CN214536906U - 热驱动斯特林制冷系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种热驱动斯特林制冷系统，包括：发动机、制冷机和耦合装置，耦合装置的两端分别与发动机和制冷机连接，耦合装置包括：气缸，气缸的两端分别与发动机和制冷机连接；第一调相活塞组件和第二调相活塞组件，设置在气缸内，并能够在气缸内往复运动；其中，第一调相活塞组件、第二调相活塞组件与气缸之间形成密封腔体，密封腔体内的气体能够将第一调相活塞组件的机械能传递给第二调相活塞组件。本实用新型提供的热驱动斯特林制冷系统，通过设置第一调相活塞组件和第二调相活塞组件对发动机和制冷机进行耦合，增大了耦合装置的调相范围，提高了斯特林制冷系统的性能，降低了斯特林制冷系统对参数变化的敏感性，使其能够高效稳定运行。

Description

热驱动斯特林制冷系统

技术领域

本实用新型涉及制冷机技术领域，尤其涉及一种热驱动斯特林制冷系统。

背景技术

斯特林热机是一种高效可靠、结构紧凑的能量转换装置，广泛应用于太阳能发电、超导等领域。其中，斯特林发动机将热能转化为机械能，斯特林制冷机则是以消耗机械能为代价进行热量搬运。由此，可以采用斯特林发动机来驱动斯特林制冷机，从而形成了一种热驱动斯特林制冷系统。

传统的热驱动斯特林制冷系统，一端为斯特林发动机，另一端为斯特林制冷机，中间为用来耦合发动机和制冷机的谐振活塞。斯特林发动机中的高温端换热器被加热后，回热器内部将存在一定的温度梯度，系统会产生自激振荡，进而将热能转换为声功，发动机中产生的声功通过谐振活塞的往复运动传递到斯特林制冷机中，之后大部分声功在制冷机回热器中被消耗，从而将热量从低温端换热器搬运到室温端换热器，以达到制冷效果。

现有的热驱动斯特林制冷系统采用谐振活塞进行耦合，通过谐振活塞的往复运动，将发动机侧的压力波动及产生的声功传递到制冷机侧。通过调节谐振活塞发动机侧与制冷机侧的面积、活塞质量、弹簧刚度来使发动机和制冷机获得理想的声场匹配。由于谐振活塞的发动机侧端面和制冷机侧端面固定连接在一起，所以两个端面的体积流是同相位且固定的，并且扫气量的大小也无法改变，因此一旦设计确定，系统的工况将不能随意改变。当加热温度、制冷温度、平均压力等发生微小变化时，谐振活塞的位移会发生较大变化，且难以控制，甚至会超过许用行程，从而使得整个系统难以稳定运行。

实用新型内容

本实用新型提供一种热驱动斯特林制冷系统，用以解决现有技术中斯特林制冷系统运行不稳定的缺陷。

本实用新型提供一种热驱动斯特林制冷系统，包括：发动机、制冷机和耦合装置，所述耦合装置的两端分别与所述发动机和所述制冷机连接，所述耦合装置包括：气缸，所述气缸的两端分别与所述发动机和所述制冷机连接；第一调相活塞组件和第二调相活塞组件，设置在所述气缸内，并能够在所述气缸内往复运动；其中，所述第一调相活塞组件、所述第二调相活塞组件与所述气缸之间形成密封腔体，所述密封腔体内的气体能够将所述第一调相活塞组件的机械能传递给所述第二调相活塞组件。

根据本实用新型提供的一种热驱动斯特林制冷系统，所述第一调相活塞组件包括：第一调相活塞和与所述第一调相活塞连接的第一弹性件；所述第二调相活塞组件包括：第二调相活塞和与所述第二调相活塞连接的第二弹性件；其中，所述第一调相活塞和所述第二调相活塞在压力和所述第一弹性件以及所述第二弹性件的作用下能够往复运动。

根据本实用新型提供的一种热驱动斯特林制冷系统，所述第一调相活塞和所述第二调相活塞的的截面积不同，其中，所述截面积为所述第一调相活塞和所述第二调相活塞与其运动方向相垂直的截面的面积。

