新型热驱动斯特林机制冷系统

未命名 08-09 阅读:160 评论:0


1.本发明涉及制冷技术领域,尤其涉及一种新型热驱动斯特林机制冷系统。


背景技术:

2.斯特林制冷机的经典循环过程由两个等温过程和两个等容过程组成。一个气缸两端装有两个对置活塞,在两个活塞中间设置一个回热器。回热器和活塞之间形成了两个空间,分别为膨胀腔和压缩腔。早期的斯特林制冷机由带曲柄连杆的旋转电机驱动,活塞与缸体之间采用非金属弹性环接触密封。密封导致的磨损和泄露等问题严重制约了制冷机的寿命,同时曲柄连杆机构产生较大的侧向力,产生较大的振动和噪声。此外,旋转电机线圈绝缘材料的放气和润滑油会污染工质气体,进一步降低了整机的可靠性。这些问题极大地限制了斯特林制冷机的进一步发展。


技术实现要素:

3.本发明实施例提供一种新型热驱动斯特林机制冷系统,用以解决现有技术中斯特林体积大且制冷、制热效率低的技术问题。
4.本发明实施例提供一种新型热驱动斯特林机制冷系统,包括:依次连接的至少一个发动机和至少一个制冷机构;
5.所述发动机内设有发动机谐振活塞,所述发动机谐振活塞的相对两侧为发动机膨胀腔和发动机压缩腔,所述发动机谐振活塞外周侧设有热交换组件,所述热交换组件包括依次连接的发动机高温换热器、发动机回热器以及发动机室温换热器,所述发动机室温换热器靠近所述发动机压缩腔一侧设置,所述发动机上设有连接管,所述连接管一端与所述发动机压缩腔连通;
6.所述制冷机构包括制冷机构谐振活塞,所述制冷机构谐振活塞的相对两侧为制冷机构膨胀腔和制冷机构压缩腔,所述连接管与所述制冷机构压缩腔连通,所述发动机用于将产生的声功经所述连接管输送至所述制冷机构以制热、制冷或制电。
7.根据本发明一个实施例的新型热驱动斯特林机制冷系统,所述制冷机构为制冷机,所述制冷机上设有制冷机谐振活塞,所述制冷机谐振活塞外周侧设有制冷单元,所述制冷机谐振活塞的相对两侧为制冷机膨胀腔和制冷机压缩腔,所述连接管与所述制冷机压缩腔连通。
8.根据本发明一个实施例的新型热驱动斯特林机制冷系统,所述制冷单元包括依次连接的制冷机低温换热器、制冷机回热器以及制冷机室温换热器,所述制冷机室温换热器靠近所述制冷机压缩腔一侧设置。
9.根据本发明一个实施例的新型热驱动斯特林机制冷系统,所述发动机和所述制冷机构的数量总数至少为三个,且依次连接;
10.所述发动机与其中一个所述制冷单元连接。
11.根据本发明一个实施例的新型热驱动斯特林机制冷系统,所述制冷机内还设有谐
振电机,所述谐振电机包括谐振电机动子以及设于所述谐振电机动子内侧的谐振电机内定子和设于所述谐振电机外侧的谐振电机外定子;
12.所述谐振电机动子与所述制冷机谐振活塞连接,用于在所述制冷机谐振活塞振动过程中切割磁感线发电。
13.根据本发明一个实施例的新型热驱动斯特林机制冷系统,所述制冷机构为热泵,所述热泵上设有热泵谐振活塞,所述热泵谐振活塞的外周侧设有制热单元,所述热泵谐振活塞的相对两侧为热泵膨胀腔和热泵压缩腔,所述连接管与所述热泵压缩腔连通。
14.根据本发明一个实施例的新型热驱动斯特林机制冷系统,所述制热单元包括依次连接的热泵室温换热器、热泵第一回热器以及热泵第一高温换热器,所述热泵高温换热器靠近所述热泵压缩腔依次设置;或者,
15.所述制热单元包括依次连接的热泵低温换热器、热泵第二回热器以及热泵第二高温换热器。
