CN111207529A - 一种自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机，属于低温制冷机技术领域，包括自由活塞发动机和低温制冷机，自由活塞发动机和低温制冷机之间设有对置双活塞；对置双活塞的一端活动连接在自由活塞发动机的燃烧室内，另一端活动连接至低温制冷机。通过对置双活塞将自由活塞发动机和以压力波驱动的低温制冷机耦合，将自由活塞发动机产生的压力波通过对置双活塞传递给低温制冷机进行制冷，实现低温制冷机的脱离电网应用。

Description

一种自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机
技术领域
本发明涉及低温制冷机技术领域，具体地说，涉及一种自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机。
背景技术
自由活塞发动机作为一种新型动力装置，因为其低消耗、高效率的特点逐渐受到人们的关注。自由活塞发动机在机械结构上省略了将活塞往复运动转化为旋转运动的曲柄连杆机构和机械飞轮，直接利用燃烧室活塞的往复运动驱动负载，将燃料燃烧产生的热能直接转化为机械功输出，具有燃料适应范围广、能量传递效率高、转化环节少与机械结构紧凑等特点。
低温制冷机一般是指制冷温度在120K以下的制冷机，在军事、能源、运输、医疗等领域，尤其是气体液化以及工业气体制备领域有重要作用。常规的低温制冷机是由电动压缩机产生的交变压力波驱动，在制冷机冷头产生冷量。如今，低温制冷相关应用反过来对低温制冷机提出了新的挑战。比如，在油田中，油田伴生气(即天然气)由于是采油的副产品，往往直接排放或者燃烧掉，造成了巨量能源浪费，亟需有效方法液化回收该部分伴生气。采用中小型低温制冷机可以灵活液化回收天然气。
常用的低温制冷机包括行波热声低温制冷机、斯特林脉管低温制冷机、斯特林低温制冷机。
其中，行波热声低温制冷机是利用热声效应进行制冷。热声效应也就是热能与声能之间相互转换的现象，它是由于处于声场中的固体介质和气体工质的相互作用，从而导致的在距固体壁面一定范围内产生沿声波传播方向的温度梯度的现象。热声制冷机具有无运动部件和不需要电能驱动等优点。
斯特林脉管低温制冷机是利用无阀压缩机产生的压力波对脉管空腔充放气过程而获得的制冷效果。由于斯特林脉管制冷机冷端无运动部件，因此具有结构简单、低振动、可靠性高、运行寿命长等优点。
斯特林低温制冷机的基本原理是等容回热循环，其通过活塞的简谐运动让气体工质在回热器两侧交替流动进行制冷，具有效率高、冷却速率快、调节方便、制冷温度范围广及结构紧凑等特点。
发明内容
本发明的目的为提供一种自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机，可实现直接利用燃料气驱动低温制冷机工作，能够适配多种燃料气，以在各种环境条件下进行气体液化处理。
为了实现上述目的，本发明提供的自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机，包括自由活塞发动机和低温制冷机，自由活塞发动机和低温制冷机之间设有对置双活塞；对置双活塞的一端活动连接在自由活塞发动机的燃烧室内，另一端活动连接至低温制冷机。
上述技术方案中，通过对置双活塞将自由活塞发动机和以压力波驱动的低温制冷机耦合，将自由活塞发动机产生的压力波通过对置双活塞传递给低温制冷机进行制冷，实现低温制冷机的脱离电网应用。
作为优选，低温制冷机包括谐振管和连通在谐振管一端的环形管，环形管内依次设有副冷却器、热缓冲器、冷端换热器、回热器和主冷却器；对置双活塞的其中一活塞活动连接在谐振管的另一端。
对置双活塞的周期性运动在行波热声低温制冷机的谐振管一端产生压力波，回热器中的气体工质在压力波的作用下从冷端换热器侧吸取热量，向主冷却器排放热量。
作为优选，低温制冷机包括依次设置的传输管、回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器、惯性管和气库；对置双活塞的其中一活塞连接传输管。作为优选，传输管的端部设有活塞腔，对置双活塞的其中一活塞活动连接在所述活塞腔内。
对置双活塞的周期性运动在斯特林脉管低温制冷机的传输管一端产生压力波，回热器中的气体工质在压力波的作用下经回热器热端换热器、回热器和冷端换热器后进入脉管。脉管气体工质在压力波的作用下，在冷端换热器一侧膨胀吸热，推挤脉管内气体向脉管热端换热器移动，使之压缩升温，在脉管热端换热器放热。
作为优选，低温制冷机包括依次设置的压缩腔、膨胀腔、冷端换热器、回热器和水冷器；压缩腔和膨胀腔通过一推移活塞隔离。作为优选，压缩腔连接有一活塞腔，对置双活塞的其中一活塞活动连接在所述活塞腔内。作为优选，推移活塞通过一弹性气腔推动，弹性气腔内设有推移弹簧和连接推移弹簧和推移活塞的连杆。
对置双活塞的周期性运动产生的压力波与弹性气腔、推移活塞弹簧共同作用，驱动斯特林低温制冷机工作。开始时推移活塞在上死点，对置双活塞从向右侧移动至右死点，压缩腔加压，气体工质向水冷器放热；之后推移活塞在弹性气腔和推移活塞弹簧的作用下向下运动至下死点，压缩腔的气体在高压下被驱赶进入回热器后到膨胀腔内，热气体在回热器中放热降温；然后对置双活塞向左移动，此时膨胀腔内的压力降低，膨胀腔内的气体从冷端换热器吸热；最后，推移活塞向上运动至上死点，膨胀腔内的气体被驱赶，经过回热器吸热后进入压缩腔中，系统回到初始状态。
作为优选，燃烧室设有用于投放燃料和助燃剂的进气阀、用于引燃的火花塞以及排气阀。燃料气和助燃气从进气阀进入自由活塞发动机的燃烧室中，经过火花塞引燃做功推动对置双活塞运动，排气通过排气阀排出。
作为优选，对置双活塞的两端均设有用于活塞复位的复位弹簧。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
相对于常规的电驱动低温制冷机，本发明提出的自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机可直接采用燃料气驱动，使得低温制冷机可脱离电网使用。在偏远地区如油田气田等地，可以因地制宜利用燃料气驱动本发明提出的低温制冷装置，对燃料气进行低温液化处理，便于后续储存与运输。
附图说明
图1为本发明实施例1中自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机的结构示意图；
图2为本发明实施例2中自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机的结构示意图；
图3为本发明实施例3中自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
实施例1
参见图1，本实施例的自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机为行波热声低温制冷剂，包括：进气阀1、火花塞2、排气阀3、燃烧室4、对置双活塞5、回复弹簧6、谐振管7、副冷却器8、热缓冲管9、冷端换热器10、回热器11、主冷却器12。燃料气和助燃气从进气阀1进入自由活塞发动机的燃烧室4中，经过火花塞2引燃做功推动对置双活塞5运动，排气通过排气阀3排出。对置双活塞5的周期性运动在行波热声低温制冷机的谐振管7一端产生压力波，回热器11中的气体工质在压力波的作用下从冷端换热器10侧吸取热量，向主冷却器12排放热量。
实施例2
参见图2，本实施例的自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机为斯特林脉管低温制冷机，包括：进气阀1、火花塞2、排气阀3、燃烧室4、对置双活塞5、回复弹簧6、传输管13、回热器热端换热器14、回热器11、冷端换热器10、脉管15、脉管热端换热器16、惯性管17、气库18。燃料气和助燃气从进气阀1进入自由活塞发动机的燃烧室4中，经过火花塞2引燃做功推动对置双活塞5运动，排气通过排气阀3排出。对置双活塞5的周期性运动在斯特林脉管低温制冷机的传输管一端产生压力波，回热器11中的气体工质在压力波的作用下经回热器热端换热器14、回热器11和冷端换热器10后进入脉管15。脉管气体工质在压力波的作用下，在冷端换热器10一侧膨胀吸热，推挤脉管15内气体向脉管热端换热器16移动，使之压缩升温，在脉管热端换热器16放热。
实施例3
参见图3，本实施例的自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机为斯特林低温制冷机，包括：进气阀1、火花塞2、排气阀3、燃烧室4、对置双活塞5、回复弹簧6、压缩腔19、推移活塞20、膨胀腔21、冷端换热器10、回热器11、水冷器22、连杆23、弹性气腔24、推移活塞弹簧25。燃料气和助燃气从进气阀1进入自由活塞发动机的燃烧室4中，经过火花塞2引燃做功推动对置双活塞运动，排气通过排气阀3排出。对置双活塞5的周期性运动产生的压力波与弹性气腔24、推移活塞弹簧25共同作用，驱动斯特林低温制冷机工作。开始时推移活塞20在上死点，对置双活塞5从向右侧移动至右死点，压缩腔加压，气体工质向水冷器22放热；之后推移活塞20在弹性气腔24和推移活塞弹簧25的作用下向下运动至下死点，压缩腔19的气体在高压下被驱赶进入回热器11后到膨胀腔21内，热气体在回热器11中放热降温；然后对置双活塞5向左移动，此时膨胀腔21内的压力降低，膨胀腔21内的气体从冷端换热器10吸热；最后，推移活塞20向上运动至上死点，膨胀腔21内的气体被驱赶，经过回热器11吸热后进入压缩腔19中，系统回到初始状态。

