专利名称：一种热压缩机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用热压缩机领域，尤其涉及一种由低品位热能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。现有的压缩机，大多需要消耗高品位的能源来工作，所消耗的能源多为不可再生资源，工业过程中排出的尾气废热等，这些压缩机不能利用，造成资源的浪费并对环境的污
^fe ο因此，当前需要一种启动温度低，能利用低品位热能驱动的热压缩机系统。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种热压缩机系统，其基于低品位热能驱动，并且具有振动小、噪声低的特点。因此，本发明提供一种热压缩机系统，该热压缩机系统具有与其输出端流体连通的装有工质的至少一个气缸，设置在气缸内将气缸腔体分隔成热腔和冷腔的活塞，驱动活塞在气缸内往复运动的驱动机构，热压缩机系统还包括布置在气缸的热腔端用于给气缸内的工质输入热量的热端换热器和布置在气缸的冷腔端用于冷却气缸内工质的冷端换热器， 并且该热腔和该冷腔之间由一通路流体连通，在该通路中设有回热器。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。另外，本发明中的回热器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。按照本发明的另一个方案，所述通路由沿该活塞的纵向开设的通孔形成，该回热器布置在该通孔中，这样配置的通路和回热器具有结构简单，效率高的优点。
按照本发明的又一方案，所述通路由该气缸的内壁和外壁之间的空腔形成，该回热器布置在该空腔内。按照本发明的另一方案，所述通路由在该气缸外的从该热腔端到该冷腔端的连接管路形成，该回热器串联在在该连接管路中。按照本发明的另一方案，所述通路由该活塞和该气缸内壁之间的夹隙形成，夹隙中的工质起到回热器的作用。在本发明中，在驱动机构的驱动下，活塞在气缸内往复运动，通过活塞的运动使工质在热腔和冷腔之间流动，当活塞从靠近冷端换热器的下止点向靠近热端换热器的上止点移动时，经热端换热器加热后的工质从热腔流向冷腔，在该过程中，高温工质的部分热量储存在回热器中，当活塞移动到上止点时，系统内的大部分工质位于冷腔内，通过冷端换热器冷却冷腔内的工质，使系统内工质的平均温度下降，从而导致工质的平均压力处于最低值; 而当活塞从靠近热端换热器的上止点向靠近冷端换热器的下至点移动时，经冷端换热器冷却后的工质从冷腔经所述通路流向热腔，低温工质从回热器吸收热量，相当于对低温工质进行预热，当活塞移动到下至点时，通过热端换热器向热腔内的工质输入热量，系统内的大部分工质位于热腔内，系统内工质的平均温度升高，从而导致工质的平均压力处于最高值。 这样一来，在活塞的周期性运动过程中，系统中的工质压力也发生周期性的变化，在热压缩机系统内形成周期性的压力波，从而能够驱动连接到该热压缩机系统的输出端的负载例如脉管制冷机、发电机等。回热器的设置，减小了系统的加热量，从而起到提高了能量利用效率。按照本发明的一个方案，驱动机构可以为主轴与该活塞同轴布置的直线电机，直线电机通常具有行程限制器，活塞在气缸内的往复运动通过行程控制器的控制来实现。另外，驱动机构也可以采用旋转电机，这时需要通过曲柄连杆机构与活塞相连接，将电机的旋转运动转化为活塞的往复直线运动。在本发明中，气缸的数目可以根据需要进行选择，可以采用单缸结构，也可以采用多缸结构。采用多缸结构的情况下，例如气缸的数目可以是2，3，4，5等；根据具体的气缸数目，可以选择将这些气缸对称布置，或者布置成V型。另外，在采用多缸结构时，可以利用通过将每个气缸各自的活塞串联起来来实现多缸的同时动作，这将在文中进一步描述。另外，热端换热器可以采用外燃加热方式，冷端换热器可以采用风冷或水冷方式进行冷却。本领域技术人员应当明白，对热端换热器采用内燃加热，对冷端换热器进行其它形式的冷却也落在本发明的范围内。根据本发明的热压缩机系统只需要很少的机械功驱动，并利用低品位热能例如废热等来压缩气体产生周期性的压力波驱动负载，其具有容易制造，噪低，振动小的特点。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，图中相同的附图标记表示相同的元件，其中图1是根据本发明的热压缩机系统的一个实施例的结构示意图，其中回热器布置在活塞中；图2是根据本发明的热压缩机系统的另一个实施例的结构示意图，其中回热器布置在气缸的内壁和外壁之间；图3是根据本发明的热压缩机系统的另一个实施例的结构示意图，其中回热器布置在气缸外；图4是根据本发明的热压缩机系统的另一个实施例的结构示意图，其中回热器由活塞和气缸壁之间夹隙中的工质构成；图5是根据本发明的双缸结构的热压缩机系统的结构示意图，其中两个气缸对称布置；图6是根据本发明的四缸结构的热压缩机系统的结构示意图，其中四个气缸对称布置。附图标记一览表1-气缸；2-活塞；3-回热器；4-热端换热器；5-冷端换热器；6_驱动机构；7_热压缩机系统的输出端；8-热腔；9-冷腔；8a_热腔端；9a_冷腔端。
