CN110966790B - 热驱动斯特林制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种热驱动斯特林制冷机，涉及热机技术领域。其包括斯特林发动机及斯特林制冷机，所述斯特林发动机与所述斯特林制冷机通过热缓冲管相连。本发明实施例提供的热驱动斯特林制冷机，通过热缓冲管直接连接斯特林发动机与斯特林制冷机，能够使斯特林发动机与斯特林制冷机两者中的回热器接近理想的相位，而且相比于传统的热驱动斯特林制冷机，本发明实施例中的热驱动斯特林制冷机能有效解决活塞行程过大易损坏的问题，运行更加平稳。

Description

热驱动斯特林制冷机
技术领域
本发明实施例涉及热机技术领域，尤其涉及一种热驱动斯特林制冷机。
背景技术
热驱动斯特林制冷机结构紧凑，功率密度高，而且效率非常高，具有非常广阔的应用前景。热驱动斯特林制冷机包括斯特林发动机和斯特林制冷机；其中，斯特林发动机是将热能转化为机械能，配备发电机时则可进一步将机械能转化为电能向外输出；斯特林制冷机将外界输入的电能先转化为机械能，再将机械能转换为热能，从而产生制冷效应。若将斯特林发动机产生的机械能用于驱动斯特林制冷机，则就构成了一种热驱动斯特林制冷机，热驱动斯特林制冷机在电力缺乏而热能丰富的场合具有非常好的应用前景。
如图1所示的传统热驱动斯特林制冷机(亦称为双效斯特林制冷机)，左侧为斯特林发动机10，右侧为斯特林制冷机20，中间为耦合斯特林发动机和斯特林制冷机的活塞。斯特林发动机中的高温换热器被加热后，在斯特林发动机中的回热器内会形成一定的温度梯度，继而使系统产生自激振荡，将热能转化为声波形式的机械能；声波经过活塞传入斯特林制冷机内，将低温换热器内的热量搬运到中温换热器内，完成制冷过程。传统热驱动斯特林制冷机对参数变化非常敏感，当活塞阻尼、加热温度、充气压力等产生微小变化时，整个系统的工况会受到很大影响，使活塞容易超出其许用行程而被破坏，因此传统热驱动斯特林制冷机至今未得到实验验证和应用。
一般认为，斯特林发动机和斯特林制冷机要想获得理想的热功转换，则回热器的中间位置处压力和体积流之间的相位差必须为0，也就是说，在室温换热器一端体积流相位必须领先于压力相位，而在高温或者低温换热器一端压力相位必须领先于体积流相位。因此，在传统认识中发动机和制冷机不能直接相连，否则无法获得理想的相位关系。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种热驱动斯特林制冷机，用于解决现有的斯特林制冷机和斯特林发动机之间耦合复杂、难以实现稳定运行的问题。
(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斯特林制冷机，包括斯特林发动机及斯特林制冷机，所述斯特林发动机与所述斯特林制冷机通过热缓冲管相连。
其中，所述斯特林发动机包括加热器、发动机水冷器、发动机回热器与压缩腔，所述加热器、所述发动机水冷器、所述发动机回热器与所述压缩腔依次相连；所述斯特林制冷机包括制冷机水冷器、制冷机回热器、冷端换热器与膨胀腔，所述制冷机水冷器、所述制冷机回热器、所述冷端换热器与所述膨胀腔依次相连；所述热缓冲管的一端与所述加热器相连，另一端与所述发动机水冷器相连，所述压缩腔内安装有压缩活塞，所述膨胀腔内安装有膨胀活塞。
其中，所述压缩活塞上安装的第一连杆与所述膨胀活塞上安装的第二连杆均安装在曲柄上。
其中，所述第一连杆与所述第二连杆安装在所述曲柄的同一个位置处。
其中，还包括与所述曲柄相连的驱动装置，在所述驱动装置的作用下，所述曲柄做圆周运动并带动所述压缩活塞与所述膨胀活塞运动，以调整所述压缩腔与所述膨胀腔之间的体积流相位。
其中，所述压缩活塞的活塞杆与所述膨胀活塞的活塞杆之间的夹角为60°～120°。
