基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统

1.本实用新型涉及能源动力技术领域，尤其涉及一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统。


背景技术：

2.热声技术是一种基于热声效应，将热能与声能实现相互转换的技术，热声正效应能够将热能转换为声功，而热声逆效应则可以通过声功驱动来产生制冷或泵热。现有的热驱动自由活塞热声斯特林制冷/热泵系统正是基于热声正效应和热声逆效应，热声发动机单元将热能转化为声功，并直接用于驱动热声制冷机/热泵单元，以实现热能-声能-供热/制冷的能量转换过程。热驱动自由活塞热声斯特林制冷/热泵系统结构紧凑、功率密度和潜在效率高、工质绿色环保，取消了传统的曲柄连杆能够减少油润滑、气体工质污染等问题，尤其在电力缺乏而热能丰富的场合具有良好的应用前景。
3.现有的热驱动自由活塞热声斯特林制冷/热泵系统包括直连单元、排出器和谐振子；直连单元包括依次连接的热声发动机单元、热缓冲管、热声制冷机/热泵单元。热声发动机单元中的高温换热器被加热，中温换热器维持在室温，热声发动机单元内的回热器会形成一定的温度梯度，继而使得发动机回热器内气体产生自激振荡，将热能转化为声功形式的机械能；声功经过热缓冲管进入热声制冷机/热泵单元，将低温换热器的热量搬运到中温换热器内，从而完成制冷/泵热过程。在此过程中，排出器将直连单元出口的声功进行回收，声功重新流向热声发动机单元，以此循环往复工作。这种制冷/热泵系统与传统的热驱动双效自由活塞斯特林系统相比，减少了一个机械运动部件，结构更简单、可靠性更高。
4.然而，在实际应用中发现，上述制冷/热泵系统采用热缓冲管而非机械部件来直接耦合热声发动机单元和热声制冷机/热泵单元，并且只通过单一的排出器来进行声场调相和匹配。虽然上述制冷/热泵系统结构简单、紧凑，但是，对能流的调节能力受限，若热声发动机单元所产生声功和热声制冷机/热泵单元的耗功量并不匹配时，会使得整机系统的热驱动制冷/制热系数严重下降。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统，用以解决现有的热驱动自由活塞热声斯特林制冷/热泵系统存在制冷/制热效率低下的问题。
6.本实用新型提供一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统，包括：热声发动机单元、热缓冲管、热声制冷机/热泵单元、排出器和谐振子；
7.所述热声发动机单元的热端通过所述热缓冲管与所述热声制冷机/热泵单元的热端连接，所述热声制冷机/热泵单元的冷端与所述排出器的输入端连通，所述排出器的中部与所述热声制冷机/热泵单元的热端连通，所述排出器的输出端分别与所述谐振子和所述热声发动机单元的冷端连通。
8.根据本实用新型提供的一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系
统，所述排出器包括缸体、工作活塞和板弹簧；
9.所述热声制冷机/热泵单元的冷端与所述缸体的第一端连通，所述谐振子和所述热声发动机单元的冷端分别与所述缸体的第二端连通，所述热声制冷机/热泵单元的热端与所述缸体的中部连通；
10.所述工作活塞可移动地设于所述缸体内，并通过所述板弹簧与所述缸体连接；所述工作活塞包括至少一个变径节段，所述工作活塞与所述缸体的形状相适配。
11.根据本实用新型提供的一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统，所述缸体包括第一腔体段和第二腔体段，所述第一腔体段的一端和所述第二腔体段的一端连通，所述第一腔体段的一端和所述热声制冷机/热泵单元的热端连通，所述第一腔体段的内径大于所述第二腔体段的内径；
12.所述工作活塞包括第一活塞段和第二活塞段，所述第一活塞段的一端和所述第二活塞段的一端连接，所述第一活塞段设于所述第一腔体段，所述第二活塞段设于所述第二腔体段，所述第一活塞段的直径大于所述第二活塞段的直径。
13.根据本实用新型提供的一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统，所述排出器和所述谐振子之间形成一级压缩腔，所述排出器的中部与所述热声制冷机/热泵单元的热端之间形成二级压缩腔，所述热声制冷机/热泵单元的冷端与所述排出器之间形成膨胀腔。
