專利名稱：采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于制冷與低溫技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是涉及一種采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
眾所周知，斯特林系統(tǒng)是一種熱效率高、環(huán)保(采用惰性氣體)的熱力機械，但是，以往的斯特林制冷機一般不能采用油潤滑的壓縮機驅(qū)動，導(dǎo)致了其可靠性較差，一般運行壽命僅在數(shù)千小時；此外，為了減小因無油潤滑而帶來的干摩擦、進而降低機械效率的問題，通常其汽缸、活塞需要采用特殊的材料、精密的加工等，由此導(dǎo)致其制作成本很高。因此，盡管傳統(tǒng)的斯特林制冷具有環(huán)保(因采用氦氣等惰性氣體)和效率高的優(yōu)點，但其一直未能得到大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。近來，雖然出現(xiàn)了采用板彈簧支撐的直線壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)，但是由于這種直線壓縮機要求極高的加工技術(shù)、裝配技術(shù)以及特殊的汽缸-活塞材料，因此，目前也還沒有得到商業(yè)化的應(yīng)用。上述技術(shù)的難點仍然是由于壓縮機不能采用油潤滑所致。
目前，典型采用無油潤滑的整體式斯特林制冷機系統(tǒng)如圖1所示，它主要包括(1)一個無油潤滑的壓縮機1，它一般是曲柄-連桿型的，由電機帶動驅(qū)動兩個成一定角度運動的壓縮活塞11和排氣活塞12；(2)室溫端冷卻器2；(3)回?zé)崞?；(4)冷端換熱器4。該斯特林制冷系統(tǒng)一般都采用氦氣等氣體作為工質(zhì)，其主要缺點是制冷系統(tǒng)中不能有潤滑油。否則，1、潤滑油污染會使系統(tǒng)中的換熱器及回?zé)崞鲹Q熱能力下降，導(dǎo)致制冷性能下降；2、可能發(fā)生潤滑油堵塞使流動阻力增加，導(dǎo)致性能下降；3、甚至由于潤滑油結(jié)冰等原因而不能正常工作。因此，傳統(tǒng)的斯特林制冷系統(tǒng)的壓縮機只能采用無油潤滑。目前尚沒有提出可以采用油潤滑壓縮機而且又能避免潤滑油進入制冷系統(tǒng)的實施方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的無油潤滑的整體式斯特林制冷機系統(tǒng)如果使用了潤滑油，不能避免潤滑油進入制冷系統(tǒng)，可能會由于潤滑油的污染或是發(fā)生堵塞使系統(tǒng)制冷性能下降、或是由于潤滑油結(jié)冰等原因而不能正常工作的缺陷，從而提供一種壓縮機壽命大大提高，同時又可以降低壓縮機的機械加工難度，且高可靠性、低成本、高效率、完全環(huán)保的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明提供的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)，如圖2所示，包括一個壓縮機1；一電動機通過曲柄連桿機構(gòu)分別與壓縮機1的壓縮活塞11和排氣活塞12相連，并推動壓縮活塞11和排氣活塞12分別在汽缸中運動；壓縮活塞11和排氣活塞12間的汽缸內(nèi)依次連有室溫端冷卻器2、回?zé)崞?、冷端換熱器4、熱緩沖腔7和室溫?fù)Q熱器8，該制冷系統(tǒng)還包括安裝在氣缸內(nèi)壓縮活塞11與室溫端冷卻器2之間的第一彈性膜6，以形成使得壓縮活塞11可以在其間移動的壓縮氣缸14；安裝在氣缸內(nèi)室溫?fù)Q熱器8與排氣活塞12之間的第二彈性膜61，以形成使得壓縮活塞12可以在其間移動的排氣氣缸15；和一個油潤滑機構(gòu)5，該油潤滑機構(gòu)5包括盛裝在壓縮機腔體底部的潤滑油；連通壓縮機腔體底部與壓縮氣缸14的連通管道和安裝在管道中的第一油泵9；和連通壓縮機腔體底部與排氣氣缸15的連通管道和安裝在管道中的第二油泵91。
