专利名称：采用油润滑压缩机驱动的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采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统。
背景技术：
众所周知，斯特林系统是一种热效率高、环保(采用惰性气体)的热力机械，但是，以往的斯特林制冷机一般不能采用油润滑的压缩机驱动，导致了其可靠性较差，一般运行寿命仅在数千小时；此外，为了减小因无油润滑而带来的干摩擦、进而降低机械效率的问题，通常其汽缸、活塞需要采用特殊的材料、精密的加工等，由此导致其制作成本很高。因此，尽管传统的斯特林制冷具有环保(因采用氦气等惰性气体)和效率高的优点，但其一直未能得到大规模的商业应用。近来，虽然出现了采用板弹簧支撑的直线压缩机驱动的斯特林制冷系统，但是由于这种直线压缩机要求极高的加工技术、装配技术以及特殊的汽缸-活塞材料，因此，目前也还没有得到商业化的应用。上述技术的难点仍然是由于压缩机不能采用油润滑所致。
目前，典型采用无油润滑的整体式斯特林制冷机系统如图1所示，它主要包括(1)一个无油润滑的压缩机1，它一般是曲柄-连杆型的，由电机带动驱动两个成一定角度运动的压缩活塞11和排气活塞12；(2)室温端冷却器2；(3)回热器3；(4)冷端换热器4。该斯特林制冷系统一般都采用氦气等气体作为工质，其主要缺点是制冷系统中不能有润滑油。否则，1、润滑油污染会使系统中的换热器及回热器换热能力下降，导致制冷性能下降；2、可能发生润滑油堵塞使流动阻力增加，导致性能下降；3、甚至由于润滑油结冰等原因而不能正常工作。因此，传统的斯特林制冷系统的压缩机只能采用无油润滑。目前尚没有提出可以采用油润滑压缩机而且又能避免润滑油进入制冷系统的实施方案。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有技术的无油润滑的整体式斯特林制冷机系统如果使用了润滑油，不能避免润滑油进入制冷系统，可能会由于润滑油的污染或是发生堵塞使系统制冷性能下降、或是由于润滑油结冰等原因而不能正常工作的缺陷，从而提供一种压缩机寿命大大提高，同时又可以降低压缩机的机械加工难度，且高可靠性、低成本、高效率、完全环保的采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统。
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采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统，如图2所示，包括一个压缩机1；一电动机通过曲柄连杆机构分别与压缩机1的压缩活塞11和排气活塞12相连，并推动压缩活塞11和排气活塞12分别在汽缸中运动；压缩活塞11和排气活塞12间的汽缸内依次连有室温端冷却器2、回热器3、冷端换热器4、热缓冲腔7和室温换热器8，该制冷系统还包括安装在气缸内压缩活塞11与室温端冷却器2之间的第一弹性膜6，以形成使得压缩活塞11可以在其间移动的压缩气缸14；安装在气缸内室温换热器8与排气活塞12之间的第二弹性膜61，以形成使得压缩活塞12可以在其间移动的排气气缸15；和一个油润滑机构5，该油润滑机构5包括盛装在压缩机腔体底部的润滑油；连通压缩机腔体底部与压缩气缸14的连通管道和安装在管道中的第一油泵9；和连通压缩机腔体底部与排气气缸15的连通管道和安装在管道中的第二油泵91。
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。
所述的第一油泵9和第二油泵91为齿轮泵。
本发明提供的采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统可以是一个多级的致冷系统，在所述的回热器3和冷端换热器4之间可以根据需要，加装n级回热器，其中n为大于2的正整数。例如加入二级回热器10，或依次加入二级回热器10和三级回热器13。
