專利名稱：一種熱壓縮機系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用熱壓縮機領域，尤其涉及一種由低品位熱能驅動的熱壓縮機系統(tǒng)。
背景技術：
隨著我國的經濟發(fā)展和國際范圍內的能源緊張，節(jié)能減排和提高能源利用效率成為了一項具有挑戰(zhàn)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(fā)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(fā)電站和燃燒石油資源的傳統(tǒng)內燃機所引起的環(huán)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(yè)過程中的廢熱等能源驅動發(fā)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(huán)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?，F(xiàn)有的壓縮機，大多需要消耗高品位的能源來工作，所消耗的能源多為不可再生資源，工業(yè)過程中排出的尾氣廢熱等，這些壓縮機不能利用，造成資源的浪費并對環(huán)境的污
^fe ο因此，當前需要一種啟動溫度低，能利用低品位熱能驅動的熱壓縮機系統(tǒng)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供這樣一種熱壓縮機系統(tǒng)，其基于低品位熱能驅動，并且具有振動小、噪聲低的特點。因此，本發(fā)明提供一種熱壓縮機系統(tǒng)，該熱壓縮機系統(tǒng)具有與其輸出端流體連通的裝有工質的至少一個氣缸，設置在氣缸內將氣缸腔體分隔成熱腔和冷腔的活塞，驅動活塞在氣缸內往復運動的驅動機構，熱壓縮機系統(tǒng)還包括布置在氣缸的熱腔端用于給氣缸內的工質輸入熱量的熱端換熱器和布置在氣缸的冷腔端用于冷卻氣缸內工質的冷端換熱器， 并且該熱腔和該冷腔之間由一通路流體連通，在該通路中設有回熱器。在本發(fā)明中，封閉在系統(tǒng)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(jù)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(tǒng)內的工質不會發(fā)生泄漏，從而在系統(tǒng)內可以獲得很高的壓力。另外，本發(fā)明中的回熱器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(shù)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。按照本發(fā)明的另一個方案，所述通路由沿該活塞的縱向開設的通孔形成，該回熱器布置在該通孔中，這樣配置的通路和回熱器具有結構簡單，效率高的優(yōu)點。
按照本發(fā)明的又一方案，所述通路由該氣缸的內壁和外壁之間的空腔形成，該回熱器布置在該空腔內。按照本發(fā)明的另一方案，所述通路由在該氣缸外的從該熱腔端到該冷腔端的連接管路形成，該回熱器串聯(lián)在在該連接管路中。按照本發(fā)明的另一方案，所述通路由該活塞和該氣缸內壁之間的夾隙形成，夾隙中的工質起到回熱器的作用。在本發(fā)明中，在驅動機構的驅動下，活塞在氣缸內往復運動，通過活塞的運動使工質在熱腔和冷腔之間流動，當活塞從靠近冷端換熱器的下止點向靠近熱端換熱器的上止點移動時，經熱端換熱器加熱后的工質從熱腔流向冷腔，在該過程中，高溫工質的部分熱量儲存在回熱器中，當活塞移動到上止點時，系統(tǒng)內的大部分工質位于冷腔內，通過冷端換熱器冷卻冷腔內的工質，使系統(tǒng)內工質的平均溫度下降，從而導致工質的平均壓力處于最低值; 而當活塞從靠近熱端換熱器的上止點向靠近冷端換熱器的下至點移動時，經冷端換熱器冷卻后的工質從冷腔經所述通路流向熱腔，低溫工質從回熱器吸收熱量，相當于對低溫工質進行預熱，當活塞移動到下至點時，通過熱端換熱器向熱腔內的工質輸入熱量，系統(tǒng)內的大部分工質位于熱腔內，系統(tǒng)內工質的平均溫度升高，從而導致工質的平均壓力處于最高值。 