16.根据本发明一个实施例的新型热驱动斯特林机制冷系统,所述热泵内还设有谐振电机,所述谐振电机包括谐振电机动子以及设于所述谐振电机动子内侧的谐振电机内定子和设于所述谐振电机外侧的谐振电机外定子;
17.所述谐振电机动子与所述热泵谐振活塞连接,用于在所述热泵谐振活塞振动过程中切割磁感线发电。
18.根据本发明一个实施例的新型热驱动斯特林机制冷系统,所述发动机内侧设有谐振电机,所述谐振电机包括谐振电机动子以及设于所述谐振电机动子内侧的谐振电机内定子和设于所述谐振电机外侧的谐振电机外定子;
19.所述谐振电机动子与所述发动机谐振活塞连接,用于在所述发动机谐振活塞振动过程中切割磁感线发电。
20.根据本发明一个实施例的新型热驱动斯特林机制冷系统,所述发动机和所述制冷机构的数量为两组,且对称设置;
21.每一组中的所述发动机的所述发动机膨胀腔与另一组所述发动机的所述发动机膨胀腔连通,每一组中的所述制冷机构的所述制冷机构膨胀腔与另一组所述制冷机构的所述制冷机构膨胀腔连通。
22.本发明实施例提供的新型热驱动斯特林机制冷系统,将发动机谐振活塞设于热交换组件内部。自由谐振的方式无须隔离油蒸汽和工作循环气体的滑动密封同时消除了连杆等机械部件的运动摩擦损失,提高了系统的寿命和可靠性;固体谐振的方式代替了长长的谐振管,使得系统结构更加紧凑,功率密度高。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例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。
24.图1为本发明实施例的新型热驱动斯特林机制冷系统的结构示意图;
25.图2为图1所示的新型热驱动斯特林机制冷系统的另一实施例的结构示意图;
26.图3为图1所示的新型热驱动斯特林机制冷系统的第二实施例的结构示意图;
27.图4为图1所述的新型热驱动斯特林机制冷系统的第三实施例的结构示意图;
28.图5为图1所示的新型热驱动斯特林机制冷系统的第四实施例的结构示意图;
29.图6为图1所示的新型热驱动斯特林机制冷系统的第五实施例的结构示意图;
30.图7为图1所示的新型热驱动斯特林机制冷系统的第六实施例的结构示意图;
31.附图标记:
32.10、发动机;110、发动机谐振活塞;120、发动机膨胀腔;130、发动机压缩腔;140、热交换组件;1410、发动机高温换热器;1420、发动机回热器;1430、发动机室温换热器;150、连接管;160、板簧;
33.20、制冷机构;210、制冷机构谐振活塞;220、制冷机构膨胀腔;230、制冷机构压缩腔;
34.30、制冷机;310、制冷机谐振活塞;320、制冷单元;3210、制冷机低温换热器;3220、制冷机回热器;3230、制冷机室温换热器; 330、制冷机膨胀腔;340、制冷机压缩腔;
35.40、谐振电机;410、谐振电机动子;420、谐振电机内定子;430、谐振电机外定子;
