一種熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱能動力系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體液化和再冷凝技術(shù)在氣體運(yùn)輸和儲存領(lǐng)域具有十分重要的意義，通過液化可獲得氣體體積的極大縮小，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長距離運(yùn)輸和長期儲存，是低溫技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中最為重要的應(yīng)用之一。對于部分可燃性氣體，如天然氣、煤層氣和頁巖氣等，通過燃燒一小部分氣體從而將剩余絕大部分氣體液化，是一種非常高效的工作模式，在礦井、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸和加氣站等場合具有廣闊的市場和發(fā)展前景。這一液化方式的常規(guī)技術(shù)路徑為先采用燃?xì)廨啓C(jī)和電機(jī)等發(fā)電設(shè)備將可燃性氣體的燃燒熱能轉(zhuǎn)化成電能，然后利用該電能帶動壓縮機(jī)和制冷機(jī)最終將氣體液化；這一液化模式固然可充分利用發(fā)電和氣體液化領(lǐng)域的成熟技術(shù)以獲得高效的液化率，但其缺點(diǎn)亦較為明顯:結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低、維護(hù)成本高等。
[0003]通過燃燒以液化氣體的另一條技術(shù)路徑是采用外燃回?zé)崾桨l(fā)動機(jī)驅(qū)動回?zé)崾街评錂C(jī)，由一臺設(shè)備實(shí)現(xiàn)燃燒熱能向低溫下制冷量的轉(zhuǎn)化。外燃回?zé)崾桨l(fā)動機(jī)將外部燃燒熱能轉(zhuǎn)化為內(nèi)部往復(fù)振蕩工質(zhì)的聲能，該聲能直接被回?zé)崾街评錂C(jī)利用而產(chǎn)生制冷效應(yīng)，轉(zhuǎn)化成低溫下的制冷量。相比常規(guī)技術(shù)路徑，這一液化模式僅用單一設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)氣體液化，省去了發(fā)電這一中間環(huán)節(jié)，因而具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和維護(hù)成本低等顯著優(yōu)勢。從20世紀(jì)80年代開始，研宄人員便開始了這一技術(shù)路徑的探索。典型的技術(shù)形式包括由熱聲發(fā)動機(jī)和熱聲制冷機(jī)耦合成的熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)(熱聲型)、由自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)和自由活塞斯特林制冷機(jī)耦合成的熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)(自由活塞型)。這類熱機(jī)內(nèi)部無機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、無油潤滑裝置，采用氦氣或者氮?dú)庾鳛楣べ|(zhì)，因而還具有綠色環(huán)保的突出特點(diǎn)。
[0004]圖1和圖2分別給出了熱聲型和自由活塞型熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。從圖1中可以看出，熱聲型熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)由熱聲發(fā)動機(jī)單元1、聲學(xué)諧振管3和熱聲制冷機(jī)單元2組成。熱聲發(fā)動機(jī)單元I和熱聲制冷機(jī)單元2均利用熱聲效應(yīng)而工作，其核心部件為熱聲轉(zhuǎn)換單元和聲學(xué)調(diào)相機(jī)構(gòu)，前者由回?zé)崞?3和換熱器(吸熱端換熱器14，放熱端換熱器12)組成，實(shí)現(xiàn)熱致聲或聲致冷效應(yīng)，后者則由聲學(xué)管道組成，實(shí)現(xiàn)前者的聲場相位。為保證高效運(yùn)行，發(fā)動機(jī)單元I采用基于可逆斯特林循環(huán)的行波熱聲發(fā)動機(jī)，制冷機(jī)單元2采用斯特林型脈沖管制冷機(jī)或可回收聲功的行波熱聲制冷機(jī)。熱聲型熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)由簡單的管道和換熱器組成，無任何機(jī)械運(yùn)動部件，因而具有熱效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和維護(hù)成本極低等突出優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)同樣不可忽視，聲學(xué)調(diào)相機(jī)構(gòu)和聲學(xué)諧振管利用往復(fù)振蕩氣體而工作，因而體積和重量大，功率密度低；環(huán)路聲學(xué)機(jī)構(gòu)引起的Gedeon聲直流需要引入其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行抑制，增加了額外損失和復(fù)雜度；熱聲發(fā)動機(jī)出口和熱聲制冷機(jī)入口處的聲場接近駐波聲場，致使聲學(xué)諧振管的聲功傳輸能力嚴(yán)重受制于管道面積，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功率密度。
[0005]從圖2中可以看出，自由活塞型熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)由自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)單元4、機(jī)械諧振單元6和自由活塞斯特林制冷機(jī)單元5組成。和熱聲型熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)相同，自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)單元4和自由活塞斯特林制冷機(jī)單元5均基于熱聲效應(yīng)而工作，其理論效率與卡諾效率相當(dāng)，亦屬于熱聲熱機(jī)范疇。不同的是，自由活塞斯特林熱機(jī)的調(diào)相功能由機(jī)械諧振單元和排出器系統(tǒng)這兩個機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)沒有熱緩沖管和相應(yīng)的射流損失，無需額外聲流抑制措施，無重力效應(yīng)。因而，其具有熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和功率密度高等突出優(yōu)點(diǎn)。然而，自由活塞型熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)包含三個機(jī)械運(yùn)動單元，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)體振動大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對以上兩種熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)各自存在的缺點(diǎn)，而提出的一種熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)，它不僅能充分利用自由活塞斯特林熱機(jī)熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和功率密度高的優(yōu)點(diǎn)，同時能充分利用聲學(xué)諧振管結(jié)構(gòu)簡單、振動小的優(yōu)點(diǎn)。該聲學(xué)諧振管不僅起著傳輸聲功的作用，而且還能有效耦合自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)和自由活塞斯特林制冷機(jī)，使兩者出口的聲場遠(yuǎn)離駐波聲場，提升聲學(xué)諧振管的功率密度。
