专利名称：一种热压缩机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热压缩机系统，尤其涉及由直线电机驱动的热压缩机系统。
背景技术：
随着我国的经济发展和国际范围内的能源紧张，节能减排和提高能源利用效率成 为了一项具有挑战性的工作。在这一过程中，废热的回收和再利用有非常大的市场和意义。 发电厂、化工厂、钢铁厂等都有大量的废热产生，而最易获得的太阳能一般也只提供较低的 热源温度。中国的空调每年的销售量越过2000万台，其中绝大部分为电力驱动。由于越来 越多的空调机组投入使用，电力需求也越来越大。我国电能主要来自于化石燃料的燃烧，但随着石油、天然气、煤炭资源的日益短缺 和石油、天然气、煤炭价格的逐渐上涨，使用煤炭、天然气的火力发电站和燃烧石油资源的 传统内燃机所引起的环境污染和能源使用不平衡等社会问题日渐突出。研究能以天然气、 沼气、生物质、太阳能以及工业过程中的废热等能源驱动发动机(压缩机)的相关技术，对 于促进能源的综合利用、改善当前使用单一的化石资源能源结构状况和减少环境污染，具 有重要的意义。热压缩机技术就是具有这样意义的一种动力机械。热压缩机技术源于斯特林(Stirling)发动机技术，它是通过气体受热膨胀、遇冷 压缩而产生动力的。这种发动机是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气 (或氦)作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。 新型的内燃机使用氢气为工质，在封闭气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一 端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸 外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不需更换。因此， 外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率，低噪音、低污染和低运行成 本。另外，外燃机可以利用各种能源，例如液体、气体、固体燃料，甚至余热、太阳能、化学反 应能和放射性同位素能源，只要使热腔能达到期望温度，设备就可以正常工作。现有技术中的热压缩机常采用的是曲柄连杆机构驱动，系统的振动较大，并且结 构复杂。另外，传统的热压缩机要求的启动温度较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种启动温度低、振动噪音小，结构简单的热压缩机系统。因此，本发明提供一种热压缩机系统，其包括热压缩机单元，该单元具有内部装有 工质的气缸，设置在所述气缸内并将其隔离成热气缸和冷气缸的活塞，加热器，散热器，回 热器，输出端以及使冷气缸和热气缸流体连通的通路，其中，该热压缩机系统还包括直线电 机，该电机的主轴与所述活塞同轴布置，以驱动该活塞在该气缸内往复运动，使工质在该热 气缸和该冷气缸之间周期性循环流动。另外，直线电机具有行程限制器，活塞在气缸内的往 复运动通过行程限制器的控制来实现。根据本发明，加热器布置在该热气缸侧，所述散热器和输出端设置在该冷气缸侧，并且回热器布置在上述通路上。在本发明中，封闭在系统内的工质例如可选自氦气、氮气、氢气、空气及其混合物 中的任一种。当然，根据具体需求也可以选用其它合适的工质。封闭在热压缩机系统内的 工质不会发生泄漏，从而在系统内可以获得很高的压力。根据本发明的一个方面，所述通路为该气缸的内壁和外壁之间的空腔，该空腔的 一端与所述热气缸流体连通，另一端与所述冷气缸流体连通。回热器设置该空腔内。当该 活塞在电机驱动下从热气缸移向冷气缸时，工质从冷气缸通过气缸的内外壁之间的通路经 回热器流向热气缸，从回热器吸收一定的热量并在热气缸内经加热器加热，使工质温度升 高，从而导致系统内的压力升高；而当活塞在电机驱动下从冷气缸移向热气缸时，使工质从 热气缸经回热器流向冷气缸，工质经过回热器时放出部分热量，并在冷气缸内通过散热器 散热，导致系统内工质的温度降低并因此造成系统内的压力下降。因此，由于直线电机驱动 下活塞的往复运动，在热压缩机系统内形成周期性的高低压变化，从而可以利用压力变化 带动与输出端相连接的负载例如脉冲管制冷系统。在本发明中，热、冷气缸之间流体连通，因此活塞的两端只有很小的压差，用小功 率的直线电机就能克服活塞在往复运动中的阻力。