CN115388572B - 一种利用余热驱动的热声斯特林制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，包括壳体、直线电机、冷热转换装置、余热回收装置和冷量输出装置，直线电机包括电机活塞、设置于电机活塞上的永磁体和设置于电机活塞外周的硅钢片。冷热转换装置包括排出器以及围绕于排出器的外周并依次连接的制冷机冷端换热器、制冷机回热器、制冷机室温换热器、热缓冲管、加热器、发动机回热器和发动机室温换热器。由于热声斯特林制冷机只有一个排出器和一个电机活塞，相较于传统双效斯特林制冷机减少了运动部件，一方面简化了整机结构，整机更加紧凑；另一方面大大降低了机械振动，提高了整机的适用性和可靠性，可以有效克服传统热驱动斯特林热机多谐振子耦合的缺陷。

Description

一种利用余热驱动的热声斯特林制冷系统

技术领域

本发明涉及制冷设备领域，尤其涉及一种利用余热驱动的热声斯特林制冷系统。

背景技术

在公路运输领域，特别是大宗货物的运输，卡车是重要的货运工具，也是主要的耗能和污染来源。在现有的发动机技术中，用于动力输出的热量仅占燃料燃烧总热量的30％～40％。剩余的能量主要以两种形式散失，20％左右因发动机冷却水散失，30％～40％因高温废气的排放而散失。冷却水热量虽然能量值很高，但是品质较差；高温废气余热温度在400℃以上，是能量品位很高的热量，如果能进行有效利用，可以实现节能减排。在空调系统中，卡车采用的主要是蒸汽压缩式制冷循环，消耗燃料约占燃料消耗量的10％。这不仅增加了油耗，还可能会引起水箱过热，影响发动机性能。因此，回收利用废气余热，通过有效的转化方式进行制冷，可以有效减少燃料的消耗，达到节能减排的目的。

现有的利用尾气余热驱动的制冷技术研究主要有三种：1.吸收式制冷技术，2.喷射式制冷技术，3.热声斯特林技术；吸收式制冷技术是利用某些具有特殊性质的工质对，通过一种物质对另一种物质的吸收和释放，产生物质的状态变化，从而伴随吸热和放热过程。吸收式制冷技术多使用溴化锂/水作为工质对，溴化锂/水溶液在大气下对普通碳钢有很强的腐蚀性；同时，即便有微量空气漏入，也会严重地损害机组的性能，对密封的严格要求使得机器的制造和使用更加困难。此外，吸收式制冷设备的体积较大，较为笨重，不适合在空间紧凑的车辆上运用。同时，因其气液两相的工作特点，在颠簸路况运行的可靠性较差。喷射式制冷技术是以喷射器代替压缩机，以消耗热能作为补偿来实现制冷。喷射式制冷技术虽然运行可靠性高和使用寿命长，但对喷嘴加工精度要求高，不利于大规模普及；同时因制冷效率较低，制冷的效果不能满足需求。

热声斯特林技术是基于斯特林循环，利用热声效应，将热能转化为声波形式的机械能的热功转换技术。热声斯特林热机核心部件主要有高温换热器、回热器、低温换热器组成，辅助部件有排出器、热缓冲管等。在热声斯特林发动机中，高温换热器通常高于室温温度，低温换热器一般为室温温度，这样在回热器中产生温度梯度，当温度梯度达到一定值时，系统自激振荡，将高温热源的热量一部分转化为声波形式的机械能，另一部分通过处在室温温度的低温换热器传递给环境。在热声斯特林制冷机中，高温换热器通常为室温温度，低温换热器一般低于室温温度，回热器中的气体利用声波形式的机械能，将低温热源中的热量不断搬运到室温温度的高温换热器中，从而实现制冷功能。

传统的热驱动热声斯特林制冷机结构复杂，包括了三个运动部件：谐振活塞、发动机排出器和制冷机排出器。多个运动部件同时工作导致其振动较大，多谐振子耦合，使系统的可靠性降低。

发明内容

本发明提供一种利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，用以解决现有的热声斯特林制冷系统存在结构复杂和可靠性低的问题。

