专利名称：一种油润滑的热驱动斯特林制冷系统的制作方法
技术领域：
本发明属于制冷与低温技术领域，具体地说是涉及一种油润滑的热驱动斯特林制冷系统。
背景技术：
斯特林发动机最初是由苏格兰人R.Stirling于1816年提出来的，如图1所示，它主要包括高温换热器4、回热器3、室温换热器2、两个活塞29和291、曲轮35。两个活塞通过一定的传动机构与曲轮连接在一起、并且两个活塞的运动具有一定的相位差，使工作气体通过回热器在室温换热器和高温换热器之间来回运动，将热能转换为以声波传输的机械能，维持活塞的运动，并通过曲轮向外输出。
斯特林制冷机的结构与特林发动机相似，只是将高温换热器4用冷端换热器19取代。工作时向曲轮35输入机械能，曲轮带动两个活塞29和291作一定相位的运动，让工作气体通过回热器3将冷端换热器19处的热量搬运到室温换热器2，产生制冷作用。
目前，斯特林发动机或斯特林制冷机存在的主要问题就是寿命比较短，加工难度大。因为换热器和回热器要与工作气体有较好的换热效果就必须不能有润滑油进入换热器，同时它们也不能有油，否则流动阻力就会大大增加，因此虽然对运动部件采用润滑油进行润滑是非常成熟的技术，但是斯特林发动机或制冷机内部不能采用润滑油进行润滑。所以发动机或制冷机中的位移器和圆筒壁之间主要采用干摩擦或是微间隙密封。但是采用干摩擦会使寿命降低或是材料要求很高，而采用微间隙密封则要求极高的加工工艺和装配工艺，因此使得斯特林的发动机或制冷机的使用受到了很大的限制。
另外，传统的斯特林制冷机工作时一般都需要输入机械功，这对于电力缺乏的场合非常不适用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的斯特林发动机或斯特林制冷机不能使用润滑油润滑运动部件，造成其寿命比较短，或是对材料和加工工艺要求高，而限制了其广泛地应用的缺陷；同时也为了克服输入机械功的斯特林制冷机对于电力缺乏的场合非常不适用的缺陷，从而提供一种能够对斯特林机采用润滑油进行润滑，同时又能够阻止润滑油进入回热器和换热器，且把斯特林发动机和斯特林制冷机相结合，用斯特林发动机驱动斯特林制冷机的油润滑的热驱动斯特林制冷系统。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供的油润滑的热驱动斯特林制冷系统，是采用斯特林发动机驱动斯特林制冷机，如图2所示，该系统主要包括一斯特林发动机、一斯特林制冷机、连接斯特林发动机和斯特林制冷机的功传递机构、以及一油润滑系统。
所述的斯特林发动机包括两端与曲轴箱1连接的环状的第一圆筒10，及位于其中的第一活塞5和第二活塞8，两个活塞5、8通过活塞环9与圆筒10的内壁进行密封，圆筒10内从活塞8开始沿逆时针方向依次安装第二弹性膜片23、第一室温换热器2、第一回热器3、高温换热器4、第一热缓冲腔6、第二室温换热器7、第一弹性膜片25；所述的斯特林制冷机包括两端与曲轴箱1连接的环状的第二圆筒22，及位于其中的第四活塞15和第三活塞16，两个活塞15、16通过活塞环9与圆筒22的内壁进行密封，圆筒22内从活塞15开始沿顺时针方向依次安装第四弹性膜片24、第三室温换热器17、第二回热器18、冷端换热器19、第二热缓冲腔20、第四室温换热器21、第三弹性膜片26；所述的连接斯特林发动机和斯特林制冷机的功传递机构包括一调相机构曲轮箱1，其通过连杆11、12、13、14分别和活塞8、5、16、15相连接，调节活塞的运动相位；所述的油润滑系统包括盛装在曲轮箱1内的润滑油；连通曲轮箱与各气缸间的连通管道31和安装在管道中的油泵30，润滑油可以对各个活塞、曲轮、连杆进行润滑。
所述的弹性膜为高弹性的有机材料或金属材料制得的膜片，所述的有机材料为氟橡胶、乳胶、天然橡胶等，所述的金属材料则为铍青铜、弹性不锈钢材料等，它们的厚度和直径的大小根据所在截面的体积流量和弹性材料的疲劳极限加以设计。通常，弹性膜的材料厚度在0.3～5mm之间，而其直径则根据其弹性膜的许用位移大于该截面处的气体运动位移。
所述的热缓冲腔是不锈钢、钛合金或者陶瓷等低热导率材料的薄壁空管子，其壁厚一般为管子临界承压厚度的1～3倍左右，通常在0.1mm～5mm之间。
所述的油泵为齿轮泵。
本发明提供的油润滑的热驱动斯特林制冷系统中的第二回热器18还可以进一步分为两部分，近冷端换热器19部分直径较小，远冷端换热器19部分直径较大，在二者的连接位置通过管子依次连接第三热缓冲腔27、第五室温换热器28，室温换热器28的另一端通过管道连入到第三弹性膜片26与第四室温换热器21之间的圆筒。