其中，还包括曲轴，所述曲轴上有两个连接颈，其中一个所述连接颈上安装所述压缩活塞，另一个所述连接颈上安装所述膨胀活塞，两个所述连接颈相对设置在所述曲轴中轴线的两侧，每一所述连接颈相对于所述曲轴的中轴线倾斜设置。
其中，还包括与所述曲轴相连的驱动装置，在所述驱动装置的作用下，所述曲轴绕回转中心回转，从而带动所述压缩活塞和所述膨胀活塞运动。
(三)有益效果
本发明提供的热驱动斯特林制冷机，通过热缓冲管直接连接斯特林发动机与斯特林制冷机，能够使斯特林发动机与斯特林制冷机两者中的回热器接近理想的相位，而且相比于传统的热驱动斯特林制冷机，本发明实施例中的热驱动斯特林制冷机能有效解决活塞行程过大易损坏的问题，运行更加平稳。
附图说明
图1为传统热驱动斯特林制冷机的结构示意图；
图2为本发明实施例热驱动斯特林制冷机的结构示意图；
图3为本发明另一实施例驱动斯特林制冷机的结构示意图。
图中：10、斯特林发动机；11、加热器；12、发动机水冷器；13、发动机回热器；14、压缩腔；15、压缩活塞；16、第一连杆；20、斯特林制冷机；21制冷机水冷器；22、制冷机回热器；23、冷端换热器；24、膨胀腔；25、膨胀活塞；26、第二连杆；30、热缓冲管；40、曲柄；50、曲轴。
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，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在热驱动斯特林制冷机中，在斯特林发动机内的高温端(即图1中的高温换热器端、图2或图3中的加热器端)，压力领先体积流的相位角的理想范围在0-10°以内；而在斯特林制冷机内，低温端(即图1中的低温换热器端、图2或图3中的冷端换热器端)的温度高于170K时，回热器内压力均领先于体积流，特别是如果室温端和低温端温差在几十度的范围内，在斯特林制冷机的室温端压力会领先体积流相位50°(传统的理解认为是体积流领先压力)。因此只要斯特林发动机和斯特林制冷机两端的工作温度合适就可以将两者直接连接起来，并且在二者的回热器内均获得理想的相位。
如图2-3所示，本发明实施例中的热驱动斯特林制冷机，包括斯特林发动机10、斯特林制冷机20及热缓冲管30，热缓冲管30的一端与斯特林发动机10相连，另一端与斯特林制冷机20相连，从而将斯特林发动机10产生的机械能传递至斯特林制冷机20进行驱动。本发明实施例中的热驱动斯特林制冷机通过热缓冲管30将斯特林发动机10和斯特林制冷机20直接连接起来，有效解决了传统热驱动斯特林制冷机活塞行程容易损坏的问题，耦合方式简单易调整，能稳定运行。其中，斯特林制冷机20的低温端温度在170K以上，此时，斯特林制冷机20中回热器的压力相位领先于体积流。
具体的，斯特林发动机10包括加热器11，斯特林制冷机20包括制冷机水冷器21；热缓冲管30的一端与加热器11相连，另一端与制冷机水冷器21相连。加热器11中的温度较高，通过缓冲管30直接与低温中的制冷机水冷器21相连，能有效减少热损失并起到热缓冲的作用。斯特林发动机10还包括发动机水冷器12、发动机回热器13与压缩腔14，加热器11、发动机水冷器12、发动机回热器13与压缩腔14依次相连；斯特林制冷机20还包括制冷机回热器22、冷端换热器23与膨胀腔24，制冷机水冷器21、制冷机回热器22、冷端换热器23与膨胀腔24。压缩腔14内安装有压缩活塞15，膨胀腔24内安装有膨胀活塞25。压缩活塞15与膨胀活塞25相互配合以调整斯特林发动机10与斯特林制冷机20之间的声场关系。