36.50、热泵;510、热泵谐振活塞;520、制热单元;5210、热泵室温换热器;5220、热泵第一回热器;5230、热泵第一高温换热器;5240、热泵低温换热器;5250、热泵第二回热器;5260、热泵第二高温换热器;530、热泵膨胀腔;540、热泵压缩腔。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例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发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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,都属于本发明保护的范围。
38.以下结合图1至图7阐述本发明实施例的新型热驱动斯特林机制冷系统。
39.下面结合图1,本发明提供一种新型热驱动斯特林机制冷系统,包括:依次连接的至少一个发动机10和至少一个制冷机构20;发动机10内设有发动机谐振活塞110,发动机谐振活塞110的相对两侧为发动机膨胀腔120和发动机压缩腔130,发动机谐振活塞110外周侧设有热交换组件140,热交换组件140包括依次连接的发动机高温换热器1410、发动机回热器1420以及发动机室温换热器1430,发动机室温换热器1430靠近发动机压缩腔130一侧设置,发动机10上设有连接管150,连接管150一端与发动机压缩腔130连通;制冷机构20 包括制冷机构谐振活塞210,制冷机构谐振活塞210的相对两侧为制冷机构膨胀腔220和制冷机构压缩腔230,连接管150与制冷机构压缩腔230连通,发动机10用于将产生的声功经连接管150输送至制冷机构20以制热、制冷或制电。
40.需要说明的是,制冷机构谐振活塞210直接与谐振电机动子410 连接的结构,省去了电机活塞,使得系统结构更加紧凑,功率密度高。
41.请参照图3,在本发明的一些实施例中,制冷机构20为制冷机 30,制冷机30上设有制冷机谐振活塞310,制冷机谐振活塞310外周侧设有制冷单元320,制冷机谐振活塞310的相对两侧为制冷机膨胀腔330和制冷机压缩腔340,连接管150与制冷机压缩腔340连通。
42.具体地,本发明实施例采用三个发动机10和一个制冷机30 为例进行说明,但不对
此进行限定,发动机10的数量可以为一个、也可以为两个、四个或者五个等,在此不做限定。相邻之间的发动机 10通过连接管150连通,进而实现声功的叠加。制冷机30的数量也可以为多个,以实现多级制冷。为保证相位不发生问题,制冷机30 和发动机10一共的数量至少为3个,且该结构下的斯特林发动机,其压比、输出声功和热效率都得到了很大的提高。
43.对于制冷单元320,制冷单元320包括依次连接的制冷机低温换热器3210、制冷机回热器3220以及制冷机室温换热器3230,制冷机室温换热器3230靠近制冷机压缩腔340一侧设置。系统运行时,发动机高温换热器1410和发动机室温换热器1430之间产生温度梯度,且温度梯度超过阈值时,自激热声振荡开始,多个发动机10产生的声功被逐级传递并放大,最终传递到制冷机30以制冷。发动机谐振活塞110用于传递声功,并匹配两侧的声场和阻抗,通过调节内置板簧160的刚度以及活塞的质量,可以调节发动机谐振活塞110与系统运动的相位关系,进而提高系统运行的稳定性。
44.制冷单元320包括依次连接的制冷机低温换热器3210、制冷机回热器3220以及制冷机室温换热器3230,制冷机室温换热器3230 靠近制冷机压缩腔340一侧设置。也即制冷机室温换热器3230与外界连接,声功推动制冷机谐振活塞310振动,声功在制冷单元320内产生声制冷效应,制冷机室温换热器3230与外界连通,经制冷机回热器3220在制冷机低温换热器3210侧产生低温,低温用于冷却天然气、或者氮气等。
