一种双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机/热泵系统

技术领域

本发明涉及制冷机/热泵领域，尤其涉及一种双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机/热泵系统。

背景技术

能源是人类生存、经济发展以及社会进步的重要物质基础。现如今，全球能源消费不断增长，传统的不可再生能源以及传统的低级能源消费方式已经不能满足人类文明日益增长的物质文化需要。因此，节能减排是我国更好进行现代化建设、经济发展的关键举措。鉴于此，现阶段一些可以利用低品位热源实现高效率运行的热驱动装置正在迅速发展。

1816年苏格兰人斯特林(O.R.Stirling)提出一个由两个等温过程与两个等容过程组成的热力循环的专利，称为斯特林循环。该循环最初用于热力发动机，系统中的工质在不同温位下被不断压缩和膨胀，最后输出功。而图1就是采用斯特林正循环的斯特林发动机结构示意图。

而后又通过斯特林逆循环产生了制冷效应，并将这种采用逆斯特林循环制冷的机器通常称为斯特林制冷机。而图2为单级斯特林循环制冷机的结构示意图。该斯特林制冷机主要由直线压缩机、制冷机排出器、制冷机冷端换热器、制冷机中温放热器和制冷机回热器组成。

斯特林制冷机采用往复运动的活塞产生压力波，没有流动损失，因此其效率非常高，结构也非常紧凑，是最早应用于空间制冷的主动式制冷机之一。斯特林制冷机存在的主要问题是振动较大、密封环的磨损及轴承的寿命较短。由于空间应用对寿命的要求比较高，斯特林制冷机的发展主要是围绕如何提高其运行寿命展开。

随后又开展了有关双效斯特林制冷机的研究。经典双效斯特林制冷机由自由活塞斯特林发动机、自由活塞斯特林制冷机和调相动质量组成，如图3所示，为传统的双效斯特林制冷机的结构示意图。斯特林发动机首先将热量转换为声功，通过中间调相动质量对声功的传递，进而驱动斯特林制冷机，实现热驱动制冷或泵热的目的，它具有结构紧凑、效率高、绿色环保的优点。但经典双效斯特林结构引入了调相动质量，由此带来了振动较大和可靠性降低等一系列问题，这些问题一定程度上限制了双效斯特林制冷机的发展和应用。图4则为另外一种热驱动制冷或泵热系统，它称为VM循环制冷机系统。VM制冷系统与图3的传统热驱动双效斯特林制冷有很多相似的部分，但它没有机械谐振子，因此VM系统中的压力波动主要由系统中高温腔、中温腔以及低温腔的温度确定，故发动机部分也称为热压缩机。VM制冷系统仅采用了热压缩，存在压比低，功率密度低的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服目前的双效斯特林制冷机和VM制冷系统存在的上述问题，提供一种新型的双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机/热泵系统，具有结构紧凑，机械运动部件少，压比高、功率密度高，能量利用效率高，可靠性较高，使用环保气体工质的优点；并可以采用低品位热源作为加热热源，热能利用效率较高。本发明提供的新型的双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机/热泵系统在余热空调制冷领域具有广阔的发展和应该前景。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机/热泵系统，所述系统包括：双效自由活塞式斯特林制冷机回路和往复运动谐振子1；所述双效自由活塞式斯特林制冷机回路包括：依次首尾相连的发动机中温放热器2、发动机回热器3、发动机加热器4、发动机热缓冲管5、制冷机中温放热器6、制冷机回热器7、制冷机冷端换热器8和制冷机排出器9；所述往复运动谐振子1与发动机中温放热器2和制冷机排出器9相联通。

作为上述系统的一种改进，所述发动机加热器4吸收的热量来源于低品位的加热热源，所述低品位的加热热源为工业余热、汽车尾气余热或太阳能。

作为上述系统的一种改进，所述系统中的气体工质为氦气、氩气、空气、氮气或它们的混合气体。

作为上述系统的一种改进，所述制冷机排出器9的冷端活塞与热端活塞的端面面积之比介于0.01-100之间，以便更好的调节系统内声场相位。

作为上述系统的一种改进，所述往复运动谐振子1采用对置的双谐振子结构。

一种双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机/热泵系统，所述系统包括：双效自由活塞式斯特林制冷机回路和往复运动谐振子1；所述双效自由活塞式斯特林制冷机回路设置成同轴结构，以制冷机排出器9为中轴，由上而下沿轴向依次布置有：发动机加热器4、发动机回热器3、发动机中温放热器2、发动机热缓冲管5、制冷机中温放热器6、制冷机回热器7和制冷机冷端换热器8；所述往复运动谐振子1与发动机中温放热器2和制冷机排出器9相联通。