另外，由于活塞由直线电机带动，因此该 热压缩机系统在较低的温度下就能启动。在这里，直线电机可以选自例如电磁振动直线电 机、复合次级直线电机和直线步进电机中的任何一种。可以理解，其它任何合适的直线电机 也是可行的。根据本发明的热压缩机系统依靠设置在热气缸外侧的加热器进行加热来提供能 量。在这里加热器可以使用例如液体燃料、气体燃料、固体燃料、余热、太阳能、化学反应能 和放射性同位素能源等中的任一种进行加热。只要是能产生一定温度的热量，热压缩机机 就可以工作。在本发明中，散热器为风冷式散热器或水冷式散热器。应当理解，根据不同的需 要，可以采用任何合适形式的散热方式。为了提高系统性能，可在所述回热器的外侧设有绝热层。另外，还可以在加热器的 外侧也设置绝热材料层和/或防辐射层。根据本发明的热压缩机系统采用的是直线电机驱动，和采用曲柄连杆机构的一般 热压缩机相比，系统的结构简单、振动噪音低、排放污染小、具有良好的环境特性；工质被封 闭在压缩机内，不会发生泄露，活塞两端存在的压差很小，使活塞所需的驱动力小并且系统 内工作压力可以很高。该热压缩机系统具有多种燃料的适应性、良好的环境特性和高的转 换效率，能为空调温区的热驱动制冷系统提供动力，在需求压力波动但幅度不大的系统内 也有重要的作用。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中图1示出了根据本发明的热压缩机系统的一个实施例的结构示意图。
具体实施例方式图1示出了本发明的直线电机驱动的热压缩机系统的一个实施例的结构示意图，从图中可以看出，总体用标记1表示的热压缩机系统由直线电机10和热压缩机单元耦合而成，其中该热压缩机单元包括内部封装有工质的气缸2、加热器7和散热器8，气缸2内布置 有活塞3将其分隔成热气缸4和冷气缸5，加热器7和散热器8分别布置在热气缸4侧和冷 气缸5侧。气缸2的内外壁之间为空腔2a，通过设置在气缸内壁上的开孔，空腔2a构成使 热气缸4和冷气缸5流体连通的通路。如图所示，在冷气缸5侧还设有输出端9，但可以理 解，输出端9例如也可以设置在热气缸4侧或者其它合适的位置。有利地是，在该空腔2a内还布置有回热器6。本领域普通技术人员应该理解，热气 缸4和冷气缸5之间的通路也可采用布置气缸2外侧的将它们流体连通的管道，这种情况 下回热器6布置在管道之间，其两端分别通过管道与热气缸4和冷气缸5相连通。这里使 用的回热器6是低温制冷技术中常用到的一种装置，其由具有高比热容和低阻力系数的多 孔介质固体填料组成，填料可以是细金属丝网例如不锈钢、磷青铜等，小金属球或颗粒以及 磁性材料等组成。在一个周期内，当工质从高温热气缸4流向低温冷气缸5的过程中，高温 工质的部分热量储存在回热器6中，而当工质从低温冷气缸5流向高温热气缸4时，低温工 质从回热器6吸收热量，相当于对低温工质进行预热，因此，设置回热器6减少了系统的加 热量，从而起到提高能量利用效率的作用。在本发明中，热压缩机单元通过直线电机10驱动，直线电机10的主轴与活塞3同 轴布置，该配置使系统的结构简单，振动小。另外，由于冷热气缸4，5流体连通，因此活塞3 两端的压差很小，使得直线电机10驱动活塞时，需要克服的阻力较小，因此只需要小功率 的直线电机即可。虽然该实施例中使用的直线电机例如为电磁振动直线电机，但复合次级 直线电机、直线步进电机以及其它任何合适的直线电机都是允许的。另外，直线电机10具 有行程限制器(未示出)，通过该行程限制器的控制，实现活塞在气缸内的周期性往复运 动。该热压缩机系统1运行时，在直线电机10的驱动下，当活塞3从冷气缸5向热气 缸4移动的过程中，工质从热气缸4经回热器6流向冷气缸5，高温工质经过回热器6时放 出部分热量并储存在该回热器中，流到冷气缸5中的工质通过散热器8向外界环境散热，使 工质的温度降低，从而导致系统内的压力下降；当活塞3从热气缸4向冷气缸5移动的过程 中，工质从冷气缸5经过回热器6流向热气缸4，低温工质从回热器6中吸收热量，流到热气 缸4中的工质通过加热器7进行加热，使工质的温度升高，从而导致系统内的压力升高。在 直线电机10带动下活塞3的往复运动使气缸2内的工质在冷热气缸间循环流动，在系统内 形成周期性的高低压变化，从而利用这种高低压差来驱动负载例如脉冲管制冷机(图中未 示出)。为了更好地提高热压缩机系统的效率，在包围住回热器6气缸壁部分的外侧设有 绝热层11，图中的绝热层仅为示意性画法，本领域技术人员应当明白，绝热层11可以呈涂 覆在该处气缸外壁和/或绝热材料涂层的形式，其它合适的绝热方式也是允许的。