這樣一來，在活塞的周期性運動過程中，系統(tǒng)中的工質壓力也發(fā)生周期性的變化，在熱壓縮機系統(tǒng)內形成周期性的壓力波，從而能夠驅動連接到該熱壓縮機系統(tǒng)的輸出端的負載例如脈管制冷機、發(fā)電機等?；責崞鞯脑O置，減小了系統(tǒng)的加熱量，從而起到提高了能量利用效率。按照本發(fā)明的一個方案，驅動機構可以為主軸與該活塞同軸布置的直線電機，直線電機通常具有行程限制器，活塞在氣缸內的往復運動通過行程控制器的控制來實現(xiàn)。另外，驅動機構也可以采用旋轉電機，這時需要通過曲柄連桿機構與活塞相連接，將電機的旋轉運動轉化為活塞的往復直線運動。在本發(fā)明中，氣缸的數(shù)目可以根據(jù)需要進行選擇，可以采用單缸結構，也可以采用多缸結構。采用多缸結構的情況下，例如氣缸的數(shù)目可以是2，3，4，5等；根據(jù)具體的氣缸數(shù)目，可以選擇將這些氣缸對稱布置，或者布置成V型。另外，在采用多缸結構時，可以利用通過將每個氣缸各自的活塞串聯(lián)起來來實現(xiàn)多缸的同時動作，這將在文中進一步描述。另外，熱端換熱器可以采用外燃加熱方式，冷端換熱器可以采用風冷或水冷方式進行冷卻。本領域技術人員應當明白，對熱端換熱器采用內燃加熱，對冷端換熱器進行其它形式的冷卻也落在本發(fā)明的范圍內。根據(jù)本發(fā)明的熱壓縮機系統(tǒng)只需要很少的機械功驅動，并利用低品位熱能例如廢熱等來壓縮氣體產生周期性的壓力波驅動負載，其具有容易制造，噪低，振動小的特點。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，圖中相同的附圖標記表示相同的元件，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的熱壓縮機系統(tǒng)的一個實施例的結構示意圖，其中回熱器布置在活塞中；圖2是根據(jù)本發(fā)明的熱壓縮機系統(tǒng)的另一個實施例的結構示意圖，其中回熱器布置在氣缸的內壁和外壁之間；圖3是根據(jù)本發(fā)明的熱壓縮機系統(tǒng)的另一個實施例的結構示意圖，其中回熱器布置在氣缸外；圖4是根據(jù)本發(fā)明的熱壓縮機系統(tǒng)的另一個實施例的結構示意圖，其中回熱器由活塞和氣缸壁之間夾隙中的工質構成；圖5是根據(jù)本發(fā)明的雙缸結構的熱壓縮機系統(tǒng)的結構示意圖，其中兩個氣缸對稱布置；圖6是根據(jù)本發(fā)明的四缸結構的熱壓縮機系統(tǒng)的結構示意圖，其中四個氣缸對稱布置。附圖標記一覽表1-氣缸；2-活塞；3-回熱器；4-熱端換熱器；5-冷端換熱器；6_驅動機構；7_熱壓縮機系統(tǒng)的輸出端；8-熱腔；9-冷腔；8a_熱腔端；9a_冷腔端。
具體實施例方式參見圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的熱壓縮機系統(tǒng)的一個實施例的結構示意圖。從圖中可以看出，熱壓縮機系統(tǒng)包括與其輸出端7流體連通的氣缸1，位于該氣缸1內將其分隔成熱腔8和冷腔9的活塞2，以及布置在熱腔端8a的熱端換熱器4和布置在冷腔端9a的冷端換熱器5。并且熱壓縮機系統(tǒng)內封裝有工質，熱端換熱器4用于將熱源的熱量傳遞給氣缸1 內的工質，這里主要是指熱腔8內的工質，冷端換熱器5用于將冷量傳遞給氣缸內的工質， 這里主要是冷腔9內的工質。在該實施例中，沿活塞2的縱向開設有通孔，該通孔形成將熱腔8和冷腔9流體連通的通路并且該通孔內裝設有回熱器3。在本發(fā)明中，氣缸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。本領域技術人員應該明白，根據(jù)具體制冷需求也可以選用其它合適的工質。另外，這里采用的回熱器3是低溫技術領域常用的一種裝置，其由具有高比熱容和低阻力系數(shù)的多孔介質固體填料構成，填料可以是細金屬絲網例如不銹鋼、磷青銅絲網，小金屬球以及磁性材料組成。根據(jù)本發(fā)明的熱壓縮機系統(tǒng)還包括驅動活塞2在氣缸1內往復運動的驅動機構6， 在該實施例中，驅動機構6為其主軸與活塞2同軸布置的直線電機，并且該直線電機還設有行程限制器(未示出)，用于控制活塞在氣缸1內的往復運動。