作为上述系统的一种改进，所述发动机加热器4吸收的热量来源于低品位的加热热源，所述低品位的加热热源为工业余热、汽车尾气余热或太阳能。

作为上述系统的一种改进，所述系统中的气体工质为氦气、氩气、空气、氮气或它们的混合气体。

作为上述系统的一种改进，所述制冷机排出器9的冷端活塞与热端活塞的端面面积之比介于0.01-100之间，以便更好的调节系统内声场相位。

作为上述系统的一种改进，所述往复运动谐振子1采用对置的双谐振子结构。

本发明的双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机/热泵系统，其优点在于：

1、本发明的系统采用低品位热源作为加热热源，可以形成一种高效制冷的热利用方式，具有效率高的显著优点；

2、本发明的系统采用氦气、氩气、空气、氮气或它们的混合气体等环保气体工质，没有温室效应、环境友好型；

3、本发明的系统相比于经典双效斯特林制冷机的结构，减少了一个发动机中的自由活塞排出器机械运动部件，从而降低了系统的机械振动、提高了系统的可靠性与运行寿命；相比于VM循环制冷机系统而言，本发明的系统既有热压缩，也有机械压缩，因此可以实现更高的压比，从而具有更高的功率密度、更紧凑的结构和更少的材料消耗；

本发明的系统能够有效地解决了经典双效斯特林制冷技术和VM制冷技术面临的缺点，具有重大的节能减排效果和广阔的应用前景。

附图说明

图1是现有技术的自由活塞式斯特林发电机的结构示意图；

图2是现有技术的自由活塞式斯特林制冷机的结构示意图；

图3是现有技术的双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机的结构示意图；

图4是现有技术的VM循环系统的流程简图；

图5是本发明的实施例1的双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机/热泵系统的结构示意图；

图6是本发明的制冷机排出器的结构示意图；

图7是本发明的实施例2的双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机/热泵系统的结构示意图。

附图标记：

1、往复运动谐振子2、发动机中温放热器

3、发动机回热器4、发动机加热器

5、发动机热缓冲管6、制冷机中温放热器

7、制冷机回热器8、制冷机冷端换热器

9、制冷机排出器

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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做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。

本发明高效利用低品位热源驱动，采用双效自由活塞式斯特林循环制冷，与传统的VM制冷系统相比，它可以高频率运行，可以达到更高的工作压比，实现更高的功率密度和结构的紧凑化和加工制作的低成本；与传统的双效热驱动斯特林制冷系统相比，它减少了发动机中的排出器，其结构更为简单、加工制作难度降低、运转可靠性大幅提高，易于实现工业生产和实际应用。

实施例1

如图5所示，本发明的实施例1的一种双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机/热泵系统，包括：双效自由活塞式斯特林制冷机回路和往复运动谐振子1。所述双效自由活塞式斯特林制冷机回路包括：依次首尾相连的发动机中温放热器2、发动机回热器3、发动机加热器4、发动机热缓冲管5、制冷机中温放热器6、制冷机回热器7、制冷机冷端换热器8和制冷机排出器9；所述往复运动谐振子1与发动机中温放热器2和制冷机排出器9相联通，用于调节系统的共振频率和声场相位。

从发动机加热器4吸收的热量来源于低品位的加热热源，如工业余热、汽车尾气余热、太阳能等等，有利于利用一些低品位热源驱动以达到节能环保的目的。

所述双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机/热泵系统在工作时，气体工质经过发动机加热器4从加热热源吸收热量热源温度为200-500℃，一部分热量由气体工质经过发动机中温放热器2向系统外界放热中温源温度为30-60℃，而另外一部分的热量通过发动机回热器3直接转化为声功作用于制冷/热泵子系统，由气体工质通过制冷机冷端换热器8从低温热源吸收热产生制冷量达到制冷的作用，冷源温度为0-10℃，并通过制冷机中温放热器6向外界放热中温源温度为40-60℃，如此循环工作。

所述系统中的气体工质为氦气、氩气、空气、氮气或它们的混合气体等环保气体工质。

所述制冷机排出器9的结构示意图如图6所示，其冷端活塞与热端活塞的端面面积不同，冷端活塞与热端活塞的端面面积的比位于0.01-100范围，以便更好地调节系统内的声场相位。制冷机排出器9是个运动的部件，其运动受两端活塞所受的力和排出器的结构参数影响。活塞面积不同，增加了一个变量参数，排出器前后的声场相位变化范围更大。

所述双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机/热泵系统中可以采用对置的双谐振子结构或整体做成对置机构，以降低系统的振动和噪音。

实施例2：

为了更好地实现应用推广的目的，整机可以采取同轴的结构，将使得结构更加紧凑，可靠性有所提高。如图7所示，本实施例2的双效自由活塞式斯特林热驱动制冷机/热泵系统与实施例1系统中的组成部件相同，系统包括双效自由活塞式斯特林制冷机回路和往复运动谐振子1。实施2与实施例1的不同之处在于，所述双效自由活塞式斯特林制冷机回路设置成同轴结构，以制冷机排出器9为中轴，由下而上沿轴向依次布置有：发动机中温放热器2、发动机回热器3、发动机加热器4、发动机热缓冲管5、制冷机中温放热器6、制冷机回热器7和制冷机冷端换热器8；所述往复运动谐振子1与发动机中温放热器2和制冷机排出器9相联通。从而使结构更加紧凑。实施例2和实施例1的系统工作原理相同。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。