本发明提供一种利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，包括：

壳体，内部形成有空腔；

直线电机，设置于所述空腔内，所述直线电机包括电机活塞、设置于所述电机活塞上的永磁体和设置于所述电机活塞外周的硅钢片；

冷热转换装置，包括排出器以及围绕于所述排出器的外周并依次连接的制冷机冷端换热器、制冷机回热器、制冷机室温换热器、热缓冲管、发动机回热器和发动机室温换热器，所述发动机室温换热器靠近所述壳体的一端设置有与所述壳体连接的支撑件，所述支撑件靠近所述排出器的一端设置有与所述排出器连接的弹性件；

余热回收装置；

冷量输出装置，与所述制冷机冷端换热器连通形成回路。

根据本发明提供一种的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，所述余热回收装置包括气相管线、加热器、蒸发器和液相管线，所述蒸发器的出口通过所述气相管线与所述加热器的入口连通，所述蒸发器的入口通过所述液相管线与所述加热器的出口连通，所述加热器设置于所述热缓冲管与所述发动机回热器之间。

根据本发明提供一种的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，所述蒸发器的表面间隔设置有多个换热翅片。

根据本发明提供一种的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，所述冷量输出装置包括气泵和换热装置，所述气泵的出口与所述换热装置的第一出口共同连通驾驶室的进气口，所述气泵的入口与所述制冷机冷端换热器的出口连通，所述换热装置的第一入口与所述制冷机冷端换热器的入口共同连通所述驾驶室的出气口。

根据本发明提供一种的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，所述换热装置为逆流式换热器。

根据本发明提供一种的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，还包括水路循环装置，所述水路循环装置包括散热管、水泵和回路管，所述散热管的入口与所述发动机室温换热器的出口连通，所述散热管的出口与所述水泵的入口连通，所述水泵的出口与所述制冷机室温换热器的入口连通，所述制冷机室温换热器的出口通过所述回路管与所述发动机室温换热器的入口连通。

根据本发明提供一种的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，所述水路循环装置还包括风机，所述风机适于加速所述散热管表面的空气流动。

根据本发明提供一种的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，还包括控制装置，所述控制装置包括电源、脉冲发生器和开关，所述电源的一端与所述开关的第一端电连接，所述开关的第二端与所述脉冲发生器的第一端电连接，所述脉冲发生器的第二端与所述开关的第三端共同连接所述直线电机的第一端，所述电源的第二端与所述直线电机的第二端电连接。

根据本发明提供一种的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，所述开关为单刀双掷开关。

根据本发明提供一种的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，所述支撑件上间隔设置有多个通孔。

本发明提供的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，由于热声斯特林制冷机只有一个排出器和一个电机活塞，相较于传统双效斯特林制冷机减少了一个运动部件，一方面简化了整机结构，整机更加紧凑；另一方面大大降低了机械振动，提高了整机的适用性和可靠性，可以有效克服传统热驱动斯特林热机多谐振子耦合的缺陷。由于采用两相回路热管进行余热回收和整机能量输入，通过工质的两相变化进行热量的传递，大大克服了因固体、液体导热热阻的存在而带来的换热性能不佳、余热回收效果较差等缺陷，减少了能量损失。同时依靠重力循环，无需泵送，消除因机械部件运动带来的损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的热声斯特林制冷机的结构示意图；

图2是本发明提供的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统的结构示意图；

图3是本发明提供的余热回收装置的结构示意图；

图4是本发明提供的水路循环装置的结构示意图。

附图标记：

100、壳体；101、压缩腔；102、电机背腔；103、膨胀腔；110、电机活塞；111、永磁体；112、硅钢片；120、排出器；121、制冷机冷端换热器；122、制冷机回热器；123、制冷机室温换热器；124、热缓冲管；125、加热器；126、发动机回热器；127、发动机室温换热器；128、支撑件；129、弹性件；130、气相管线；131、蒸发器；132、液相管线；133、换热翅片；140、气泵；141、驾驶室；150、换热装置；160、散热管；161、水泵；162、回路管；163、风机；170、电源；171、脉冲发生器；172、开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图4描述本发明的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统。