14.根据本实用新型提供的一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统，所述热声发动机单元、所述热缓冲管及所述热声制冷机/热泵单元分别设置于所述排出器的一侧，所述排出器的中部通过旁通谐振管与所述热声制冷机/热泵单元的热端连通。
15.根据本实用新型提供的一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统，所述热声发动机单元、所述热缓冲管及所述热声制冷机/热泵单元分别环绕所述排出器，并相对于所述排出器的中轴线同轴设置；所述排出器的内壁面设有旁通孔，所述排出器通过所述旁通孔与所述热声制冷机/热泵单元的热端连通。
16.根据本实用新型提供的一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统，所述旁通孔设有多个，多个所述旁通孔相对于所述排出器的中轴线呈圆周均布。
17.根据本实用新型提供的一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统，所述热声发动机单元、所述热缓冲管和所述热声制冷机/热泵单元沿所述热缓冲管的中轴线设置呈一体式结构。
18.根据本实用新型提供的一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统，所述热声发动机单元包括第一中温换热器、第一回热器和高温换热器，所述第一中温换热器、所述第一回热器和所述高温换热器依次首尾连接，所述高温换热器与所述热缓冲管的第一端连接；
19.所述热声制冷机/热泵单元包括第二中温换热器、第二回热器和低温换热器，所述第二中温换热器、所述第二回热器和所述低温换热器依次首尾连接，所述热缓冲管的第二端和所述第二中温换热器连接，所述低温换热器和所述排出器的输入端连通。
20.根据本实用新型提供的一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统，还包括：直线发电机；所述直线发电机和所述谐振子连接，或者，所述直线发电机和所述谐振子设为一体式结构。
21.本实用新型提供的一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统，通过设置热声发动机单元、热缓冲管、热声制冷机/热泵单元、排出器和谐振子，将排出器的中部与热声制冷机/热泵单元的热端连通，可在热声制冷机/热泵单元冷端的声功经排出器回收后，回收的一部分声功不经过热声发动机单元的放大，而是直接回流至热声制冷机/热泵单元，以实现对较高加热温度条件下热声发动机单元产生的声功与热声制冷机/热泵单元需要消耗的声功之间的高效能流匹配，确保热声发动机单元在中高加热温度工况下能够获得较高的热声转换效率的同时，不会对热声制冷机/热泵单元的效率造成较大的影响，从而使得整机系统具有较高的热驱动制冷/制热效率。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本实用新型提供的基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统的结构示意图之一；
24.图2是本实用新型提供的基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统的结构示意图之二。
25.附图标记、
26.10、热声发动机单元；101、第一中温换热器；102、第一回热器；103、高温换热器；20、热缓冲管；30、热声制冷机/热泵单元；301、第二中温换热器；302、第二回热器；303、低温换热器；40、排出器；401、缸体；402、工作活塞；403、板弹簧；50、谐振子；60、直线发电机；70、一级压缩腔；80、二级压缩腔；90、膨胀腔；100、旁通孔。
具体实施方式
27.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.下面结合图1-图2描述本实用新型的一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统。
29.如图1和图2所示，本实施例提供一种基于高温热源驱动的自由活塞斯特林制冷/热泵系统，包括：热声发动机单元10、热缓冲管20、热声制冷机/热泵单元30、排出器40和谐振子50。