由于熱腔8和冷腔9流體連通，因此活塞2兩端的壓差很小，因此需要克服的阻力很小，從而驅動機構6只須施加很小的驅動力，就能使活塞2在氣缸內往復運動。作為替代方案，也可以使用旋轉電機作為驅動機構6，旋轉電機通過曲柄連桿機構與活塞2相連接，從而將旋轉電機的旋轉運動轉換成直線運動。有利的是，在本發(fā)明中，熱壓縮機系統(tǒng)利用熱端換熱器4吸收外界的熱能例如低品位熱能和驅動機構的相互結合驅動，只需驅動機構6輸入很少的能量，就能使熱壓縮機運行產生交替變化的壓力波來驅動連接到輸出端7的負載，例如脈管制冷機、發(fā)電機等。在這里，用來驅動熱壓縮機系統(tǒng)的熱能例如包括太陽能、化學反應能以及液體、氣體和固體燃料產生的熱能等來驅動。只要能產生一定溫度的熱量，就能驅動這種熱壓縮機系統(tǒng)工作。在根據(jù)本發(fā)明的熱壓縮機系統(tǒng)中，在驅動機構6的作用下，帶動活塞2在氣缸1內移動。在活塞2從冷腔端9a向熱腔8移動的過程中，熱腔8內的高溫工質經回熱器3流向冷腔9，高溫工質的一部分熱量儲存在回熱器3中，相當于給高溫工質預冷，冷腔9內的工質
5在冷端換熱器5的作用下溫度降低，當活塞2到熱腔8的最末端(該位置可認為是活塞的上止點)時，氣缸1內的工質大部分在該冷腔內，工質的溫度降到最低值，因而在該位置整個熱壓縮機系統(tǒng)內的壓力處于最低值。在活塞2從熱腔端8a向冷腔移動的過程中，冷腔9 內的低溫工質經回熱器3流向熱腔8，低溫工質從回熱器3吸收熱量，相當于給低溫工質預熱，這時熱腔8內的工質吸收來自熱端換熱器4的熱量而溫度身高，當活塞2移動到冷腔的最末端(該位置可認為是活塞的下止點)時，氣缸1內的工質大部分在熱腔內，工質的溫度升高到最高值，因而在該位置整個熱壓縮機系統(tǒng)的壓力處于最高值，這時，活塞2完成一個運動周期。在活塞的周期性運動過程中，熱壓縮機系統(tǒng)產生交替變化的壓力波，從而驅動負載例如脈管裝置制冷來獲得低溫，或者驅動發(fā)電機進行發(fā)電。在本發(fā)明中，可以根據(jù)所需制冷量的大小來選擇活塞的移動頻率，如果期望的制冷量較大，則可選擇較高的活塞移動頻率，若期望的制冷量較小，則可選擇較低的活塞移動頻率。在該實施例中，活塞的最低頻率可以為0. 1Hz，最高頻率可根據(jù)需要在機械結構允許的范圍內選擇。本領域技術人員應當理解，本發(fā)明中的回熱器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(shù)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。另外，在該實施例中使用的換熱器也是本領域常用的換熱器，包括管式換熱器，列管式換熱器，翅片式換熱器以及板式換熱器等。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，其中除了將熱腔8和冷腔9流體連通的通路由設置在氣缸1的內壁和外壁之間的空腔形成之外，其它結構與圖1中示出的熱壓縮機系統(tǒng)類似，其中回熱器3布置在氣缸內壁和外壁之間的空腔中。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明將熱腔8和冷腔9流體連通的通路的另一個實施例，在該實施例中，該通路由布置在該氣缸外的從熱腔端8a到冷腔端9a的連接管路形成，回熱器3串聯(lián)在該連接管路中。在圖4中示出了將熱腔8和冷腔9流體連通的通路的另一個實施例，其中該通路由活塞2和氣缸1的內壁之間的夾隙形成，在這里，夾隙中的工質可以起到以上實施例中設置的回熱器的作用。 這三個實施例中的熱壓縮機系統(tǒng)的運行過程與圖1示出的熱壓縮機系統(tǒng)類似，在這里不再贅述。圖5和圖6示出了具有多個氣缸的熱壓縮機系統(tǒng)。圖5中的熱壓縮機系統(tǒng)為雙缸結構，兩個氣缸2對稱布置，在驅動機構6配置成能使兩個氣缸內的活塞同步移動，這樣的配置提高了力平衡效果，進而也提高了工作效率。作為替代方案，與圖5中示出的不同，熱壓縮機系統(tǒng)的兩個氣缸也可以如此布置，使得兩氣缸的活塞通過布置在兩氣缸之間的連桿相連接，其中一個氣缸的冷腔靠近連桿，而另一個氣缸的熱腔靠近該連桿，并且兩氣缸的冷腔通過管路流體連通，該管路又連通到脈管裝置。