图1示例了本发明提供的热声斯特林制冷机的结构示意图，图2示例了本发明提供的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统的结构示意图，如图1和图2所示，利用余热驱动的热声斯特林制冷系统包括壳体100、直线电机、冷热转换装置、余热回收装置和冷量输出装置，壳体100内部形成有空腔。直线电机设置于空腔内，直线电机包括电机活塞110、设置于电机活塞110上的永磁体111和设置于电机活塞110外周的硅钢片112，硅钢片112与壳体100连接。冷热转换装置包括排出器120以及围绕于排出器120的外周并依次连接的制冷机冷端换热器121、制冷机回热器122、制冷机室温换热器123、热缓冲管124、发动机回热器126和发动机室温换热器127，发动机室温换热器127靠近壳体100的一端设置有与壳体100连接的支撑件128，支撑件128靠近排出器120的一端设置有与排出器120连接的弹性件129，本实施例中弹性件129为板弹簧，弹性件129用于为排出器120往复运动提供弹力，冷量输出装置与制冷机冷端换热器121连通形成回路。

本发明提供的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，由于热声斯特林制冷机只有一个排出器120和一个电机活塞110，相较于传统双效斯特林制冷机减少了一个运动部件，一方面简化了整机结构，整机更加紧凑；另一方面大大降低了机械振动，提高了整机的适用性和可靠性，可以有效克服传统热驱动斯特林热机多谐振子耦合的缺陷。由于采用两相回路热管进行余热回收和整机能量输入，通过工质的两相变化进行热量的传递，大大克服了因固体、液体导热热阻的存在而带来的换热性能不佳、余热回收效果较差等缺陷，减少了能量损失。同时依靠重力循环，无需泵送，消除因机械部件运动带来的损失。

根据本发明的实施例，支撑件128上间隔设置有多个通孔，排出器120与电机活塞110之间形成压缩腔101，电机活塞110与壳体100之间形成电机背腔102，排出器120与制冷机冷端换热器121之间形成膨胀腔103。

根据本发明的实施例，图3示例了本发明提供的余热回收装置的结构示意图，如图3所示，余热回收装置包括气相管线130、加热器125、蒸发器131和液相管线132，蒸发器131的出口通过气相管线130与加热器125的入口连通，蒸发器131的入口通过液相管线132与加热器125的出口连通，加热器125设置于热缓冲管124与发动机回热器126之间。整个系统的能量输入是通过余热回收装置的分离型两相回路热管吸收废气热量传递给热声斯特林制冷机的加热器125实现。余热回收装置负责卡车尾气中的余热回收，将高温热量输入热声斯特林制冷机的加热器125。冷凝器(即向斯特林制冷机输入热量的加热器125)、液相管线132、气相管线130以及放置在余热取热通道中的蒸发器131构成了分离型热管，蒸发器131中的液相吸收来自余热管道中的热量，进而发生气化，通过气相管线130进入到冷凝器中，放出热量后液化，经液相管线132依靠重力流回到蒸发器131中。热管的冷凝器部分，也就是斯特林制冷机的加热器125，将能量输入到斯特林热机中，进行余热的利用。采用分离型两相回路热管，无需机械泵送，结构更加紧凑可靠；同时利用相变传热，内热阻很小，极大提高余热利用效率。

根据本发明的实施例，蒸发器131的表面间隔设置有多个换热翅片133，换热翅片133增大了蒸发器131的受热面积，提高了热交换效率。蒸发器131与尾气排气管连接，尾气将高温热量传递给换热翅片133，换热翅片133将热量传递给冷流体，蒸发器131中的冷流体被加热蒸发，成为气相。气相通过气相管线130进入加热器125，换热后发生相变从而液化，此时加热器125充当了两相回路热管中冷凝器的角色。液相由于重力作用，经过液相管线132回到热管中，沿热管壁流入蒸发器131的液相中。因为没有经过固体或液体导热，而是通过工质的相变(气化和液化)进行热量传递，极大减少了换热损失，提高了尾气热量利用效率。