根据本实用新型提供的一种热驱动斯特林制冷系统，所述第一调相活塞相对设置的两个端面的面积不同，所述第二调相活塞相对设置的两个端面的面积不同，其中，相对设置的两个所述端面中的一个端面连接有所述第一弹性件或所述第二弹性件。

根据本实用新型提供的一种热驱动斯特林制冷系统，还包括第三弹性件，所述第三弹性件的两端分别与所述第一调相活塞和所述第二调相活塞连接。

根据本实用新型提供的一种热驱动斯特林制冷系统，所述第一弹性件和所述第二弹性件为机械弹簧。

根据本实用新型提供的一种热驱动斯特林制冷系统，所述第一弹性件和所述第二弹性件为磁力弹簧。

根据本实用新型提供的一种热驱动斯特林制冷系统，还包括声电转换装置，所述声电转换装置与所述第一调相活塞或所述第二调相活塞连接。

根据本实用新型提供的一种热驱动斯特林制冷系统，所述发动机包括：发动机气缸，与所述气缸连接；依次连接的环状高温端换热器、环状第一回热器和环状第一室温端换热器，设置在所述发动机气缸内；发动机弹簧，设置在所述第一室温端换热器内，并与所述第一室温端换热器连接，所述发动机弹簧临近所述第一调相活塞组件设置；发动机排出器，设置在所述发动机气缸内，且所述发动机排出器的一端与所述发动机弹簧连接。

根据本实用新型提供的一种热驱动斯特林制冷系统，所述制冷机包括：制冷机气缸，与所述气缸连接；依次连接的环状低温端换热器、环状第二回热器和环状第二室温端换热器，设置在所述制冷机气缸内；制冷机弹簧，设置在所述第二室温端换热器内，并与所述第二室温端换热器连接，所述制冷机弹簧临近所述第二调相活塞组件设置；制冷机排出器，设置在所述制冷机气缸内，且所述制冷机排出器的一端与所述制冷机弹簧连接。

本实用新型提供的热驱动斯特林制冷系统，通过设置第一调相活塞组件和第二调相活塞组件对发动机和制冷机进行耦合，增大了耦合装置的调相范围，提高了斯特林制冷系统的性能，降低了斯特林制冷系统对参数变化的敏感性，使斯特林制冷系统在工作状况发生改变时能够高效且相对稳定地运行。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是现有技术中热驱动斯特林制冷系统的示意图；

图2是本实用新型提供的热驱动斯特林制冷系统的示意图之一；

图3是本实用新型提供的热驱动斯特林制冷系统的示意图之二；

附图标记：

10：发动机； 11：高温端换热器； 12：第一回热器；

13：第一室温端换热器； 14：发动机弹簧； 15：发动机排出器；

20：制冷机； 21：低温端换热器； 22：第二回热器；

23：第二室温端换热器； 24：制冷机弹簧； 25：制冷机排出器；

30：谐振活塞； 40：耦合装置； 41：第一调相活塞；

42：第一弹性件； 43：第二调相活塞； 44：第二弹性件；

45：声电转换装置。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合图1至图3描述本实用新型的热驱动斯特林制冷系统。

如图1所示，传统的热驱动斯特林制冷系统包括发动机10、谐振装置和制冷机20。发动机10包括：发动机气缸、高温端换热器11、第一回热器12、第一室温端换热器13、发动机弹簧14和发动机排出器15。具体来说，环状高温端换热器11、环状第一回热器12和环状第一室温端换热器13依次连接，并设置在发动机气缸内。发动机弹簧14设置在第一室温端换热器13，并与第一室温端换热器13连接，发动机排出器15设置在发动机气缸内，且发动机排出器15的一端与发动机弹簧14连接。