45.在本发明的一些实施例中,制冷机30内还设有谐振电机40,谐振电机40包括谐振电机动子410以及设于谐振电机动子410内侧的谐振电机内定子420和设于谐振电机40外侧的谐振电机外定子430;谐振电机动子410与制冷机谐振活塞310连接,用于在制冷机谐振活塞310振动过程中切割磁感线发电。需要说明的是,附图中的谐振电机40图示结构相同。通过发动机10实现冷电联产的功能,谐振电机40不仅可以输出电功,同时可以通过调节谐振电机40外电阻等参数,使得系统更好地实现声场和阻抗的匹配。
46.请参照图3和图4,在本发明的再一些实施例中,制冷机构20 为热泵50,热泵50上设有热泵谐振活塞510,热泵谐振活塞510的外周侧设有制热单元520,热泵谐振活塞510的相对两侧为热泵膨胀腔530和热泵压缩腔540,连接管150与热泵压缩腔540连通。也即通过发动机10还可以实现产热的功能。
47.请参照图3,具体地,制热单元520包括依次连接的热泵室温换热器5210、热泵第一回热器5220以及热泵第一高温换热器5230,热泵50高温换热器靠近热泵压缩腔540依次设置。声功作用于制热单元520产生声制热效应,热泵室温换热器5210与外界连接,通过热泵第一回热器5220在热泵第一高温换热器5230侧产生高温,可以用于制暖。
48.请参照图4,在本发明的再一些实施例中,制热单元520包括依次连接的热泵低温换热器5240、热泵第二回热器5250以及热泵第二高温换热器5260。也即,通过发动机10可以同时实现制冷、供热和发电的功能,实现冷、热、电联产,也即在热泵低温换热器5240产生冷量,在热泵第二高温换热器5260产生热量以供使用。
49.请参照图5,进一步地,热泵50内还设有谐振电机40,谐振电机40包括谐振电机动子410以及设于谐振电机动子410内侧的谐振电机内定子420和设于谐振电机40外侧的谐振电机外定子430;谐振电机动子410与热泵谐振活塞510连接,用于在热泵谐振活塞510 振动过程中切割磁感线发电。
50.也即,通过多个发动机10还可以实现热电联产,谐振电机40不仅可以输出电功,同
时可以通过调节电机外电阻等参数,使得系统更好地实现声场和阻抗的匹配。
51.请参照图6,在本发明的一些实施例中,发动机10内侧设有谐振电机40,谐振电机40包括谐振电机动子410以及设于谐振电机动子410内侧的谐振电机内定子420和设于谐振电机40外侧的谐振电机外定子430;谐振电机动子410与发动机谐振活塞110连接,用于在发动机谐振活塞110振动过程中切割磁感线发电。也即发动机10 在产生声功时同时利用谐振电机40产生电能,该电能可以用于系统需要用电的部件,或者也可以对外电场进行输送,在此不做限定。
52.请参照图7,在本发明的一些实施例中,发动机10和制冷机构 20的数量为两组,且将一组的发动机10和制冷机构20与另一组的发动机10和制冷机构20对置设置,如此同步运行的状态下,可以减小系统外部的机械振动。
53.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。