具体实施例方式参见图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。从图中可以看出，热压缩机系统包括与其输出端7流体连通的气缸1，位于该气缸1内将其分隔成热腔8和冷腔9的活塞2，以及布置在热腔端8a的热端换热器4和布置在冷腔端9a的冷端换热器5。并且热压缩机系统内封装有工质，热端换热器4用于将热源的热量传递给气缸1 内的工质，这里主要是指热腔8内的工质，冷端换热器5用于将冷量传递给气缸内的工质， 这里主要是冷腔9内的工质。在该实施例中，沿活塞2的纵向开设有通孔，该通孔形成将热腔8和冷腔9流体连通的通路并且该通孔内装设有回热器3。在本发明中，气缸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。本领域技术人员应该明白，根据具体制冷需求也可以选用其它合适的工质。另外，这里采用的回热器3是低温技术领域常用的一种装置，其由具有高比热容和低阻力系数的多孔介质固体填料构成，填料可以是细金属丝网例如不锈钢、磷青铜丝网，小金属球以及磁性材料组成。根据本发明的热压缩机系统还包括驱动活塞2在气缸1内往复运动的驱动机构6， 在该实施例中，驱动机构6为其主轴与活塞2同轴布置的直线电机，并且该直线电机还设有行程限制器(未示出)，用于控制活塞在气缸1内的往复运动。由于热腔8和冷腔9流体连通，因此活塞2两端的压差很小，因此需要克服的阻力很小，从而驱动机构6只须施加很小的驱动力，就能使活塞2在气缸内往复运动。作为替代方案，也可以使用旋转电机作为驱动机构6，旋转电机通过曲柄连杆机构与活塞2相连接，从而将旋转电机的旋转运动转换成直线运动。有利的是，在本发明中，热压缩机系统利用热端换热器4吸收外界的热能例如低品位热能和驱动机构的相互结合驱动，只需驱动机构6输入很少的能量，就能使热压缩机运行产生交替变化的压力波来驱动连接到输出端7的负载，例如脉管制冷机、发电机等。在这里，用来驱动热压缩机系统的热能例如包括太阳能、化学反应能以及液体、气体和固体燃料产生的热能等来驱动。只要能产生一定温度的热量，就能驱动这种热压缩机系统工作。在根据本发明的热压缩机系统中，在驱动机构6的作用下，带动活塞2在气缸1内移动。在活塞2从冷腔端9a向热腔8移动的过程中，热腔8内的高温工质经回热器3流向冷腔9，高温工质的一部分热量储存在回热器3中，相当于给高温工质预冷，冷腔9内的工质
5在冷端换热器5的作用下温度降低，当活塞2到热腔8的最末端(该位置可认为是活塞的上止点)时，气缸1内的工质大部分在该冷腔内，工质的温度降到最低值，因而在该位置整个热压缩机系统内的压力处于最低值。在活塞2从热腔端8a向冷腔移动的过程中，冷腔9 内的低温工质经回热器3流向热腔8，低温工质从回热器3吸收热量，相当于给低温工质预热，这时热腔8内的工质吸收来自热端换热器4的热量而温度身高，当活塞2移动到冷腔的最末端(该位置可认为是活塞的下止点)时，气缸1内的工质大部分在热腔内，工质的温度升高到最高值，因而在该位置整个热压缩机系统的压力处于最高值，这时，活塞2完成一个运动周期。在活塞的周期性运动过程中，热压缩机系统产生交替变化的压力波，从而驱动负载例如脉管装置制冷来获得低温，或者驱动发电机进行发电。在本发明中，可以根据所需制冷量的大小来选择活塞的移动频率，如果期望的制冷量较大，则可选择较高的活塞移动频率，若期望的制冷量较小，则可选择较低的活塞移动频率。在该实施例中，活塞的最低频率可以为0. 1Hz，最高频率可根据需要在机械结构允许的范围内选择。本领域技术人员应当理解，本发明中的回热器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。另外，在该实施例中使用的换热器也是本领域常用的换热器，包括管式换热器，列管式换热器，翅片式换热器以及板式换热器等。图2示出了根据本发明的另一个实施例，其中除了将热腔8和冷腔9流体连通的通路由设置在气缸1的内壁和外壁之间的空腔形成之外，其它结构与图1中示出的热压缩机系统类似，其中回热器3布置在气缸内壁和外壁之间的空腔中。图3示出了根据本发明将热腔8和冷腔9流体连通的通路的另一个实施例，在该实施例中，该通路由布置在该气缸外的从热腔端8a到冷腔端9a的连接管路形成，回热器3串联在该连接管路中。