可选地， 在加热器7的外侧也设有绝热材料层和/或防辐射层，这里能更好地阻止加热器的热量散 发到外界环境中去，从而提高系统的能量利用效率。另外，在从回热器6部分至热气缸4侧 的加热器7外部可以设有罩壳12。在本发明中，气缸2封闭的工质可以为气体例如氦气、氮气、氢气、空气及其混合 物中的任一种，应当理解根据具体应用可以选择其它合适的工质。在该实施例中，所使用的散热器8为是现有技术中常用的风冷式散热器，而其它合适形式的散热器如水冷式散热器 也是可行的。 根据本发明的直线驱动的热压缩机系统1，和通常的外燃机一样，其中加热器7可 以使用液体燃料如柴油、汽油等，气体燃料如天然气、沼气、氢气和煤等，固体燃料，余热例 如工业过程中的废热等，太阳能，化学反应能和放射性同位素能源中的任一种来驱动热压 缩机系统。上述实施例仅是对实施本发明的方式的示例性说明。本领域的普通技术人员应该 理解，在不超出后附权利要求书限定的精神和范围内，可采用不同于上述本发明实施例的 各种方案。后附的权利要求书旨在用来限定本发明的保护范围，并旨在用来涵盖在权利要 求范围内的方法和装置及其等同物。
权利要求
一种热压缩机系统(1)，其包括热压缩机单元，该单元具有内部装有工质的气缸(2)、设置在所述气缸(2)内并将其隔离成热气缸(4)和冷气缸(5)的活塞(3)、加热器(7)、散热器(8)、回热器(6)、输出端(9)以及使所述冷气缸(4)和所述热气缸(5)流体连通的通路，其特征在于，该热压缩机系统(1)还包括直线电机(10)，该电机的主轴与所述活塞(3)同轴布置，以驱动该活塞(3)在该气缸(2)内往复运动，使工质在该热气缸(4)和该冷气缸(5)之间周期性循环流动。
2.根据权利要求1所述的热压缩机系统，其特征在于，所述加热器(7)布置在该热气缸 (4)侧，所述散热器⑶和该输出端(9)设置在该冷气缸(5)侧，并且该回热器(6)设在所 述通路上。
3.根据权利要求1所述的热压缩机系统，其特征在于，所述直线电电机(10)具有行程 限制器，用于控制所述活塞(3)在该气缸(2)内的往复运动。
4.根据权利要求3所述的热压缩机系统，其特征在于，所述直线电机(10)为选自电磁 振动直线电机、复合次级直线电机和直线步进电机中的任一种。
5.根据权利要求1所述的热压缩机系统，其特征在于，所述通路为该气缸(2)的内壁和 外壁之间的空腔(2a)，该空腔的两端分别与所述热气缸(4)和所述冷气缸(5)流体连通，所 述回热器(6)设置该空腔(2a)内。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的热压缩机系统，其特征在于，在所述回热器(6) 的外侧设有绝热层(U)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的热压缩机系统，其特征在于，在所述加热器的外 侧采用绝热材料层和/或防辐射层。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的热压缩机系统，其特征在于，所述工质选自氦 气、氮气、氢气、空气及其混合物中的任一种。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的热压缩机系统，其特征在于，所述加热器(7)使 用液体燃料、气体燃料、固体燃料、余热、太阳能、化学反应能和放射性同位素能源中的任一 种进行加热。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的热压缩机系统，其特征在于，所述输出端(9) 与脉管制冷机相连。
全文摘要
本发明提供一种热压缩机系统，其包括热压缩机单元，该单元具有内部装有工质的气缸(2)，设置在所述气缸(2)内并将其隔离成热气缸(4)和冷气缸(5)的活塞(3)，加热器(7)，散热器(8)，回热器(6)，输出端(9)以及使所述冷气缸(4)和所述热气缸(5)流体连通的通路，其特征在于，该热压缩机系统(1)还包括直线电机(10)，该电机的主轴与所述活塞(3)同轴布置，以驱动该活塞(3)在该气缸(2)内往复运动，使工质在该热气缸(4)和该冷气缸(5)之间周期性循环流动。
文档编号F04B39/00GK101839230SQ20091012940
公开日2010年9月22日 申请日期2009年3月18日 优先权日2009年3月18日
发明者吕君, 吴小华, 周远, 杨鲁伟 申请人:中国科学院理化技术研究所