为了驱动压缩活塞15与膨胀活塞25，本发明实施例提供的一种曲柄连杆驱动方式：具体如图2所示，压缩活塞15通过活塞销与第一连杆16相连，膨胀活塞25通过活塞销与第二连杆26相连，第一连杆16和第二连杆26的端部均通过销轴转动安装在曲柄40上。曲柄40的圆周运动是由与其相连的驱动装置驱动，该驱动装置可以为旋转电机或其他动力源，通过向曲柄40提供动力使整个装置保持在恒定的工作状态。当曲柄40做圆周运动时，第一连杆16和第二连杆26推动压缩活塞15和膨胀活塞25一伸一缩。此时，压缩活塞15和膨胀活塞25的位移受曲柄40的限制，不是完全自由的，而是在确定的范围内变化，因而不会出现位移过大活塞被损坏的现象。
需要说明的是，第一连杆16与第二连杆26可以安装在曲柄40的不同位置处，也可以安装在曲柄40上的同一位置，不管采用哪种安装方式，只要压缩活塞15和膨胀活塞25支架满足特定的体积流相位关系即可。其中，若第一连杆16与第二连杆26安装在曲柄40上的同一位置，两者之间的夹角为60°～120°，通过调整两者之间的夹角可以使斯特林发动机10和斯特林制冷机20获得理想的声场关系。压缩活塞15和膨胀活塞25处的体积流率受活塞横截面积、频率及位移的影响，可以通过调整活塞直径来改变两者的体积流率。
除了上述驱动方式之外，本发明实施例还提供了另一种驱动方式：具体如图3所示，还设置有曲轴50，曲轴50上至少有两个连接颈，压缩活塞15和膨胀活塞25分别套设在一个连接颈上；压缩活塞15和膨胀活塞25结构相同，均一端为塞体，另一端呈套环状转动安装在连接颈上。两个连接颈相对设置在曲轴50中轴线的两侧，以确保压缩活塞15和膨胀活塞25运动时一个向腔体内压缩另一个向腔体外膨胀实现交错运动。另外，为调整压缩活塞15和膨胀活塞25之间的相位关系，每一个连接颈相对于曲轴50的中轴线倾斜设置。在驱动装置的作用下，曲轴50绕自身的回转中心转动从而带动压缩活塞15和膨胀活塞25一上一下运动。该驱动方式中通过调节曲轴50的转速，可以控制整个装置的平衡。
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)

1.一种热驱动斯特林制冷机，包括斯特林发动机及斯特林制冷机，其特征在于，所述斯特林发动机与所述斯特林制冷机通过热缓冲管相连，所述斯特林制冷机的低温端温度在170K以上；所述斯特林发动机包括加热器、发动机水冷器、发动机回热器与压缩腔，所述加热器、所述发动机回热器、所述发动机水冷器与所述压缩腔依次相连；所述斯特林制冷机包括制冷机水冷器、制冷机回热器、冷端换热器与膨胀腔，所述制冷机水冷器、所述制冷机回热器、所述冷端换热器与所述膨胀腔依次相连；所述热缓冲管的一端与所述加热器相连，另一端与所述制冷机水冷器相连，所述压缩腔内安装有压缩活塞，所述膨胀腔内安装有膨胀活塞。
2.根据权利要求1所述的热驱动斯特林制冷机，其特征在于，所述压缩活塞上安装的第一连杆与所述膨胀活塞上安装的第二连杆均安装在曲柄上。
3.根据权利要求2所述的热驱动斯特林制冷机，其特征在于，所述第一连杆与所述第二连杆安装在所述曲柄的同一个位置处。
4.根据权利要求2或3所述的热驱动斯特林制冷机，其特征在于，还包括与所述曲柄相连的驱动装置，在所述驱动装置的作用下，所述曲柄做圆周运动并带动所述压缩活塞与所述膨胀活塞运动，以调整所述压缩腔与所述膨胀腔之间的体积流相位。
5.根据权利要求3所述的热驱动斯特林制冷机，其特征在于，所述压缩活塞的活塞杆与所述膨胀活塞的活塞杆之间的夹角为60°～120°。
6.根据权利要求1所述的热驱动斯特林制冷机，其特征在于，还包括曲轴，所述曲轴上有两个连接颈，其中一个所述连接颈上安装所述压缩活塞，另一个所述连接颈上安装所述膨胀活塞，两个所述连接颈相对设置在所述曲轴中轴线的两侧，每一所述连接颈相对于所述曲轴的中轴线倾斜设置。
7.根据权利要求6所述的热驱动斯特林制冷机，其特征在于，还包括与所述曲轴相连的驱动装置，在所述驱动装置的作用下，所述曲轴绕回转中心回转，从而带动所述压缩活塞和所述膨胀活塞运动。
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