Claims (9)

1.一种自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机，包括自由活塞发动机和低温制冷机，其特征在于，所述自由活塞发动机和所述低温制冷机之间设有对置双活塞；所述对置双活塞的一端活动连接在所述自由活塞发动机的燃烧室内，另一端活动连接至所述低温制冷机。
2.根据权利要求1所述的自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机，其特征在于，所述的低温制冷机包括谐振管和连通在所述谐振管一端的环形管，所述环形管内一次设有副冷却器、热缓冲器、冷端换热器、回热器和主冷却器；所述的对置双活塞的其中一活塞活动连接在所述谐振管的另一端。
3.根据权利要求1所述的自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机，其特征在于，所述的低温制冷机包括依次设置的传输管、回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器、惯性管和气库；所述的对置双活塞的其中一活塞连接所述传输管。
4.根据权利要求3所述的自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机，其特征在于，所述的传输管的端部设有活塞腔，所述的对置双活塞的其中一活塞活动连接在所述活塞腔内。
5.根据权利要求1所述的自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机，其特征在于，所述的低温制冷机包括依次设置的压缩腔、膨胀腔、冷端换热器、回热器和水冷器；所述压缩腔和所述膨胀腔通过一推移活塞隔离。
6.根据权利要求5所述的自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机，其特征在于，所述的压缩腔连接有一活塞腔，所述的对置双活塞的其中一活塞活动连接在所述活塞腔内。
7.根据权利要求5所述的自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机，其特征在于，所述的推移活塞通过一弹性气腔推动，所述弹性气腔内设有推移弹簧和连接所述推移弹簧和所述推移活塞的连杆。
8.根据权利要求1所述的自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机，其特征在于，所述的燃烧室设有用于投放燃料和助燃剂的进气阀、用于引燃的火花塞以及排气阀。
9.根据权利要求1所述的自由活塞发动机直接驱动的低温制冷机，其特征在于，所述的对置双活塞的两端均设有用于活塞复位的复位弹簧。
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