專利名稱：一種熱壓縮機系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱壓縮機系統，尤其涉及由直線電機驅動的熱壓縮機系統。
背景技術：
隨著我國的經濟發展和國際范圍內的能源緊張，節能減排和提高能源利用效率成 為了一項具有挑戰性的工作。在這一過程中，廢熱的回收和再利用有非常大的市場和意義。 發電廠、化工廠、鋼鐵廠等都有大量的廢熱產生，而最易獲得的太陽能一般也只提供較低的 熱源溫度。中國的空調每年的銷售量越過2000萬臺，其中絕大部分為電力驅動。由于越來 越多的空調機組投入使用，電力需求也越來越大。我國電能主要來自于化石燃料的燃燒，但隨著石油、天然氣、煤炭資源的日益短缺 和石油、天然氣、煤炭價格的逐漸上漲，使用煤炭、天然氣的火力發電站和燃燒石油資源的 傳統內燃機所引起的環境污染和能源使用不平衡等社會問題日漸突出。研究能以天然氣、 沼氣、生物質、太陽能以及工業過程中的廢熱等能源驅動發動機(壓縮機)的相關技術，對 于促進能源的綜合利用、改善當前使用單一的化石資源能源結構狀況和減少環境污染，具 有重要的意義。熱壓縮機技術就是具有這樣意義的一種動力機械。熱壓縮機技術源于斯特林(Stirling)發動機技術，它是通過氣體受熱膨脹、遇冷 壓縮而產生動力的。這種發動機是一種外燃發動機，使燃料連續地燃燒，蒸發的膨脹氫氣 (或氦)作為動力氣體使活塞運動，膨脹氣體在冷氣室冷卻，反復地進行這樣的循環過程。 新型的內燃機使用氫氣為工質，在封閉氣缸內充有一定容積的工質。氣缸一端為熱腔，另一 端為冷腔。工質在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫熱腔中迅速加熱，膨脹做功。燃料在氣缸 外的燃燒室內連續燃燒，通過加熱器傳給工質，工質不直接參與燃燒，也不需更換。因此， 外燃機避免了傳統內燃機的震爆做功問題，從而實現了高效率，低噪音、低污染和低運行成 本。另外，外燃機可以利用各種能源，例如液體、氣體、固體燃料，甚至余熱、太陽能、化學反 應能和放射性同位素能源，只要使熱腔能達到期望溫度，設備就可以正常工作。現有技術中的熱壓縮機常采用的是曲柄連桿機構驅動，系統的振動較大，并且結 構復雜。另外，傳統的熱壓縮機要求的啟動溫度較高。
發明內容
本發明的目的是提供一種啟動溫度低、振動噪音小，結構簡單的熱壓縮機系統。因此，本發明提供一種熱壓縮機系統，其包括熱壓縮機單元，該單元具有內部裝有 工質的氣缸，設置在所述氣缸內并將其隔離成熱氣缸和冷氣缸的活塞，加熱器，散熱器，回 熱器，輸出端以及使冷氣缸和熱氣缸流體連通的通路，其中，該熱壓縮機系統還包括直線電 機，該電機的主軸與所述活塞同軸布置，以驅動該活塞在該氣缸內往復運動，使工質在該熱 氣缸和該冷氣缸之間周期性循環流動。另外，直線電機具有行程限制器，活塞在氣缸內的往 復運動通過行程限制器的控制來實現。根據本發明，加熱器布置在該熱氣缸側，所述散熱器和輸出端設置在該冷氣缸側，并且回熱器布置在上述通路上。在本發明中，封閉在系統內的工質例如可選自氦氣、氮氣、氫氣、空氣及其混合物 中的任一種。當然，根據具體需求也可以選用其它合適的工質。封閉在熱壓縮機系統內的 工質不會發生泄漏，從而在系統內可以獲得很高的壓力。