制冷机20包括：制冷机气缸、低温端换热器21、第二回热器22、第二室温端换热器23、制冷机弹簧24和制冷机排出器25。具体来说，环状低温端换热器21、环状第二回热器22和环状第二室温端换热器23依次连接，并设置在制冷机气缸内。制冷机弹簧24设置在第二室温端换热器23，并与第二室温端换热器23连接，制冷机排出器25设置在制冷机气缸内，且制冷机排出器25的一端与制冷机弹簧24连接。

谐振装置包括气缸和谐振活塞30，谐振活塞30设置在气缸内，气缸的两端分别与发动机气缸和制冷机气缸连接。

具体来说，热驱动斯特林制冷系统采用谐振活塞30进行耦合，通过谐振活塞30的往复运动，将发动机侧的压力波动及产生的声功传递到制冷机侧。通过调节谐振活塞30两侧的面积、谐振活塞30的质量、发动机弹簧14和制冷机弹簧24的刚度来使发动机10和制冷机20获得理想的声场匹配。由于谐振活塞30的发动机侧端面和制冷机侧端面固定连接在一起，所以两个端面的体积流是同相位且固定的，并且扫气量的大小也无法改变，因此一旦设计确定，系统的工况将不能随意改变。当加热温度、制冷温度、平均压力等发生微小变化时，谐振活塞30的位移会发生较大变化，且难以控制，甚至会超过许用行程，从而使得整个系统难以稳定运行。

根据热声理论，当斯特林发动机10的第一回热器12中压力和体积流率的相位差接近0°时，斯特林制冷系统能够实现理想的能量转换。由此，为使发动机10的第一回热器12达到理想相位，应将发动机10中的高温端换热器11和第一室温端换热器13，其中一个压力相位超前体积流率相位，另一个则是压力相位滞后于体积流率相位。同理，对于制冷机20也是如此。制冷机20中压力和体积流率的变化主要受发动机10和制冷机20二者之间的耦合装置40的影响，所以为使系统性能达到最优，应实现发动机10与制冷机20之间高效耦合。

如图2和图3所示，本实用新型实施例提供了一种热驱动斯特林制冷系统，包括：发动机10、制冷机20和耦合装置40。耦合装置40的两端分别与发动机10和制冷机20连接。其中，耦合装置40包括：气缸、第一调相活塞组件和第二调相活塞组件，气缸的两端分别与发动机气缸和制冷机气缸连接，第一调相活塞组件和第二调相活塞组件设置在气缸内，并能够在气缸内往复运动，第一调相活塞组件、第二调相活塞组件与气缸之间形成密封腔体，密封腔体内的气体能够将第一调相活塞组件的机械能传递给第二调相活塞组件。

具体来说，当发动机10的高温端换热器11和第一室温端换热器13被加热时，发动机10的第一回热器12中将存在温度梯度，斯特林制冷系统会产生自激振荡，从而将热量转化为声功，并产生一定的压力波动，第一调相活塞组件在压力与自身作用力的共同作用下开始进行往复运动。由于第一调相活塞组件的运动，气缸中也会产生压力波动。同样，压力与第二调相活塞组件的共同作用会驱使第二调相活塞组件进行往复运动，使得制冷机气缸内产生一定的压力波动，从而将发动机10中产生的声功传递到制冷机20中。第二回热器22消耗大部分声功用以将热量从第二室温端换热器23搬运到低温端换热器21中，进而实现制冷效果。

在本实施例中，发动机10与制冷机20之间采用了两个调相活塞组件设计，并且两个调相活塞组件之间不是固定连接在一起。两个调相活塞组件以及气缸之间密封有气体，该气体作为气体弹簧，与两个调相活塞组件共同作用，将两个调相活塞组件柔性连接在一起，这样第一调相活塞组件可以通过该气体弹簧向第二调相活塞组件传递声功。两个调相活塞组件的位移可以不相同，并且运动可存在一定的相位差，从而使得发动机侧的工作体积变化与制冷机侧工作体积变化并不仅仅局限于反相，而是可以存在一个合理的相位差，因而扩大了中间耦合装置40的调相范围，更容易使发动机10和制冷机20均获得理想的声场相位，从而提高了整个热驱动斯特林制冷系统的性能。

