，下部通气口之间相连接，连接处的管线上设有有蓄冷器和换热器；两个活塞缸上的牵引架分别连接在同一曲柄连杆机构上。
以飞轮顺时针旋转为例，第一缸体的上空腔与第二缸体的上空腔组成系统A，由第一缸体的下空腔与第二缸体的下空腔组成系统B。统一左边为第一缸体，右边为第二缸体。
以第一缸体活塞在最上部为初始状态，由状态1到状态2，飞轮顺时针旋转90度，为移气过程，第一缸体下空腔气体通过换热器12时对所要制冷的系统吸热，通过蓄冷器13时，把冷量留在蓄冷器13中，通过高温换热器时，没有热量交换，最后进入到第二缸体下腔。第二缸体上腔的气体通过换热器12，把热量散在环境中，通过蓄冷器13时降温至系统温度，通过低温换热器12时，没有热量交换。
由状态2到状态3，飞轮从90度角旋转至180度，系统A为膨胀降温过程，主要发生在第一缸体中，此过程使第一缸体上腔的气体降温并低于系统温度；系统B为压缩升温过程，主要发生在第二缸体中，此过程使第二缸体下腔中气体温度升温并高于环境温度。
由状态3到状态4，飞轮从180度角旋转至270度，为移气过程，第一缸体上空腔气体通过换热器12时对所要制冷的系统吸热，通过蓄冷器13时，把冷量留在蓄冷器13中，通过高温换热器时，没有热量交换，最后进入到第二缸体上腔。第二缸体下腔的气体通过换热器12，把热量散在环境中，通过蓄冷器13时降温至系统温度，通过低温换热器12时，没有热量交换。
由状态4到状态1，飞轮从270度角旋转至360度，系统A为压缩升温过程，主要发生在第二缸体中，此过程使第二缸体上腔中气体温度升温并高于环境温度。系统B为膨胀降温过程，主要发生在第一缸体中，此过程使第一缸体下腔的气体降温并低于系统温度。
整个过程中第一缸体为冷缸，以膨胀为主。第二缸体为热缸，以压缩为主。
如图7所示，制冷系统与活塞空腔的压强大致变化图，以冷热缸体积比等于所要制冷的低温T与高温T之间的比值为基础。以第一缸体活塞在最上部为初始状态
P0为活塞空腔内的压强变化，
P1为A系统内的压强变化，
P2为B系统内的压强变化。

Claims (9)

1.双作用α型斯特林制冷机，包括活塞缸和活塞，活塞设在活塞缸中，活塞缸的上下两端封闭，在活塞缸上下两端封闭处分别设有缸体通气口；其特征在于，所述活塞与活塞缸内壁之间间隙配合，所述活塞内部形成一个封闭的空腔，
活塞的空腔中设有泄压管道，在活塞的上下表面和侧壁中间分别开设有与泄压管道的出口相对应的通孔；
泄压管道的各个出口分别对应设置在各通孔中并与其大小相配合，使得泄压管道内部与活塞外部的活塞缸内腔相连通；
在活塞的侧壁上还开设有让活塞空腔与活塞缸内腔相连通的出气孔；
在活塞缸外部设有可相对于活塞缸运动的牵引架，通过牵引架的移动来控制活塞的运动。
2.根据权利要求1所述的双作用α型斯特林制冷机，其特征在于，
还设置有单向出气阀和单向进气阀；
其中，单向出气阀设置在对应活塞上、下表面的泄压管道的上部和下部，使得气流只能顺着泄压管道的中部向着活塞上下两端面流动并流入活塞缸内腔中；
单向进气阀设置在单向出气阀外侧的泄压管道侧壁上或活塞的上下两个端面上，使得活塞缸内腔与活塞空腔内部相连通；单向进气阀使得气体只能从活塞缸内腔进入活塞空腔中。
3.根据权利要求2所述的双作用α型斯特林制冷机，其特征在于，
活塞外侧壁上设有导流槽，导流槽环绕活塞一周，并将活塞侧壁上的泄压管道出口对应的通孔连在一起。
4.根据权利要求3所述的双作用α型斯特林制冷机，其特征在于，
在活塞的底部设有活塞磁铁，在牵引架上设有牵引磁铁，牵引磁铁与活塞磁铁相对应设置；两块磁铁之间通过磁力同时运动。
5.根据权利要求4所述的双作用α型斯特林制冷机，其特征在于，
活塞磁铁为圆片形中间带孔强磁铁，牵引磁铁为圆环状强磁铁；两块磁铁厚度相同。
6.根据权利要求5所述的双作用α型斯特林制冷机，其特征在于，
两块磁铁异极处在同一高度且相对设置，使得活塞磁铁稳定在牵引磁铁的中心位置。
7.根据权利要求6所述的双作用α型斯特林制冷机，其特征在于，
强磁铁上设有增强磁铁间作用力的铁磁性材料。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的双作用α型斯特林制冷机，其特征在于，
还包括曲柄连杆机构，前述牵引架与曲柄连杆机构的连杆一端铰接在一起。
9.根据权利要求8所述的双作用α型斯特林制冷机，其特征在于，
每两组活塞缸和活塞为一套，两个活塞缸的上部通气口相连接，下部通气口之间相连接，连接处的管线上设有蓄冷器和换热器；两个活塞缸上的牵引架分别连接在同一曲柄连杆机构上。
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