在图4中示出了将热腔8和冷腔9流体连通的通路的另一个实施例，其中该通路由活塞2和气缸1的内壁之间的夹隙形成，在这里，夹隙中的工质可以起到以上实施例中设置的回热器的作用。 这三个实施例中的热压缩机系统的运行过程与图1示出的热压缩机系统类似，在这里不再赘述。图5和图6示出了具有多个气缸的热压缩机系统。图5中的热压缩机系统为双缸结构，两个气缸2对称布置，在驱动机构6配置成能使两个气缸内的活塞同步移动，这样的配置提高了力平衡效果，进而也提高了工作效率。作为替代方案，与图5中示出的不同，热压缩机系统的两个气缸也可以如此布置，使得两气缸的活塞通过布置在两气缸之间的连杆相连接，其中一个气缸的冷腔靠近连杆，而另一个气缸的热腔靠近该连杆，并且两气缸的冷腔通过管路流体连通，该管路又连通到脉管装置。在驱动机构驱动连杆带动活塞移动时，两个气缸中的活塞能同时到达上止点和下止点，并且由于活塞两端的压力相等，驱动机构仅需要很小的功率。在热压缩机系统为三缸或四缸结构时，也可以采用这种方式。图6中示出的热压缩机系统为四缸机构，这种配置和图5中的双缸机构相比，具有更好的力平衡效果和更高的工作效率。在不超出本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以对本发明做出这些和其它的更改与变化，这在后附的权利要求书中做了更具体的阐述。还应当明白，不同方案的多个方面可以完全或部分地相互替换。此外，本领域普通技术人员将会理解，前面的说明仅仅是示范性的，不会对在后附的权利要求书中进一步描述的本发明内容构成限制。
权利要求
1.一种热压缩机系统，该热压缩机系统具有与其输出端(7)流体连通的装有工质的至少一个气缸(1)，设置在该气缸(1)内将气缸腔体分隔成热腔(8)和冷腔(9)的活塞O)，驱动该活塞( 在气缸内往复运动的驱动机构(6)，以及布置在所述气缸(1)的热腔端(8a) 用于给气缸内的工质输入热量的热端换热器(4)和布置在所述气缸(1)的冷腔端(9a)用于给气缸内的工质输入冷量的冷端换热器(5)，并且该热腔(8)和该冷腔(9)之间由一通路流体连通，在该通路中设有回热器(3)。
2.根据权利要求1所述的热压缩机系统，其特征是，所述通路由沿该活塞(2)的纵向开设的通孔形成，该回热器⑶布置在该通孔中。
3.根据权利要求1所述的热压缩机系统，其特征是，所述通路由该气缸(1)的内壁和外壁之间的空腔形成，该回热器(3)布置在该空腔内。
4.根据权利要求1所述的热压缩机系统，其特征是，所述通路由在该气缸(1)外的从该热腔端(8a)到该冷腔端(8b)的连接管路(8c)形成，该回热器(3)串联在在该连接管路 (8c)中。
5.根据权利要求1所述的热压缩机系统，其特征是，所述通路由该活塞( 和该气缸 (1)内壁之间的夹隙形成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的热压缩机系统，其特征是，所述驱动机构(6)为与该活塞O)同轴布置的直线电机。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的热压缩机系统，其特征是，所述驱动机构(6)为旋转电机，其通过曲柄连杆机构与活塞相连接。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的热压缩机系统，其特征是，所述气缸的数目为至少两个，根据所述气缸的具体数目，这些气缸对称布置或布置成V型。
9.根据权利要求7所述的热压缩机系统，其特征是，所述多个气缸(1)的冷腔通过一流路彼此连通，该热压缩机的输出端(7)连接到该流路中。
全文摘要
本发明提供一种热压缩机系统，该系统具有与其输出端(7)流体连通的装有工质的至少一个气缸(1)，设置在该气缸(1)内将气缸腔体分隔成热腔(8)和冷腔(9)的活塞(2)，驱动该活塞(2)在气缸内往复运动的驱动机构(6)，以及布置在所述气缸(1)的热腔端(8a)用于给气缸内的工质输入热量的热端换热器(4)和布置在所述气缸(1)的冷腔端(9a)用于给气缸内的工质输入冷量的冷端换热器(5)，并且该热腔(8)和该冷腔(9)之间由一通路流体连通，在该通路中设有回热器(3)。该热压缩机系统利用热能尤其是废热等作为动力源，采用外燃加热方式来驱动，具有能利用低品位热源，振动小、噪声低的特点。
文档编号F04B37/06GK102374152SQ20101024800
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年8月6日
发明者周远, 王俊杰, 蔡惠坤, 薛小代 申请人:中国科学院理化技术研究所