根據本發明的一個方面，所述通路為該氣缸的內壁和外壁之間的空腔，該空腔的 一端與所述熱氣缸流體連通，另一端與所述冷氣缸流體連通。回熱器設置該空腔內。當該 活塞在電機驅動下從熱氣缸移向冷氣缸時，工質從冷氣缸通過氣缸的內外壁之間的通路經 回熱器流向熱氣缸，從回熱器吸收一定的熱量并在熱氣缸內經加熱器加熱，使工質溫度升 高，從而導致系統內的壓力升高；而當活塞在電機驅動下從冷氣缸移向熱氣缸時，使工質從 熱氣缸經回熱器流向冷氣缸，工質經過回熱器時放出部分熱量，并在冷氣缸內通過散熱器 散熱，導致系統內工質的溫度降低并因此造成系統內的壓力下降。因此，由于直線電機驅動 下活塞的往復運動，在熱壓縮機系統內形成周期性的高低壓變化，從而可以利用壓力變化 帶動與輸出端相連接的負載例如脈沖管制冷系統。在本發明中，熱、冷氣缸之間流體連通，因此活塞的兩端只有很小的壓差，用小功 率的直線電機就能克服活塞在往復運動中的阻力。另外，由于活塞由直線電機帶動，因此該 熱壓縮機系統在較低的溫度下就能啟動。在這里，直線電機可以選自例如電磁振動直線電 機、復合次級直線電機和直線步進電機中的任何一種。可以理解，其它任何合適的直線電機 也是可行的。根據本發明的熱壓縮機系統依靠設置在熱氣缸外側的加熱器進行加熱來提供能 量。在這里加熱器可以使用例如液體燃料、氣體燃料、固體燃料、余熱、太陽能、化學反應能 和放射性同位素能源等中的任一種進行加熱。只要是能產生一定溫度的熱量，熱壓縮機機 就可以工作。在本發明中，散熱器為風冷式散熱器或水冷式散熱器。應當理解，根據不同的需 要，可以采用任何合適形式的散熱方式。為了提高系統性能，可在所述回熱器的外側設有絕熱層。另外，還可以在加熱器的 外側也設置絕熱材料層和/或防輻射層。根據本發明的熱壓縮機系統采用的是直線電機驅動，和采用曲柄連桿機構的一般 熱壓縮機相比，系統的結構簡單、振動噪音低、排放污染小、具有良好的環境特性；工質被封 閉在壓縮機內，不會發生泄露，活塞兩端存在的壓差很小，使活塞所需的驅動力小并且系統 內工作壓力可以很高。該熱壓縮機系統具有多種燃料的適應性、良好的環境特性和高的轉 換效率，能為空調溫區的熱驅動制冷系統提供動力，在需求壓力波動但幅度不大的系統內 也有重要的作用。
以下，結合附圖來詳細說明本發明的實施例，其中圖1示出了根據本發明的熱壓縮機系統的一個實施例的結構示意圖。
具體實施例方式圖1示出了本發明的直線電機驅動的熱壓縮機系統的一個實施例的結構示意圖，從圖中可以看出，總體用標記1表示的熱壓縮機系統由直線電機10和熱壓縮機單元耦合而成，其中該熱壓縮機單元包括內部封裝有工質的氣缸2、加熱器7和散熱器8，氣缸2內布置 有活塞3將其分隔成熱氣缸4和冷氣缸5，加熱器7和散熱器8分別布置在熱氣缸4側和冷 氣缸5側。氣缸2的內外壁之間為空腔2a，通過設置在氣缸內壁上的開孔，空腔2a構成使 熱氣缸4和冷氣缸5流體連通的通路。如圖所示，在冷氣缸5側還設有輸出端9，但可以理 解，輸出端9例如也可以設置在熱氣缸4側或者其它合適的位置。有利地是，在該空腔2a內還布置有回熱器6。本領域普通技術人員應該理解，熱氣 缸4和冷氣缸5之間的通路也可采用布置氣缸2外側的將它們流體連通的管道，這種情況 下回熱器6布置在管道之間，其兩端分別通過管道與熱氣缸4和冷氣缸5相連通。