[0007]本發(fā)明提供的熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)綜合了熱聲型和自由活塞型熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，采用聲學(xué)諧振管取代自由活塞型熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)的機(jī)械諧振單元，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低機(jī)體振動，可克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]本發(fā)明提供的熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)，其由自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)、自由活塞斯特林制冷機(jī)及聲學(xué)諧振管組成；其特征在于，所述聲學(xué)諧振管為一等徑或變徑管道，所述自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)動機(jī)缸體和所述自由活塞斯特林制冷機(jī)的制冷機(jī)缸體分別連接于所述聲學(xué)諧振管的兩側(cè)。
[0010]所述自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)與所述自由活塞斯特林制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)相同，二者均包括:
[0011]與所述聲學(xué)諧振管一側(cè)相連通的缸體；
[0012]固定于所述缸體內(nèi)近聲學(xué)諧振管側(cè)的固定底座；
[0013]依次裝于所述缸體內(nèi)壁上的環(huán)狀放熱端換熱器、環(huán)狀回?zé)崞骱铜h(huán)狀吸熱端換熱器，所述環(huán)狀放熱端換熱器與所述固定底座相連；
[0014]裝于環(huán)狀放熱端換熱器、環(huán)狀回?zé)崞骱铜h(huán)狀吸熱端換熱器構(gòu)成的空腔內(nèi)部的帶有平面支撐彈簧或氣體彈簧的排出器；
[0015]所述排出器通過平面支撐彈簧的中心與固定底座固定連接；或者采用氣體軸承支撐，并由氣體彈簧提供往復(fù)力；
[0016]所述排出器與缸體的內(nèi)頂端構(gòu)成膨脹腔；
[0017]所述排出器與所述固定底座之間的空腔形成所述壓縮腔；所述固定底座上設(shè)有通孔與放熱端換熱器相連通；所述膨脹腔與壓縮腔相連通，所述排出器在壓縮腔和膨脹腔之間往復(fù)振動。
[0018]所述吸熱端換熱器和放熱端換熱器為翅片式換熱器或管殼換熱器；所述吸熱端換熱器和放熱端換熱器的壁面材料為紫銅或鋁合金；所述吸熱端換熱器和放熱端換熱器的外側(cè)殼體材料為不銹鋼；所述回?zé)崞鲀?nèi)部填充不銹鋼絲網(wǎng)、不銹鋼纖維氈或者不銹鋼絲綿。
[0019]所述排出器為等徑的圓筒或?yàn)樽儚綀A錐筒，其材質(zhì)為不銹鋼或鋁合金。
[0020]所述的自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)、聲學(xué)諧振管和自由活塞斯特林制冷機(jī)三者采用同軸直線布置、L型布置或者U型布置。
[0021]所述的排出器與缸體內(nèi)壁之間設(shè)有密封件。
[0022]所述的吸熱端換熱器為板翅式結(jié)構(gòu)換熱器，管束式結(jié)構(gòu)換熱器或在吸熱換熱器外部增加換熱翅片。
[0023]所述的自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)和自由活塞斯特林制冷機(jī)均為兩個，且各自結(jié)構(gòu)相同，聲學(xué)諧振管為一個；兩個自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)對置布置，兩者的固定底座與聲學(xué)諧振管之間采用一個三通管相連通；兩個自由活塞斯特林制冷機(jī)對置布置，兩者的固定底座與聲學(xué)諧振管之間采用一個三通管相連通；兩個自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)和兩個自由活塞斯特林制冷機(jī)分別置于聲學(xué)諧振管的兩端。
[0024]所述熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)為兩個，該兩個熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)的自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)相對放置，并與兩個自由活塞斯特林制冷機(jī)沿同一軸線對稱布置；所述的兩個自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)的缸體相互連通，兩者共用一個膨脹腔。
[0025]所述的兩個對置布置的熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)的缸體剛性連接但膨脹腔不連通，兩個聲學(xué)諧振管之間采用一聲導(dǎo)管相連通，連接位置為聲學(xué)諧振管與自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)的結(jié)合處或聲學(xué)諧振管與自由活塞斯特林制冷機(jī)的結(jié)合處。
[0026]本發(fā)明提供的熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)，綜合了熱聲型熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)和自由活塞型熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)的各自優(yōu)點(diǎn)，采用聲學(xué)諧振管耦合一自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)和一自由活塞斯特林制冷機(jī)，使該熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)不僅具有熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和功率密度高的優(yōu)點(diǎn)，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、振動小和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0027]圖1是熱聲型熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是自由活塞型熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3是實(shí)施例1提供的熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)單機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖4是實(shí)施例2提供的熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)冷/熱頭對置式布置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖5是實(shí)施例3提供的熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)耦合對置式布置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖6是實(shí)施例4提供的熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)分置對置式布置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖7是實(shí)施例1提供的熱驅(qū)動低溫制冷機(jī)系統(tǒng)工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然