所述的彈性膜為高彈性的有機材料或金屬材料制得的膜片，所述的有機材料為氟橡膠、乳膠、天然橡膠等，所述的金屬材料則為鈹青銅、彈性不銹鋼材料等，它們的厚度和直徑的大小根據(jù)所在截面的體積流量和彈性材料的疲勞極限加以設(shè)計。通常，彈性膜的材料厚度在0.3～5mm之間，而其直徑則根據(jù)其彈性膜的許用位移大于該截面處的氣體運動位移。
所述的熱緩沖腔是不銹鋼、鈦合金或者陶瓷等低熱導(dǎo)率材料的薄壁空管子，其壁厚一般為管子臨界承壓厚度的1～3倍左右，通常在0.1mm～5mm之間。
所述的第一油泵9和第二油泵91為齒輪泵。
本發(fā)明提供的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)可以是一個多級的致冷系統(tǒng)，在所述的回?zé)崞?和冷端換熱器4之間可以根據(jù)需要，加裝n級回?zé)崞?，其中n為大于2的正整數(shù)。例如加入二級回?zé)崞?0，或依次加入二級回?zé)崞?0和三級回?zé)崞?3。
本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)在于使用了一種高彈性膜，其原理的簡要說明如下假設(shè)彈性膜片兩側(cè)的壓力為p1和p2，彈性膜片的質(zhì)量為m，彈性系數(shù)為K，彈性膜片的橫截面積為A，則有(p1-p2)A＝Kx+mx″(1)其中x為彈性膜片的位移量，x″為位移對時間的二階導(dǎo)數(shù)即加速度。
將p1、p2、x以簡諧形式p1＝P1·ejωtp2＝P2·ejωtx＝X·ejωtx″＝-ω2·X·ejωt其中P1、P2、X分別為各簡諧量的幅值，ω為角頻率，代入(1)式可以進一步寫成如下形式(P1-P2)A＝(K-mω2)X (2)從上式可以看出，如果彈性膜的彈性很好，則意味著彈性膜的剛度系數(shù)K趨于0；此外，若膜片的質(zhì)量很輕，則質(zhì)量m也趨于0，這樣，極限的情況下就可得出膜片兩側(cè)的壓力P1、P2完全相同。實際上，與膜兩側(cè)的氣體壓力相比，由膜片的彈性和質(zhì)量所引起的貢獻很小(兩個量級以下)，所以可認(rèn)為膜片傳遞聲波的能力與氣體完全相同。即可在防止壓縮機內(nèi)中的潤滑油進入到制冷系統(tǒng)內(nèi)部分同時，又可以有效地將壓縮機的機械功以聲波的形式傳遞到制冷系統(tǒng)。
本發(fā)明提供的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，除了使用了一種高彈性膜，還增加了熱緩沖管，從而可以使排氣活塞在室溫環(huán)境工作，一方面可以降低制冷損失，另一方面保證了排氣活塞可在室溫環(huán)境進行潤滑。
本發(fā)明通過對傳統(tǒng)斯特林制冷技術(shù)的改進得到的致冷系統(tǒng)在保持高效、環(huán)保優(yōu)點的同時，其壽命也得到大幅度提高，并且加工成本得到大大降低。


圖1是傳統(tǒng)的采用無油潤滑的整體式斯特林制冷機系統(tǒng)示意圖；圖2是實施例1的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的單級斯特林制冷系統(tǒng)示意圖；圖3是實施例2的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的二級斯特林制冷系統(tǒng)示意圖；圖4是實施例3的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的三級斯特林制冷系統(tǒng)示意圖；其中1.壓縮機，2.室溫端冷卻器，3.回?zé)崞鳎?.冷端換熱器，5.油潤滑機構(gòu)，6.第一彈性膜，61.第二彈性膜，7.熱緩沖腔，8.室溫?fù)Q熱器，9.第一油泵，91.第二油泵，10.二級回?zé)崞鳎?1.壓縮活塞，12.排氣活塞，13.三級回?zé)崞鳎?4.壓縮氣缸，15.排氣氣缸。
具體實施例方式