根据本发明的实施例，冷量输出装置包括气泵140和换热装置150，气泵140的出口与换热装置150的第一出口共同连通驾驶室141的进气口，气泵140的入口与制冷机冷端换热器121的出口连通，换热装置150的第一入口与制冷机冷端换热器121的入口共同连通驾驶室141的出气口。冷量输出装置负责系统的冷量输出，冷量是由制冷机冷端换热器121输出，通过气泵140的作用，将被制冷机冷端换热器121冷却的空气与来自外部大气的新鲜空气混合，送入驾驶室141中。在驾驶室141完成换热后，热的空气一部分排入大气中，另一部分返回到制冷机冷端换热器121进行下一次的换热。此外，通常情况下外部大气温度要高于换热后的排气温度，所以在外部大气与从制冷机冷端换热器121出来的冷风混合之前，使其先通过换热装置150，将要排入大气的气体中的冷量进行回收，即对进入系统的空气进行预冷。

根据本发明的实施例，换热装置150为逆流式换热器，当然换热装置150的类型并不限定于此，还可以为其他类型的换热器。

根据本发明的实施例，图4示例了本发明提供的水路循环装置的结构示意图，如图4所示，利用余热驱动的热声斯特林制冷系统还包括水路循环装置，水路循环装置用于维持室温换热器的温度，水路循环装置包括散热管160、水泵161和回路管162，散热管160的入口与发动机室温换热器127的出口连通，散热管160的出口与水泵161的入口连通，水泵161的出口与制冷机室温换热器123的入口连通，制冷机室温换热器123的出口通过回路管162与发动机室温换热器127的入口连通。由于热声斯特林制冷机的发动机室温换热器127和制冷机室温换热器123需要维持在50℃左右。因此设置水路循环装置将发动机室温换热器127、制冷机室温换热器123、散热管160连接，通过水泵161完成循环，同时需要散热管160使回路水温维持在室温温度。水泵161使整个水路循环流动，散热管160通过弯管的形式增加换热面积。因此，经过制冷机室温换热器123、发动机室温换热器127后温度升高的循环水经过散热，可以维持在室温温度。

根据本发明的实施例，水路循环装置还包括风机163，风机163适于加速散热管160表面的空气流动，风机163通过强制对流的方式提高换热效率。

根据本发明的实施例，利用余热驱动的热声斯特林制冷系统还包括控制装置，控制装置包括电源170、脉冲发生器171和开关172，电源170的一端与开关172的第一端电连接，开关172的第二端与脉冲发生器171的第一端电连接，脉冲发生器171的第二端与开关172的第三端共同连接直线电机的第一端，电源170的第二端与直线电机的第二端电连接。本实施例中开关172为单刀双掷开关172，当然开关172的类型并不限定于此，开关172还可以为其他具有相同功能的开关172。本实施例中电源170为蓄电池，热声斯特林制冷机启动时，将s1开关闭合，脉冲发生器171和蓄电池共同接入电路，利用脉冲发生器171对热声斯特林制冷机进行激励，使其更容易克服静摩擦而起振。起振后，将s2开关闭合，即断开脉冲发生器171的连接，只将蓄电池接入电路，对电能进行存储，可供下次激励使用。通过直线电机和蓄电池等电路装置配合，既可以实现热声斯特林制冷机的启动激励，又可以存储电能，供下次激励使用。整个装置可以高效解决卡车余热利用和供冷问题，大幅减少燃料的消耗；同时，因斯特林热机的紧凑性，对于空间狭小的卡车等运输工具，适用性更好。

根据本发明的实施例，如图1和图2所示，利用余热驱动的热声斯特林制冷系统包括壳体100、直线电机、冷热转换装置、余热回收装置、冷量输出装置、水路循环装置和控制装置，壳体100内部形成有空腔。直线电机设置于空腔内，直线电机包括电机活塞110、设置于电机活塞110上的永磁体111和设置于电机活塞110外周的硅钢片112硅钢片112与壳体100连接。冷热转换装置包括排出器120以及围绕于排出器120的外周并依次连接的制冷机冷端换热器121、制冷机回热器122、制冷机室温换热器123、热缓冲管124、加热器125、发动机回热器126和发动机室温换热器127，发动机室温换热器127靠近壳体100的一端设置有与壳体100连接的支撑件128，支撑件128上间隔设置有多个通孔，支撑件128靠近排出器120的一端设置有与排出器120连接的弹性件129。