最为重要的是：当加热温度、制冷温度、平均压力发生变化或者实际工况偏离设计值时，两个调相活塞组件的位移和相位差可以对应地发生变化，使得两个调相活塞组件与发动机10和制冷机20之间达到新的能量平衡状态，从而稳定地工作，避免撞缸或停机状况的发生，相比于传统结构可以极大地降低系统的参数敏感性。

具体地，在本实用新型的一个实施例中，可选地，第一调相活塞组件和第二调相活塞组件可以为调相活塞和弹性件的结构。

本实用新型实施例提供的热驱动斯特林制冷系统，通过设置第一调相活塞组件和第二调相活塞组件对发动机和制冷机进行耦合，增大了耦合装置的调相范围，提高了斯特林制冷系统的性能，降低了斯特林制冷系统对参数变化的敏感性，使斯特林制冷系统在工作状况发生改变时能够高效且相对稳定地运行。

如图2和图3所示，在本实用新型的一个实施例中，第一调相活塞组件包括：第一调相活塞41和第一弹性件42，其中，第一弹性件42与第一调相活塞41连接；第二调相活塞组件包括：第二调相活塞43和第二弹性件44，其中，第二弹性件44与第二调相活塞43连接。

具体来说，第一调相活塞41和第二调相活塞43以及气缸之间密封有气体，该气体作为气体弹簧，将两个调相活塞柔性连接在一起，这样第一调相活塞41可以通过该气体弹簧向第二调相活塞43传递声功。由于第一调相活塞41和第二调相活塞43是通过气体弹簧柔性连接，两个调相活塞的位移可以不相同，并且运动可存在一定的相位差，从而使得发动机侧的工作体积变化与制冷机侧工作体积变化并不仅仅局限于反相，而是可以存在一个合理的相位差，因而扩大了中间耦合装置40的调相范围，更容易使发动机10和制冷机20均获得理想的声场相位，从而提高了整个热驱动斯特林制冷系统的性能。

需要说明的是：两个调相活塞的位置、大小、质量及与其相连的弹性件的刚度均可根据设计需要进行更改。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，第一调相活塞41和第二调相活塞43与其运动方向相垂直的截面，其截面积可以相等，也可以不相等，当其截面积不相等时，可获得更为理想的声场效果。更进一步地，第一调相活塞41两个端面的面积可以相等也可以不相等，第二调相活塞43两个端面的面积可以相等也不可以不相等，但当其两个端面的面积不相等时，可以获得更为理想的声场效果。需要说明的是：第一调相活塞41相对设置的两个端面中的一个端面连接有第一弹性件42，第二调相活塞43相对设置的两个端面中的一个端面连接有第二弹性件44。

可选地，如图2所示，在本实施例中，第一调相活塞41和第二调相活塞43与其运动方向相垂直的截面，其截面积不等，且第一调相活塞41和第二调相活塞43相对两个端面的面积也不相等。具体来说，第一调相活塞41和第二调相活塞43相对的端面分别形成有凹槽，第一弹性件42和第二弹性件44分别设置在该凹槽内。两个弹性件相对设置，可单独对每个调相活塞进行定位，以防止两个调相活塞漂移，降低系统的稳定性。在本实用新型的一个实施例中，可选地，第一弹性件42和第二弹性件44为机械弹簧。

可选地，如图3所示，在本实施例中，第一调相活塞41和第二调相活塞43与其运动方向相垂直的截面，其截面积不等，第一弹性件42与第一调相活塞41连接，第二弹性件44与第二调相活塞43连接。

进一步地，该第一弹性件42和第二弹性件44为磁力弹簧。

具体来说，第一调相活塞41和第二调相活塞43可利用第一弹性件42和第二弹性件44之间的相互吸引力来控制两个调相活塞在平衡位置附近运动，以降低系统对参数变化的敏感性。进一步地，磁力弹簧相较于机械弹簧具有更长的使用寿命。