本發(fā)明提供的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)，如圖2所示，包括一個壓縮機1；一電動機通過曲柄連桿機構(gòu)分別與壓縮機1的壓縮活塞11和排氣活塞12相連，并推動壓縮活塞11和排氣活塞12分別在汽缸中運動；壓縮活塞11和排氣活塞12間的汽缸內(nèi)依次連有室溫端冷卻器2、回?zé)崞?、冷端換熱器4、熱緩沖腔7和室溫?fù)Q熱器8，該制冷系統(tǒng)還包括安裝在氣缸內(nèi)壓縮活塞11與室溫端冷卻器2之間的第一彈性膜6，以形成使得壓縮活塞11可以在其間移動的壓縮氣缸14；安裝在氣缸內(nèi)室溫?fù)Q熱器8與排氣活塞12之間的第二彈性膜61，以形成使得壓縮活塞12可以在其間移動的排氣氣缸15；和一個油潤滑機構(gòu)5，該油潤滑機構(gòu)5包括盛裝在壓縮機腔體底部的潤滑油；連通壓縮機腔體底部與壓縮氣缸14的連通管道和安裝在管道中的第一油泵9；和連通壓縮機腔體底部與排氣氣缸15的連通管道和安裝在管道中的第二油泵91。該制冷系統(tǒng)可以是一個多級的致冷系統(tǒng)。下面結(jié)合具體實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。
實施例1、本發(fā)明提供的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的單級斯特林制冷系統(tǒng)如圖2所示，本發(fā)明提供的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的單級斯特林制冷系統(tǒng)包括(1)一個油潤滑的壓縮機系統(tǒng)1，它由電動機帶動一個曲柄連桿機構(gòu)，該曲柄連桿機構(gòu)分別與壓縮活塞11和排氣活塞12相連，二者的運動角度相差90度。此外，一個采用齒輪泵9的油潤滑機構(gòu)5連續(xù)不斷地將壓縮機腔體底部的潤滑油泵送到壓縮活塞11和排氣活塞12的活塞-汽缸間隙，使其得到良好潤滑；在所述的壓縮活塞11和排氣活塞12的前方均包括一個美國杜邦公司生產(chǎn)的Viton牌號的氟橡膠材料所制作的彈性膜6，潤滑油將不會進入制冷系統(tǒng)內(nèi)部，而在兩個活塞端面積累，然后通過重力和氣體的作用返回到壓縮機腔體底部，重新進行循環(huán)。(2)壓縮活塞往復(fù)運動產(chǎn)生的聲波通過彈性膜的作用將機械功(聲波的形式)輸送到制冷系統(tǒng)，通過制冷系統(tǒng)內(nèi)部熱端冷卻器——室溫端冷卻器2、回?zé)崞?、冷端換熱器4、熱緩沖腔7的聯(lián)合作用而將輸入制冷系統(tǒng)，一部分聲功產(chǎn)生制冷效應(yīng)，而另外一部分膨脹功則通過排氣活塞前面的彈性膜反饋作用于排氣活塞12而得到回收。同樣，由于該彈性膜的作用，排氣活塞中汽缸-活塞之間的潤滑油將不會進入到制冷系統(tǒng)。熱緩沖腔7使得排氣活塞工作在室溫環(huán)境，有利于潤滑油的潤滑。(3)該制冷系統(tǒng)采用氦氣作工質(zhì)，工作壓力為10～30bar，工作頻率為50～60Hz之間?；?zé)崞鞯拈L度在10～30mm之間。彈性膜的厚度在0.3mm-5mm之間。該制冷流程適用于冰箱、空調(diào)、熱泵工作溫區(qū)。
實施例2、本發(fā)明提供的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的二級斯特林制冷系統(tǒng)如圖3所示，本發(fā)明提供的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的二級斯特林制冷系統(tǒng)包括(1)一個油潤滑的壓縮機系統(tǒng)1，它由電動機帶動一個曲柄連桿機構(gòu)，該曲柄連桿機構(gòu)分別與壓縮活塞11和排氣活塞12相連，三者之間存在運動角度差。此外，一個采用齒輪泵9的油潤滑機構(gòu)5連續(xù)不斷地將壓縮機腔體底部的潤滑油泵送到壓縮活塞11和排氣活塞12的活塞-汽缸間隙，使其得到良好潤滑；在所述的壓縮活塞11和排氣活塞12的前方均包括一個天然橡膠材料制作的彈性膜6，潤滑油將不會進入制冷系統(tǒng)內(nèi)部，而在兩個活塞端面積累，然后通過重力和氣體的作用返回到壓縮機腔體底部，重新進行循環(huán)。