這里使 用的回熱器6是低溫制冷技術中常用到的一種裝置，其由具有高比熱容和低阻力系數的多 孔介質固體填料組成，填料可以是細金屬絲網例如不銹鋼、磷青銅等，小金屬球或顆粒以及 磁性材料等組成。在一個周期內，當工質從高溫熱氣缸4流向低溫冷氣缸5的過程中，高溫 工質的部分熱量儲存在回熱器6中，而當工質從低溫冷氣缸5流向高溫熱氣缸4時，低溫工 質從回熱器6吸收熱量，相當于對低溫工質進行預熱，因此，設置回熱器6減少了系統的加 熱量，從而起到提高能量利用效率的作用。在本發明中，熱壓縮機單元通過直線電機10驅動，直線電機10的主軸與活塞3同 軸布置，該配置使系統的結構簡單，振動小。另外，由于冷熱氣缸4，5流體連通，因此活塞3 兩端的壓差很小，使得直線電機10驅動活塞時，需要克服的阻力較小，因此只需要小功率 的直線電機即可。雖然該實施例中使用的直線電機例如為電磁振動直線電機，但復合次級 直線電機、直線步進電機以及其它任何合適的直線電機都是允許的。另外，直線電機10具 有行程限制器(未示出)，通過該行程限制器的控制，實現活塞在氣缸內的周期性往復運 動。該熱壓縮機系統1運行時，在直線電機10的驅動下，當活塞3從冷氣缸5向熱氣 缸4移動的過程中，工質從熱氣缸4經回熱器6流向冷氣缸5，高溫工質經過回熱器6時放 出部分熱量并儲存在該回熱器中，流到冷氣缸5中的工質通過散熱器8向外界環境散熱，使 工質的溫度降低，從而導致系統內的壓力下降；當活塞3從熱氣缸4向冷氣缸5移動的過程 中，工質從冷氣缸5經過回熱器6流向熱氣缸4，低溫工質從回熱器6中吸收熱量，流到熱氣 缸4中的工質通過加熱器7進行加熱，使工質的溫度升高，從而導致系統內的壓力升高。在 直線電機10帶動下活塞3的往復運動使氣缸2內的工質在冷熱氣缸間循環流動，在系統內 形成周期性的高低壓變化，從而利用這種高低壓差來驅動負載例如脈沖管制冷機(圖中未 示出)。為了更好地提高熱壓縮機系統的效率，在包圍住回熱器6氣缸壁部分的外側設有 絕熱層11，圖中的絕熱層僅為示意性畫法，本領域技術人員應當明白，絕熱層11可以呈涂 覆在該處氣缸外壁和/或絕熱材料涂層的形式，其它合適的絕熱方式也是允許的。可選地， 在加熱器7的外側也設有絕熱材料層和/或防輻射層，這里能更好地阻止加熱器的熱量散 發到外界環境中去，從而提高系統的能量利用效率。另外，在從回熱器6部分至熱氣缸4側 的加熱器7外部可以設有罩殼12。在本發明中，氣缸2封閉的工質可以為氣體例如氦氣、氮氣、氫氣、空氣及其混合 物中的任一種，應當理解根據具體應用可以選擇其它合適的工質。在該實施例中，所使用的散熱器8為是現有技術中常用的風冷式散熱器，而其它合適形式的散熱器如水冷式散熱器 也是可行的。 根據本發明的直線驅動的熱壓縮機系統1，和通常的外燃機一樣，其中加熱器7可 以使用液體燃料如柴油、汽油等，氣體燃料如天然氣、沼氣、氫氣和煤等，固體燃料，余熱例 如工業過程中的廢熱等，太陽能，化學反應能和放射性同位素能源中的任一種來驅動熱壓 縮機系統。上述實施例僅是對實施本發明的方式的示例性說明。本領域的普通技術人員應該 理解，在不超出后附權利要求書限定的精神和范圍內，可采用不同于上述本發明實施例的 各種方案。后附的權利要求書旨在用來限定本發明的保護范圍，并旨在用來涵蓋在權利要 求范圍內的方法和裝置及其等同物。