余热回收装置包括气相管线130、蒸发器131和液相管线132，蒸发器131的出口通过气相管线130与加热器125的入口连通，蒸发器131的入口通过液相管线132与加热器125的出口连通，蒸发器131的表面间隔设置有多个换热翅片133。

冷量输出装置包括气泵140和换热装置150，气泵140的出口与换热装置150的第一出口共同连通驾驶室141的进气口，气泵140的入口与制冷机冷端换热器121的出口连通，换热装置150的第一入口与制冷机冷端换热器121的入口共同连通驾驶室141的出气口，换热装置150为逆流式换热器。

水路循环装置包括散热管160、水泵161、回路管162和风机163，散热管160的入口与发动机室温换热器127的出口连通，散热管160的出口与水泵161的入口连通，水泵161的出口与制冷机室温换热器123的入口连通，制冷机室温换热器123的出口通过回路管162与发动机室温换热器127的入口连通，风机163适于加速散热管160表面的空气流动。

控制装置包括电源170、脉冲发生器171和开关172，电源170的一端与开关172的第一端电连接，开关172的第二端与脉冲发生器171的第一端电连接，脉冲发生器171的第二端与开关172的第三端共同连接直线电机的第一端，电源170的第二端与直线电机的第二端电连接，开关172为单刀双掷开关172。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，其特征在于，包括：

壳体，内部形成有空腔；

直线电机，设置于所述空腔内，所述直线电机包括电机活塞、设置于所述电机活塞上的永磁体和设置于所述电机活塞外周的硅钢片；

冷热转换装置，包括排出器以及围绕于所述排出器的外周并依次连接的制冷机冷端换热器、制冷机回热器、制冷机室温换热器、热缓冲管、发动机回热器和发动机室温换热器，所述发动机室温换热器靠近所述壳体的一端设置有与所述壳体连接的支撑件，所述支撑件靠近所述排出器的一端设置有与所述排出器连接的弹性件；

余热回收装置；

冷量输出装置，与所述制冷机冷端换热器连通形成回路；

所述余热回收装置包括气相管线、加热器、蒸发器和液相管线，所述蒸发器的出口通过所述气相管线与所述加热器的入口连通，所述蒸发器的入口通过所述液相管线与所述加热器的出口连通，所述加热器设置于所述热缓冲管与所述发动机回热器之间。

2.根据权利要求1所述的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，其特征在于，所述蒸发器的表面间隔设置有多个换热翅片。

3.根据权利要求1或2所述的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，其特征在于，所述冷量输出装置包括气泵和换热装置，所述气泵的出口与所述换热装置的第一出口共同连通驾驶室的进气口，所述气泵的入口与所述制冷机冷端换热器的出口连通，所述换热装置的第一入口与所述制冷机冷端换热器的入口共同连通所述驾驶室的出气口。

4.根据权利要求3所述的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，其特征在于，所述换热装置为逆流式换热器。

5.根据权利要求1或2所述的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，其特征在于，还包括水路循环装置，所述水路循环装置包括散热管、水泵和回路管，所述散热管的入口与所述发动机室温换热器的出口连通，所述散热管的出口与所述水泵的入口连通，所述水泵的出口与所述制冷机室温换热器的入口连通，所述制冷机室温换热器的出口通过所述回路管与所述发动机室温换热器的入口连通。

6.根据权利要求5所述的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，其特征在于，所述水路循环装置还包括风机，所述风机适于加速所述散热管表面的空气流动。

7.根据权利要求1或2所述的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置包括电源、脉冲发生器和开关，所述电源的一端与所述开关的第一端电连接，所述开关的第二端与所述脉冲发生器的第一端电连接，所述脉冲发生器的第二端与所述开关的第三端共同连接所述直线电机的第一端，所述电源的第二端与所述直线电机的第二端电连接。

8.根据权利要求7所述的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，其特征在于，所述开关为单刀双掷开关。

9.根据权利要求1或2所述的利用余热驱动的热声斯特林制冷系统，其特征在于，所述支撑件上间隔设置有多个通孔。