本发明的关键技术在于使用了一种高弹性膜，其原理的简要说明如下假设弹性膜片两侧的压力为p1和p2，弹性膜片的质量为m，弹性系数为K，弹性膜片的横截面积为A，则有(p1-p2)A＝Kx+mx″(1)其中x为弹性膜片的位移量，x″为位移对时间的二阶导数即加速度。
将p1、p2、x以简谐形式p1＝P1·ejωtp2＝P2·ejωtx＝X·ejωtx″＝-ω2·X·ejωt其中P1、P2、X分别为各简谐量的幅值，ω为角频率，代入(1)式可以进一步写成如下形式(P1-P2)A＝(K-mω2)X (2)从上式可以看出，如果弹性膜的弹性很好，则意味着弹性膜的刚度系数K趋于0；此外，若膜片的质量很轻，则质量m也趋于0，这样，极限的情况下就可得出膜片两侧的压力P1、P2完全相同。实际上，与膜两侧的气体压力相比，由膜片的弹性和质量所引起的贡献很小(两个量级以下)，所以可认为膜片传递声波的能力与气体完全相同。即可在防止压缩机内中的润滑油进入到制冷系统内部分同时，又可以有效地将压缩机的机械功以声波的形式传递到制冷系统。
本发明提供的采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统，与现有技术相比，除了使用了一种高弹性膜，还增加了热缓冲管，从而可以使排气活塞在室温环境工作，一方面可以降低制冷损失，另一方面保证了排气活塞可在室温环境进行润滑。
本发明通过对传统斯特林制冷技术的改进得到的致冷系统在保持高效、环保优点的同时，其寿命也得到大幅度提高，并且加工成本得到大大降低。
图1是传统的采用无油润滑的整体式斯特林制冷机系统示意图；图2是实施例1的采用油润滑压缩机驱动的单级斯特林制冷系统示意图；图3是实施例2的采用油润滑压缩机驱动的二级斯特林制冷系统示意图；图4是实施例3的采用油润滑压缩机驱动的三级斯特林制冷系统示意图；其中1.压缩机，2.室温端冷却器，3.回热器，4.冷端换热器，5.油润滑机构，6.第一弹性膜，61.第二弹性膜，7.热缓冲腔，8.室温换热器，9.第一油泵，91.第二油泵，10.二级回热器，11.压缩活塞，12.排气活塞，13.三级回热器，14.压缩气缸，15.排气气缸。
具体实施例方式
本发明提供的采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统，如图2所示，包括一个压缩机1；一电动机通过曲柄连杆机构分别与压缩机1的压缩活塞11和排气活塞12相连，并推动压缩活塞11和排气活塞12分别在汽缸中运动；压缩活塞11和排气活塞12间的汽缸内依次连有室温端冷却器2、回热器3、冷端换热器4、热缓冲腔7和室温换热器8，该制冷系统还包括安装在气缸内压缩活塞11与室温端冷却器2之间的第一弹性膜6，以形成使得压缩活塞11可以在其间移动的压缩气缸14；安装在气缸内室温换热器8与排气活塞12之间的第二弹性膜61，以形成使得压缩活塞12可以在其间移动的排气气缸15；和一个油润滑机构5，该油润滑机构5包括盛装在压缩机腔体底部的润滑油；连通压缩机腔体底部与压缩气缸14的连通管道和安装在管道中的第一油泵9；和连通压缩机腔体底部与排气气缸15的连通管道和安装在管道中的第二油泵91。该制冷系统可以是一个多级的致冷系统。下面结合具体实施例来详细说明本发明。
实施例1、本发明提供的采用油润滑压缩机驱动的单级斯特林制冷系统如图2所示，本发明提供的采用油润滑压缩机驱动的单级斯特林制冷系统包括(1)一个油润滑的压缩机系统1，它由电动机带动一个曲柄连杆机构，该曲柄连杆机构分别与压缩活塞11和排气活塞12相连，二者的运动角度相差90度。此外，一个采用齿轮泵9的油润滑机构5连续不断地将压缩机腔体底部的润滑油泵送到压缩活塞11和排气活塞12的活塞-汽缸间隙，使其得到良好润滑；在所述的压缩活塞11和排气活塞12的前方均包括一个美国杜邦公司生产的Viton牌号的氟橡胶材料所制作的弹性膜6，润滑油将不会进入制冷系统内部，而在两个活塞端面积累，然后通过重力和气体的作用返回到压缩机腔体底部，重新进行循环。