權利要求
一種熱壓縮機系統(1)，其包括熱壓縮機單元，該單元具有內部裝有工質的氣缸(2)、設置在所述氣缸(2)內并將其隔離成熱氣缸(4)和冷氣缸(5)的活塞(3)、加熱器(7)、散熱器(8)、回熱器(6)、輸出端(9)以及使所述冷氣缸(4)和所述熱氣缸(5)流體連通的通路，其特征在于，該熱壓縮機系統(1)還包括直線電機(10)，該電機的主軸與所述活塞(3)同軸布置，以驅動該活塞(3)在該氣缸(2)內往復運動，使工質在該熱氣缸(4)和該冷氣缸(5)之間周期性循環流動。
2.根據權利要求1所述的熱壓縮機系統，其特征在于，所述加熱器(7)布置在該熱氣缸 (4)側，所述散熱器⑶和該輸出端(9)設置在該冷氣缸(5)側，并且該回熱器(6)設在所 述通路上。
3.根據權利要求1所述的熱壓縮機系統，其特征在于，所述直線電電機(10)具有行程 限制器，用于控制所述活塞(3)在該氣缸(2)內的往復運動。
4.根據權利要求3所述的熱壓縮機系統，其特征在于，所述直線電機(10)為選自電磁 振動直線電機、復合次級直線電機和直線步進電機中的任一種。
5.根據權利要求1所述的熱壓縮機系統，其特征在于，所述通路為該氣缸(2)的內壁和 外壁之間的空腔(2a)，該空腔的兩端分別與所述熱氣缸(4)和所述冷氣缸(5)流體連通，所 述回熱器(6)設置該空腔(2a)內。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的熱壓縮機系統，其特征在于，在所述回熱器(6) 的外側設有絕熱層(U)。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的熱壓縮機系統，其特征在于，在所述加熱器的外 側采用絕熱材料層和/或防輻射層。
8.根據權利要求1至5中任一項所述的熱壓縮機系統，其特征在于，所述工質選自氦 氣、氮氣、氫氣、空氣及其混合物中的任一種。
9.根據權利要求1至5中任一項所述的熱壓縮機系統，其特征在于，所述加熱器(7)使 用液體燃料、氣體燃料、固體燃料、余熱、太陽能、化學反應能和放射性同位素能源中的任一 種進行加熱。
10.根據權利要求1至5中任一項所述的熱壓縮機系統，其特征在于，所述輸出端(9) 與脈管制冷機相連。
全文摘要
本發明提供一種熱壓縮機系統，其包括熱壓縮機單元，該單元具有內部裝有工質的氣缸(2)，設置在所述氣缸(2)內并將其隔離成熱氣缸(4)和冷氣缸(5)的活塞(3)，加熱器(7)，散熱器(8)，回熱器(6)，輸出端(9)以及使所述冷氣缸(4)和所述熱氣缸(5)流體連通的通路，其特征在于，該熱壓縮機系統(1)還包括直線電機(10)，該電機的主軸與所述活塞(3)同軸布置，以驅動該活塞(3)在該氣缸(2)內往復運動，使工質在該熱氣缸(4)和該冷氣缸(5)之間周期性循環流動。
文檔編號F04B39/00GK101839230SQ20091012940
公開日2010年9月22日 申請日期2009年3月18日 優先權日2009年3月18日
發明者呂君, 吳小華, 周遠, 楊魯偉 申請人:中國科學院理化技術研究所