可以理解的是：第一调相活塞41和第二调相活塞43可以为其他形状，而不局限于本实用新型实施例所列举的形状，同时，第一弹性件42和第二弹性件44分别与第一调相活塞41和第二调相活塞43的连接位置也可以为其他位置，仅需满足能够对调相活塞进行定位即可。

在本实用新型的一个实施例中，热驱动斯特林制冷系统还包括第三弹性件，第三弹性件的两端分别与第一调相活塞41和第二调相活塞43连接，以传递声功。进一步地，可选地，第三弹性件为机械弹簧。

如图3所示，在本实用新型的一个实施例中，热驱动斯特林制冷系统还包括声电转换装置45，声电转换装置45可以与第一调相活塞41连接，也可以与第二调相活塞43连接。在本实用新型的一个实施例中，可选地，声电转换装置45与第一调相活塞41连接。具体来说，声电转换装置45可将发动机10产生的一部分声功转化为电能，从而实现冷电联产或者冷热电联产。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种热驱动斯特林制冷系统，其特征在于，包括：发动机、制冷机和耦合装置，所述耦合装置的两端分别与所述发动机和所述制冷机连接，所述耦合装置包括：

气缸，所述气缸的两端分别与所述发动机和所述制冷机连接；

第一调相活塞组件和第二调相活塞组件，设置在所述气缸内，并能够在所述气缸内往复运动；

其中，所述第一调相活塞组件、所述第二调相活塞组件与所述气缸之间形成密封腔体，所述密封腔体内的气体能够将所述第一调相活塞组件的机械能传递给所述第二调相活塞组件。

2.根据权利要求1所述的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于，

所述第一调相活塞组件包括：第一调相活塞和与所述第一调相活塞连接的第一弹性件；

所述第二调相活塞组件包括：第二调相活塞和与所述第二调相活塞连接的第二弹性件；

其中，所述第一调相活塞和所述第二调相活塞在压力和所述第一弹性件以及所述第二弹性件的作用下能够往复运动。

3.根据权利要求2所述的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于，所述第一调相活塞和所述第二调相活塞的截面积不同，其中，所述截面积为所述第一调相活塞和所述第二调相活塞与其运动方向相垂直的截面的面积。

4.根据权利要求3所述的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于，所述第一调相活塞相对设置的两个端面的面积不同，所述第二调相活塞相对设置的两个端面的面积不同，其中，相对设置的两个所述端面中的一个端面连接有所述第一弹性件或所述第二弹性件。

5.根据权利要求2所述的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于，还包括第三弹性件，所述第三弹性件的两端分别与所述第一调相活塞和所述第二调相活塞连接。

6.根据权利要求5所述的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于，所述第一弹性件、所述第二弹性件和所述第三弹性件为机械弹簧。

7.根据权利要求2所述的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于，所述第一弹性件和所述第二弹性件为磁力弹簧。

8.根据权利要求7所述的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于，还包括声电转换装置，所述声电转换装置与所述第一调相活塞或所述第二调相活塞连接。

9.根据权利要求1所述的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于，所述发动机包括：

发动机气缸，与所述气缸连接；

依次连接的环状高温端换热器、环状第一回热器和环状第一室温端换热器，设置在所述发动机气缸内；

发动机弹簧，设置在所述第一室温端换热器内，并与所述第一室温端换热器连接，所述发动机弹簧临近所述第一调相活塞组件设置；

发动机排出器，设置在所述发动机气缸内，且所述发动机排出器的一端与所述发动机弹簧连接。

10.根据权利要求1所述的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于，所述制冷机包括：

制冷机气缸，与所述气缸连接；

依次连接的环状低温端换热器、环状第二回热器和环状第二室温端换热器，设置在所述制冷机气缸内；

制冷机弹簧，设置在所述第二室温端换热器内，并与所述第二室温端换热器连接，所述制冷机弹簧临近所述第二调相活塞组件设置；

制冷机排出器，设置在所述制冷机气缸内，且所述制冷机排出器的一端与所述制冷机弹簧连接。

Images