30.热声发动机单元10的热端通过热缓冲管20与热声制冷机/热泵单元30的热端连接，热声制冷机/热泵单元30的冷端与排出器40的输入端连通，排出器40的中部与热声制冷机/热泵单元30的热端连通，排出器40的输出端分别与谐振子50和热声发动机单元10的冷端连通。
31.可理解的是，本实施例的排出器40和谐振子50之间形成一级压缩腔70，排出器40的中部与热声制冷机/热泵单元30的热端之间形成二级压缩腔80，热声制冷机/热泵单元30的冷端与排出器40之间形成膨胀腔90。
32.热声发动机单元10包括第一中温换热器101、第一回热器102和高温换热器103，第一中温换热器101、第一回热器102和高温换热器103依次首尾连接，高温换热器103与热缓冲管20的第一端连接。
33.与此同时，热声制冷机/热泵单元30包括第二中温换热器301、第二回热器302和低温换热器303，第二中温换热器301、第二回热器302和低温换热器303依次首尾连接，热缓冲管20的第二端和第二中温换热器301连接，低温换热器303和排出器40的输入端连通。
34.在自由活塞热声斯特林制冷/热泵系统中还设置有气体工质，气体工质可以为氮气、氩气、氦气或是其它惰性气体。其中，气体工质在图1和图2中未具体示意。
35.在工作过程中，整机系统的工作原理如下：在热声发动机单元10中，高温换热器103从高温热源处吸收热量并达到预设加热温度，当第一回热器102内的温度梯度达到临界值以上时，系统当中的气体工质开始产生自激振荡，在发动机单元将热能转化为声功形式的机械能，热声发动机单元10产生的声功通过热缓冲管20直接进入热声制冷机/热泵单元30，声功被消耗并不断将热量从低温侧的低温换热器303泵送至第二中温换热器301，热声制冷机/热泵单元30在低温换热器303处的声功流向排出器40，并被排出器40回收。
36.接着，经由排出器40的一部分声功通过二级压缩腔80回流至热声制冷机/热泵单元30，不再经过热声发动机单元10被放大；经由排出器40的另一部分声功通过排出器40输出，这部分声功的一部分流经谐振子50以调节整机系统的谐振频率，其余声功则重新进入热声发动机单元10，以此循环往复工作。
37.由上可知，本实用新型通过设置热声发动机单元10、热缓冲管20、热声制冷机/热泵单元30、排出器40和谐振子50，将排出器40的中部与热声制冷机/热泵单元30的热端连通，可在热声制冷机/热泵单元30冷端的声功经排出器40回收后，回收的一部分声功不经过热声发动机单元10的放大，而是直接回流至热声制冷机/热泵单元30，以实现对较高加热温度条件下热声发动机单元10产生的声功与热声制冷机/热泵单元30需要消耗的声功之间的高效能流匹配，使得热声发动机单元10能够获得较高的热声转换效率，同时不会对热声制冷机/热泵单元30的制冷/制热效率造成较大的影响。
38.因而，本实用新型可在热声制冷机/热泵单元30的温度工况不改变的情况下，提高对热声发动机单元10的热端的加热温度，进而获得更高的发动机热声转换效率且不对热声制冷机/热泵单元30的效率造成显著影响，从而有效提升整机的制冷/制热效率。
39.在此应指出的是，本实施例所示的排出器40除了起到声功回收的作用外，同时也是该系统重要的声场阻抗、相位匹配与能量匹配的调节机构。在实际工作中，可根据声场调相需求，确定排出器40当中板弹簧403的刚度和动质量，以及确定二级压缩腔80的的结构参数。
40.在一些实施例中，如图1和图2所示，为了便于基于排出器40的结构特征，确保排出器40回收的一部分声功自动回流至热声制冷机/热泵单元30，本实施例对排出器40的结构进行改进。
41.具体地，排出器40包括缸体401、工作活塞402和板弹簧403。热声制冷机/热泵单元
30的冷端与缸体401的第一端连通，谐振子50和热声发动机单元10的冷端分别与缸体401的第二端连通，热声制冷机/热泵单元30的热端与缸体401的中部连通。
42.其中，工作活塞402可移动地设于缸体401内，并通过板弹簧403与缸体401连接；工作活塞402包括至少一个变径节段，工作活塞402与缸体401的形状相适配。
43.可理解的是，在工作活塞402的变径节段，工作活塞402沿其轴向的横截面积呈现出连续性或阶梯式的变化。例如，工作活塞402的变径节段包括依次连接的至少两个不同直径的圆柱段。