(2)压缩活塞往复运动产生的声波通过弹性膜的作用将机械功(声波的形式)输送到制冷系统，通过制冷系统内部热端冷却器——室温端冷却器2、回热器3、冷端换热器4、热缓冲腔7的联合作用而将输入制冷系统，一部分声功产生制冷效应，而另外一部分膨胀功则通过排气活塞前面的弹性膜反馈作用于排气活塞12而得到回收。同样，由于该弹性膜的作用，排气活塞中汽缸-活塞之间的润滑油将不会进入到制冷系统。热缓冲腔7使得排气活塞工作在室温环境，有利于润滑油的润滑。(3)该制冷系统采用氦气作工质，工作压力为10～30bar，工作频率为50～60Hz之间。回热器的长度在10～30mm之间。弹性膜的厚度在0.3mm-5mm之间。该制冷流程适用于冰箱、空调、热泵工作温区。
实施例2、本发明提供的采用油润滑压缩机驱动的二级斯特林制冷系统如图3所示，本发明提供的采用油润滑压缩机驱动的二级斯特林制冷系统包括(1)一个油润滑的压缩机系统1，它由电动机带动一个曲柄连杆机构，该曲柄连杆机构分别与压缩活塞11和排气活塞12相连，三者之间存在运动角度差。此外，一个采用齿轮泵9的油润滑机构5连续不断地将压缩机腔体底部的润滑油泵送到压缩活塞11和排气活塞12的活塞-汽缸间隙，使其得到良好润滑；在所述的压缩活塞11和排气活塞12的前方均包括一个天然橡胶材料制作的弹性膜6，润滑油将不会进入制冷系统内部，而在两个活塞端面积累，然后通过重力和气体的作用返回到压缩机腔体底部，重新进行循环。(2)每级各有一个排气活塞12。压缩活塞往复运动产生的声波通过弹性膜的作用将机械功(声波的形式)输送到制冷系统，通过制冷系统内部第一级的热端冷却器——室温端冷却器2、回热器3、二级回热器10、热缓冲腔7的联合作用，将输入制冷系统一部分声功产生制冷效应，而另外一部分膨胀功则分别通过一级排气活塞12和二级排气活塞12的弹性膜反馈作用于一级排气活塞及二级排气活塞而得到回收。同样，由于该弹性膜的作用，排气活塞中汽缸-活塞之间的润滑油将不会进入到制冷系统。热缓冲腔7使得排气活塞工作在室温环境，有利于润滑油的润滑。(3)该制冷系统采用氦气作工质，工作压力为10～30bar，工作频率为50～60Hz之间。单级回热器的长度在30～80mm之间。弹性膜的厚度在0.3mm-5mm之间。该制冷流程用于获得4K-80K温区的低温。
实施例3、本发明提供的采用油润滑压缩机驱动的三级斯特林制冷系统如图4所示，本发明提供的采用油润滑压缩机驱动的三级斯特林制冷系统包括(1)一个油润滑的压缩机系统1，它由电动机带动一个曲柄连杆机构，该曲柄连杆机构分别与压缩活塞11和一个排气活塞12相连，两者之间存在运动角度差。此外，一个采用齿轮泵9的油润滑机构5连续不断地将压缩机腔体底部的润滑油泵送到压缩活塞11和排气活塞12的活塞-汽缸间隙，使其得到良好润滑；在所述的压缩活塞11和排气活塞12的前方均包括一个铍青铜材料所制作的弹性膜6，润滑油将不会进入制冷系统内部，而在两个活塞端面积累，然后通过重力和气体的作用返回到压缩机腔体底部，重新进行循环。(2)压缩活塞往复运动产生的声波通过弹性膜的作用将机械功(声波的形式)输送到制冷系统，通过制冷系统内部第一级的室温端冷却器2、回热器3，在一级回热器中一部分声功产生制冷效应，一部分膨胀功通过弹性膜被排气活塞12回收，剩下的流向二级回热器10。同样在二级回热器中，一部分声功产生制冷，一部分膨胀功通过弹性膜被排气活塞12回收，剩下的流向三级回热器，一部分声功产生制冷，一部分膨胀功通过弹性膜被排气活塞12回收。同样，由于该弹性膜的作用，排气活塞中汽缸-活塞之间的润滑油将不会进入到制冷系统。(3)该制冷系统采用氦气作工质，工作压力为10～30bar，工作频率为50～60Hz之间。每级回热器的长度在30～80mm之间。弹性膜的厚度在0.3mm-5mm之间。
理论上可以组成更多级各带有排气活塞的整体式斯特林制冷系统，但系统复杂度也随之上升，一般不超地三级。
权利要求