本发明提供的油润滑的热驱动斯特林制冷系统工作时是从高温换热器向系统输入热量，工作气体将热能转换为机械能推动活塞5和8运动，在通过连杆以及曲轴箱内的传动机构带动活塞15和16运动，15、16活塞成一定相位角的运动使制冷机内工作气体有规律的压缩膨胀，在冷端换热器处产生低温。
本发明的关键是使用了一种弹性膜片，能够阻止润滑油进入换热器和回热器，同时还能够保证声功在膜的两侧传输，这种膜片能够严格隔开其两侧的流动介质，同时又具有非常好的弹性。由于这些弹性膜片一般是在室温时才有较长的使用寿命，因此在本系统中在高温换热器或低温换热器和弹性膜片之间安装了室温换热器，以保证在使用时高温气体或者低温气体不和弹性膜片接触。另外，在高温换热器或低温换热器和室温换热器还有缓冲热腔，形成一个有温度梯度的热缓冲区，使得工作气体在交变流动时，不会把热量或者冷量带到室温换热器，造成能量损失。
活塞的扫气量对弹性膜片的工作有很大的影响，如果扫气量较大，弹性膜片的变形量也会较大，有的时候甚至会超出其弹性变形的范围，缩短其使用寿命。解决这一问题的办法就是，在安装弹性膜片的地方，扩大圆筒的直径。这样弹性膜片的有效变形面积就会增大，在同样的体积流量情况下，其变形量就会减小，从而起到对膜片的保护作用。此外，弹性膜片也可加工成各种波浪形状，以增加其位移量。
本发明提供的油润滑的热驱动斯特林制冷系统用斯特林发动机驱动斯特林制冷机，并用弹性膜片将活塞和换热器、回热器隔开，与现有技术相比，其优点在于所有运动部件可以采用润滑油进行润滑，但润滑油不会进入换热器和回热器，这使得整个系统的加工难度降低了，使用寿命延长了，同时工作性能有的到了保障；同时，由于润滑油降低了汽缸-活塞之间的摩擦损耗，因此，整个系统了效率还得到了提高；此外，使用热能作为能源，特别适合于电力缺乏热能充足的地方使用。
图1图1为传统的斯特林发动机(制冷机)结构示意图；图2为实施例1的油润滑的热驱动斯特林制冷系统的结构示意图；图3为实施例2的油润滑的热驱动斯特林制冷系统的结构示意图；其中1曲轮箱，2第一室温换热器，3第一回热器，4高温换热器，5第一活塞，6第一热缓冲腔，7第二室温换热器，8第二活塞，9活塞环，10第一圆筒，11第二连杆，12第一连杆，13第三连杆，14第四连杆，15第四活塞，16第三活塞，17第三室温换热器，18第二回热器，19冷端换热器，20第二热缓冲腔，21第四室温换热器，22第二圆筒，23第二弹性膜片，24第四弹性膜片，25第一弹性膜片，26第三弹性膜片，27第三热缓冲腔，28第五室温换热器，291活塞，29活塞，30油泵，31连通管道，35曲轮。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述实施例1本发明提供的油润滑的热驱动斯特林制冷系统，是采用斯特林发动机驱动斯特林制冷机，如图2所示，该系统主要包括一斯特林发动机、一斯特林制冷机、连接斯特林发动机和斯特林制冷机的功传递机构、以及一油润滑系统。
所述的斯特林发动机包括两端与曲轴箱1连接的环状的第一圆筒10，及位于其中的第一活塞5和第二活塞8，两个活塞5、8通过活塞环9与圆筒10的内壁进行密封，圆筒10内从活塞8开始沿逆时针方向依次安装第二弹性膜片23、第一室温换热器2、第一回热器3、高温换热器4、第一热缓冲腔6、第二室温换热器7、第一弹性膜片25；所述的斯特林制冷机包括两端与曲轴箱1连接的环状的第二圆筒22，及位于其中的第四活塞15和第三活塞16，两个活塞15、16通过活塞环9与圆筒22的内壁进行密封，圆筒22内从活塞15开始沿顺时针方向依次安装第四弹性膜片24、第三室温换热器17、第二回热器18、冷端换热器19、第二热缓冲腔20、第四室温换热器21、第三弹性膜片26；所述的连接斯特林发动机和斯特林制冷机的功传递机构包括一调相机构曲轮箱1，其通过第二连杆11、第一连杆12、第三连杆13、第四连杆14分别和活塞8、5、16、15相连接，调节活塞的运动相位；所述的油润滑系统包括盛装在曲轮箱1内的润滑油；连通曲轮箱与各气缸间的连通管道31和安装在管道中的齿轮泵30，润滑油可以对各个活塞、曲轮、连杆进行润滑。
所有的弹性膜片均采用1mm厚的硅胶薄膜，其直径的大小根据所在截面的体积流量和弹性材料的疲劳极限加以设计，并根据其弹性膜的许用位移大于该截面处的气体运动位移。
所述的热缓冲腔是不锈钢的薄壁空管子，其壁厚一般为管子临界承压厚度的1～3倍左右，通常在0.1mm～5mm之间。
系统工作时在加热器5处向系统输入热量，圆筒10内的工作气体将热能转为机械能，推动活塞5、8运动，在经过连杆11、12，曲轮箱及连杆13、14将能量传递给活塞15、16。活塞15和16的运动驱使圆筒22内工作气体将热量从低温换热器19搬运到室温换热器17，从而达到制冷的作用。