在驅動機構驅動連桿帶動活塞移動時，兩個氣缸中的活塞能同時到達上止點和下止點，并且由于活塞兩端的壓力相等，驅動機構僅需要很小的功率。在熱壓縮機系統(tǒng)為三缸或四缸結構時，也可以采用這種方式。圖6中示出的熱壓縮機系統(tǒng)為四缸機構，這種配置和圖5中的雙缸機構相比，具有更好的力平衡效果和更高的工作效率。在不超出本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領域普通技術人員可以對本發(fā)明做出這些和其它的更改與變化，這在后附的權利要求書中做了更具體的闡述。還應當明白，不同方案的多個方面可以完全或部分地相互替換。此外，本領域普通技術人員將會理解，前面的說明僅僅是示范性的，不會對在后附的權利要求書中進一步描述的本發(fā)明內容構成限制。
權利要求
1.一種熱壓縮機系統(tǒng)，該熱壓縮機系統(tǒng)具有與其輸出端(7)流體連通的裝有工質的至少一個氣缸(1)，設置在該氣缸(1)內將氣缸腔體分隔成熱腔(8)和冷腔(9)的活塞O)，驅動該活塞( 在氣缸內往復運動的驅動機構(6)，以及布置在所述氣缸(1)的熱腔端(8a) 用于給氣缸內的工質輸入熱量的熱端換熱器(4)和布置在所述氣缸(1)的冷腔端(9a)用于給氣缸內的工質輸入冷量的冷端換熱器(5)，并且該熱腔(8)和該冷腔(9)之間由一通路流體連通，在該通路中設有回熱器(3)。
2.根據(jù)權利要求1所述的熱壓縮機系統(tǒng)，其特征是，所述通路由沿該活塞(2)的縱向開設的通孔形成，該回熱器⑶布置在該通孔中。
3.根據(jù)權利要求1所述的熱壓縮機系統(tǒng)，其特征是，所述通路由該氣缸(1)的內壁和外壁之間的空腔形成，該回熱器(3)布置在該空腔內。
4.根據(jù)權利要求1所述的熱壓縮機系統(tǒng)，其特征是，所述通路由在該氣缸(1)外的從該熱腔端(8a)到該冷腔端(8b)的連接管路(8c)形成，該回熱器(3)串聯(lián)在在該連接管路 (8c)中。
5.根據(jù)權利要求1所述的熱壓縮機系統(tǒng)，其特征是，所述通路由該活塞( 和該氣缸 (1)內壁之間的夾隙形成。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的熱壓縮機系統(tǒng)，其特征是，所述驅動機構(6)為與該活塞O)同軸布置的直線電機。
7.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的熱壓縮機系統(tǒng)，其特征是，所述驅動機構(6)為旋轉電機，其通過曲柄連桿機構與活塞相連接。
8.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的熱壓縮機系統(tǒng)，其特征是，所述氣缸的數(shù)目為至少兩個，根據(jù)所述氣缸的具體數(shù)目，這些氣缸對稱布置或布置成V型。
9.根據(jù)權利要求7所述的熱壓縮機系統(tǒng)，其特征是，所述多個氣缸(1)的冷腔通過一流路彼此連通，該熱壓縮機的輸出端(7)連接到該流路中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱壓縮機系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有與其輸出端(7)流體連通的裝有工質的至少一個氣缸(1)，設置在該氣缸(1)內將氣缸腔體分隔成熱腔(8)和冷腔(9)的活塞(2)，驅動該活塞(2)在氣缸內往復運動的驅動機構(6)，以及布置在所述氣缸(1)的熱腔端(8a)用于給氣缸內的工質輸入熱量的熱端換熱器(4)和布置在所述氣缸(1)的冷腔端(9a)用于給氣缸內的工質輸入冷量的冷端換熱器(5)，并且該熱腔(8)和該冷腔(9)之間由一通路流體連通，在該通路中設有回熱器(3)。該熱壓縮機系統(tǒng)利用熱能尤其是廢熱等作為動力源，采用外燃加熱方式來驅動，具有能利用低品位熱源，振動小、噪聲低的特點。
文檔編號F04B37/06GK102374152SQ20101024800
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月6日 優(yōu)先權日2010年8月6日
發(fā)明者周遠, 王俊杰, 蔡惠坤, 薛小代 申請人:中國科學院理化技術研究所