1.一种采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统，包括一个压缩机(1)；一电动机通过曲柄连杆机构分别与压缩机(1)的压缩活塞(11)和排气活塞(12)相连，并推动压缩活塞(11)和排气活塞(12)分别在汽缸中运动；压缩活塞(11)和排气活塞(12)间的汽缸内依次连有室温端冷却器(2)、回热器(3)、冷端换热器(4)、热缓冲腔(7)和室温换热器(8)，其特征在于还包括安装在气缸内压缩活塞(11)与室温端冷却器(2)之间的第一弹性膜(6)，以形成使得压缩活塞(11)在其间移动的压缩气缸(14)；安装在气缸内室温换热器(8)与排气活塞(12)之间的第二弹性膜(61)，以形成使得压缩活塞(12)在其间移动的排气气缸(15)；和一个油润滑机构(5)，该油润滑机构(5)包括盛装在压缩机腔体底部的润滑油；连通压缩机腔体底部与压缩气缸(14)的连通管道和安装在管道中的第一油泵(9)；和连通压缩机腔体底部与排气气缸(15)的连通管道和安装在管道中的第二油泵(91)。
2.如权利要求1所述的采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统，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所述的采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统，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所述的采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统，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所述的采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统，其特征在于所述的热缓冲腔(7)为低热导率材料制得的薄壁空管子。
6.如权利要求5所述的采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统，其特征在于所述的热缓冲腔(7)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所述的采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统，其特征在于所述的油泵为齿轮泵。
8.如权利要求1所述的采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统，其特征在于所述的采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统是一个多级的致冷系统，在所述的回热器(3)和冷端换热器(4)之间装有n级回热器，其中n为大于2的正整数。
全文摘要
本发明涉及一种采用油润滑压缩机驱动的斯特林制冷系统，包括一个压缩机，其电动机通过曲柄连杆机构分别与压缩活塞和排气活塞相连，在压缩活塞和排气活塞间依次连有室温端冷却器，回热器，和冷端换热器，压缩机中还包括一个油润滑机构，该油润滑机构为一个带有油泵、可将压缩机腔体底部的润滑油喷入到压缩活塞和排气活塞的汽缸－活塞间隙、进行润滑的回路；在压缩活塞和排气活塞的前方均包括一个弹性膜；在冷端换热器与排气活塞之间连接有热缓冲腔，其在靠近排气活塞一端还连有室温换热器。本发明通过对传统斯特林制冷技术的改进得到的致冷系统在保持高效、环保优点的同时，其寿命也得到大幅度提高，并且加工成本得到大大降低。
文档编号F25B9/14GK1677018SQ200510011630
公开日2005年10月5日 申请日期2005年4月25日 优先权日2005年4月25日
发明者罗二仓, 吴张华, 戴巍, 吴剑峰 申请人:中国科学院理化技术研究所