可以看到，曲轴箱内的润滑油能进入到活塞处，但是都被弹性膜片挡住了而不能进入换热器和回热器。而弹性膜片随工作气体的往复运动又不会阻碍压力波的传递，因此不会降低系统的工作性能。相反，由于润滑油降低汽缸-活塞之间摩擦损耗的降低，还会对整机系统的效率有所提高。
实施例2本实施例的结构如图3所示，本实施例的结构与实施例1的结构基本类似，工作原理也相同。但回热器18被分成了两部分，靠近室温换热器17的回热器部分直径比远离室温换热器17的回热器部分直径小，在二者的相接处依次连接了热缓冲腔27和室温换热器28，室温换热器28的另一端与室温换热器21和弹性膜片26之间的圆筒连通。这样的结构相对实施例1的结构通常能获得更低的制冷温度。
权利要求
1.一种油润滑的热驱动斯特林制冷系统，是采用斯特林发动机驱动斯特林制冷机，该系统主要包括一斯特林发动机、一斯特林制冷机、连接斯特林发动机和斯特林制冷机的功传递机构、以及一油润滑系统，其特征在于所述的斯特林发动机包括两端与曲轴箱(1)连接的环状的第一圆筒(10)，及位于其中的第一活塞(5)和第二活塞(8)，两个活塞(5)、(8)通过活塞环(9)与圆筒(10)的内壁进行密封，圆筒(10)内从活塞(8)开始沿逆时针方向依次安装第二弹性膜片(23)、第一室温换热器(2)、第一回热器(3)、高温换热器(4)、第一热缓冲腔(6)、第二室温换热器(7)、第一弹性膜片(25)；所述的斯特林制冷机包括两端与曲轴箱(1)连接的环状的第二圆筒(22)，及位于其中的第四活塞(15)和第三活塞(16)，两个活塞(15)、(16)通过活塞环(9)与圆筒(22)的内壁进行密封，圆筒(22)内从活塞(15)开始沿顺时针方向依次安装第四弹性膜片(24)、第三室温换热器(17)、第二回热器(18)、冷端换热器(19)、第二热缓冲腔(20)、第四室温换热器(21)、第三弹性膜片(26)；所述的连接斯特林发动机和斯特林制冷机的功传递机构包括一调相机构曲轮箱(1)，其通过连杆(11)、(12)、(13)、(14)分别和活塞(8)、(5)、(16)、(15)相连接，调节活塞的运动相位；所述的油润滑系统包括盛装在曲轮箱(1)内的润滑油；连通曲轮箱与各气缸间的连通管道(31)和安装在管道中的油泵(30)，润滑油可以对各个活塞、曲轮、连杆进行润滑。
2.如权利要求1所述的油润滑的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于所述的弹性膜为高弹性的有机材料或金属材料制得的膜片。
3.如权利要求1或2所述的油润滑的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于所述的弹性膜为氟橡胶、乳胶、或天然橡胶制得的膜片。
4.如权利要求1或2所述的油润滑的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于所述的弹性膜为铍青铜、或不锈钢材料制得的膜片。
5.如权利要求1所述的油润滑的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于所述的热缓冲腔为低热导率材料制得的薄壁空管子。
6.如权利要求5所述的油润滑的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于所述的热缓冲腔为不锈钢、钛合金、或者陶瓷制得的薄壁空管子。
7.如权利要求1所述的油润滑的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于所述的油泵为齿轮泵。
8.如权利要求1所述的油润滑的热驱动斯特林制冷系统，其特征在于所述的第二回热器(18)进一步分为两部分，近冷端换热器(19)部分直径较小，远冷端换热器(19)部分直径较大，在二者的连接位置通过管子依次连接第三热缓冲腔(27)、第五室温换热器(28)，室温换热器(28)的另一端通过管道连入到第三弹性膜片(26)与第四室温换热器(21)之间的圆筒。
全文摘要
本发明涉及一种油润滑的热驱动斯特林制冷系统。是采用斯特林发动机驱动斯特林制冷机，并用弹性膜片将活塞和换热器、回热器隔开，与现有技术相比，该系统中所有运动部件可以采用润滑油进行润滑，但润滑油不会进入换热器和回热器，这使得整个系统的加工难度降低了，使用寿命延长了，同时工作性能得到了保障；同时，由于润滑油降低了汽缸－活塞之间的摩擦损耗，因此，整个系统了效率还得到了提高；此外，使用热能作为能源，特别适合于电力缺乏热能充足的地方使用。
文档编号F25B9/14GK1670451SQ20051006834
公开日2005年9月21日 申请日期2005年5月8日 优先权日2005年5月8日
发明者罗二仓, 戴巍, 胡剑英, 吴剑峰 申请人:中国科学院理化技术研究所