技术特征:
1.一种新型热驱动斯特林机制冷系统,其特征在于,包括:依次连接的至少一个发动机和至少一个制冷机构;所述发动机内设有发动机谐振活塞,所述发动机谐振活塞的相对两侧为发动机膨胀腔和发动机压缩腔,所述发动机谐振活塞外周侧设有热交换组件,所述热交换组件包括依次连接的发动机高温换热器、发动机回热器以及发动机室温换热器,所述发动机室温换热器靠近所述发动机压缩腔一侧设置,所述发动机上设有连接管,所述连接管一端与所述发动机压缩腔连通;所述制冷机构包括制冷机构谐振活塞,所述制冷机构谐振活塞的相对两侧为制冷机构膨胀腔和制冷机构压缩腔,所述连接管与所述制冷机构压缩腔连通,所述发动机用于将产生的声功经所述连接管输送至所述制冷机构以制热、制冷或制电。2.根据权利要求1所述的新型热驱动斯特林机制冷系统,其特征在于,所述制冷机构为制冷机,所述制冷机上设有制冷机谐振活塞,所述制冷机谐振活塞外周侧设有制冷单元,所述制冷机谐振活塞的相对两侧为制冷机膨胀腔和制冷机压缩腔,所述连接管与所述制冷机压缩腔连通。3.根据权利要求2所述的新型热驱动斯特林机制冷系统,其特征在于,所述制冷单元包括依次连接的制冷机低温换热器、制冷机回热器以及制冷机室温换热器,所述制冷机室温换热器靠近所述制冷机压缩腔一侧设置。4.根据权利要求3所述的新型热驱动斯特林机制冷系统,其特征在于,所述发动机和所述制冷机构的数量总数至少为三个,且依次连接;所述发动机与其中一个所述制冷单元连接。5.根据权利要求2所述的新型热驱动斯特林机制冷系统,其特征在于,所述制冷机内还设有谐振电机,所述谐振电机包括谐振电机动子以及设于所述谐振电机动子内侧的谐振电机内定子和设于所述谐振电机外侧的谐振电机外定子;所述谐振电机动子与所述制冷机谐振活塞连接,用于在所述制冷机谐振活塞振动过程中切割磁感线发电。6.根据权利要求1所述的新型热驱动斯特林机制冷系统,其特征在于,所述制冷机构为热泵,所述热泵上设有热泵谐振活塞,所述热泵谐振活塞的外周侧设有制热单元,所述热泵谐振活塞的相对两侧为热泵膨胀腔和热泵压缩腔,所述连接管与所述热泵压缩腔连通。7.根据权利要求6所述的新型热驱动斯特林机制冷系统,其特征在于,所述制热单元包括依次连接的热泵室温换热器、热泵第一回热器以及热泵第一高温换热器,所述热泵高温换热器靠近所述热泵压缩腔依次设置;或者,所述制热单元包括依次连接的热泵低温换热器、热泵第二回热器以及热泵第二高温换热器。8.根据权利要求6所述的新型热驱动斯特林机制冷系统,其特征在于,所述热泵内还设有谐振电机,所述谐振电机包括谐振电机动子以及设于所述谐振电机动子内侧的谐振电机内定子和设于所述谐振电机外侧的谐振电机外定子;所述谐振电机动子与所述热泵谐振活塞连接,用于在所述热泵谐振活塞振动过程中切割磁感线发电。9.根据权利要求1所述的新型热驱动斯特林机制冷系统,其特征在于,所述发动机内侧
设有谐振电机,所述谐振电机包括谐振电机动子以及设于所述谐振电机动子内侧的谐振电机内定子和设于所述谐振电机外侧的谐振电机外定子;所述谐振电机动子与所述发动机谐振活塞连接,用于在所述发动机谐振活塞振动过程中切割磁感线发电。10.根据权利要求1所述的新型热驱动斯特林机制冷系统,其特征在于,所述发动机和所述制冷机构的数量为两组,且对称设置;每一组中的所述发动机的所述发动机膨胀腔与另一组所述发动机的所述发动机膨胀腔连通,每一组中的所述制冷机构的所述制冷机构膨胀腔与另一组所述制冷机构的所述制冷机构膨胀腔连通。

技术总结
本发明涉及制冷技术领域,提供一种新型热驱动斯特林机制冷系统,包括:依次连接的至少一个发动机和至少一个制冷机构;发动机内设有发动机谐振活塞,发动机谐振活塞的相对两侧为发动机膨胀腔和发动机压缩腔,发动机谐振活塞外周侧设有热交换组件,热交换组件包括依次连接的发动机高温换热器、发动机回热器以及发动机室温换热器,发动机室温换热器靠近发动机压缩腔一侧设置,发动机上设有连接管,连接管一端与发动机压缩腔连通;制冷机构包括制冷机构谐振活塞,制冷机构谐振活塞的相对两侧为制冷机构膨胀腔和制冷机构压缩腔,连接管与制冷机构压缩腔连通,发动机用于将产生的声功经连接管输送至制冷机构以制热、制冷或制电。由此使得系统结构更加紧凑,功率密度更高。功率密度更高。功率密度更高。


技术研发人员:孙岩雷 罗二仓 常德鹏 胡剑英 罗靖 陈燕燕 张丽敏 余国瑶 吴张华
受保护的技术使用者:中国科学院理化技术研究所
技术研发日:2022.01.28
技术公布日:2023/8/8
版权声明

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