44.如此，基于工作活塞402的结构特征，在靠近缸体401的中部区段，工作活塞402的变径节段与缸体401的内壁面之间形成空腔，在工作活塞402沿缸体401的延伸方向朝向缸体401的第二端移动的过程中，工作活塞402会压缩空腔，使得空腔的体积逐渐减小，促使排出器40回收的一部分声功通过二级压缩腔80自动回流至热声制冷机/热泵单元30，而排出器40回收的另一部分声功通过排出器40的输出端输送至一级压缩腔70，并经过一级压缩腔70分别进入热声发动机单元10和谐振子50。
45.在此应指出的是，本实施例的工作活塞402的侧壁和缸体401的内侧壁之间采用间隙密封，并基于板弹簧403提供的支撑力，可确保工作活塞402和缸体401同轴布置。
46.进一步地，如图1和图2所示，本实施例的缸体401包括第一腔体段和第二腔体段，第一腔体段的一端和第二腔体段的一端连通，第一腔体段背离第二腔体段的一端与热声制冷机/热泵单元30的低温换热器303连接，第二腔体段背离第一腔体段的一端通过一级压缩腔70分别与热声发动机单元10和谐振子50连通。第一腔体段的一端还与热声制冷机/热泵单元30的热端连通，第一腔体段的内径大于第二腔体段的内径。
47.相应地，工作活塞402包括第一活塞段和第二活塞段，第一活塞段的一端和第二活塞段的一端连接，第一活塞段设于第一腔体段，第二活塞段设于第二腔体段，第一活塞段的直径大于第二活塞段的直径。
48.如此，工作活塞402沿缸体401的延伸方向朝向缸体401的第二端移动的过程中，第一活塞段的一端与第二腔体段的一端之间围成空腔，随着第一活塞段逐渐靠近第二腔体段，空腔的体积逐渐减小，促使排出器40回收的一部分声功通过二级压缩腔80自动回流至热声制冷机/热泵单元30。
49.基于上述实施例的方案，如图1所示，本实施例的热声发动机单元10、热缓冲管20及热声制冷机/热泵单元30分别设置于排出器40的一侧，排出器40的中部通过旁通谐振管与热声制冷机/热泵单元30的热端连通。
50.其中，本实施例的旁通谐振管作为二级压缩腔80，热声发动机单元10、热缓冲管20和热声制冷机/热泵单元30可沿热缓冲管20的中轴线设置呈一体式结构。
51.基于上述实施例的方案，如图2所示，为确保自由活塞热声斯特林制冷/热泵系统的整体结构的紧凑性，本实施例将热声发动机单元10、热缓冲管20及热声制冷机/热泵单元30分别环绕排出器40，并相对于排出器40的中轴线同轴设置；排出器40的内壁面设有旁通孔100，排出器40通过旁通孔100与热声制冷机/热泵单元30的热端连通。
52.可理解的是，本实施例的热声发动机单元10、热缓冲管20及热声制冷机/热泵单元30均呈圆环状，热声发动机单元10、热缓冲管20及热声制冷机/热泵单元30沿排出器40的中轴线依次设于排出器40的缸体401的外侧面。
53.为确保排出器40回收的声功通过旁通孔100向热声制冷机/热泵单元30分流的效果，本实施例的旁通孔100设有多个，多个旁通孔100相对于排出器40的中轴线呈圆周均布。
54.相比于上述实施例的方案，本实施例取消了旁通谐振管，从而确保了系统的整体结构的紧凑性。由于第一活塞段的一端与第二腔体段的一端之间围成的空腔与热声制冷机/热泵单元30连通，从而可将缸体401与工作活塞402之间的空腔作为二级压缩腔80，以通过二级压缩腔80控制声功向热声制冷机/热泵单元30回流。
55.与此同时，本实施例的排出器40的工作活塞402配设有连杆，连杆在从排出器40的输出端穿出后，先穿过谐振子50，再通过板弹簧403进行支撑，以确保工作活塞402和缸体401同轴布置。
56.在此应指出的是，谐振子50可以为谐振活塞，谐振活塞与连杆同轴连接。当然，谐振子50与排出器40的工作活塞402之间也可以分离布置，对此不再一一赘述。
57.基于上述实施例的方案，本实施例所示的自由活塞热声斯特林制冷/热泵系统，还包括：直线发电机60；直线发电机60和谐振子50连接，或者，直线发电机60和谐振子50设为一体式结构。
58.如此，本实施例可回收谐振子50往复运动的动能，以通过直线发电机60将谐振子50的动能转换成电能，实现对能量的有效利用。由于直线发电机60和谐振子50的布置结构属于现有技术，在此不再一一赘述。
59.最后应说明的是、以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解、其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。