(2)每級各有一個排氣活塞12。壓縮活塞往復(fù)運動產(chǎn)生的聲波通過彈性膜的作用將機械功(聲波的形式)輸送到制冷系統(tǒng)，通過制冷系統(tǒng)內(nèi)部第一級的熱端冷卻器——室溫端冷卻器2、回?zé)崞?、二級回?zé)崞?0、熱緩沖腔7的聯(lián)合作用，將輸入制冷系統(tǒng)一部分聲功產(chǎn)生制冷效應(yīng)，而另外一部分膨脹功則分別通過一級排氣活塞12和二級排氣活塞12的彈性膜反饋作用于一級排氣活塞及二級排氣活塞而得到回收。同樣，由于該彈性膜的作用，排氣活塞中汽缸-活塞之間的潤滑油將不會進入到制冷系統(tǒng)。熱緩沖腔7使得排氣活塞工作在室溫環(huán)境，有利于潤滑油的潤滑。(3)該制冷系統(tǒng)采用氦氣作工質(zhì)，工作壓力為10～30bar，工作頻率為50～60Hz之間。單級回?zé)崞鞯拈L度在30～80mm之間。彈性膜的厚度在0.3mm-5mm之間。該制冷流程用于獲得4K-80K溫區(qū)的低溫。
實施例3、本發(fā)明提供的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的三級斯特林制冷系統(tǒng)如圖4所示，本發(fā)明提供的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的三級斯特林制冷系統(tǒng)包括(1)一個油潤滑的壓縮機系統(tǒng)1，它由電動機帶動一個曲柄連桿機構(gòu)，該曲柄連桿機構(gòu)分別與壓縮活塞11和一個排氣活塞12相連，兩者之間存在運動角度差。此外，一個采用齒輪泵9的油潤滑機構(gòu)5連續(xù)不斷地將壓縮機腔體底部的潤滑油泵送到壓縮活塞11和排氣活塞12的活塞-汽缸間隙，使其得到良好潤滑；在所述的壓縮活塞11和排氣活塞12的前方均包括一個鈹青銅材料所制作的彈性膜6，潤滑油將不會進入制冷系統(tǒng)內(nèi)部，而在兩個活塞端面積累，然后通過重力和氣體的作用返回到壓縮機腔體底部，重新進行循環(huán)。(2)壓縮活塞往復(fù)運動產(chǎn)生的聲波通過彈性膜的作用將機械功(聲波的形式)輸送到制冷系統(tǒng)，通過制冷系統(tǒng)內(nèi)部第一級的室溫端冷卻器2、回?zé)崞?，在一級回?zé)崞髦幸徊糠致暪Ξa(chǎn)生制冷效應(yīng)，一部分膨脹功通過彈性膜被排氣活塞12回收，剩下的流向二級回?zé)崞?0。同樣在二級回?zé)崞髦?，一部分聲功產(chǎn)生制冷，一部分膨脹功通過彈性膜被排氣活塞12回收，剩下的流向三級回?zé)崞?，一部分聲功產(chǎn)生制冷，一部分膨脹功通過彈性膜被排氣活塞12回收。同樣，由于該彈性膜的作用，排氣活塞中汽缸-活塞之間的潤滑油將不會進入到制冷系統(tǒng)。(3)該制冷系統(tǒng)采用氦氣作工質(zhì)，工作壓力為10～30bar，工作頻率為50～60Hz之間。每級回?zé)崞鞯拈L度在30～80mm之間。彈性膜的厚度在0.3mm-5mm之間。
理論上可以組成更多級各帶有排氣活塞的整體式斯特林制冷系統(tǒng)，但系統(tǒng)復(fù)雜度也隨之上升，一般不超地三級。
權(quán)利要求
1.一種采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)，包括一個壓縮機(1)；一電動機通過曲柄連桿機構(gòu)分別與壓縮機(1)的壓縮活塞(11)和排氣活塞(12)相連，并推動壓縮活塞(11)和排氣活塞(12)分別在汽缸中運動；壓縮活塞(11)和排氣活塞(12)間的汽缸內(nèi)依次連有室溫端冷卻器(2)、回?zé)崞?3)、冷端換熱器(4)、熱緩沖腔(7)和室溫?fù)Q熱器(8)，其特征在于還包括安裝在氣缸內(nèi)壓縮活塞(11)與室溫端冷卻器(2)之間的第一彈性膜(6)，以形成使得壓縮活塞(11)在其間移動的壓縮氣缸(14)；安裝在氣缸內(nèi)室溫?fù)Q熱器(8)與排氣活塞(12)之間的第二彈性膜(61)，以形成使得壓縮活塞(12)在其間移動的排氣氣缸(15)；和一個油潤滑機構(gòu)(5)，該油潤滑機構(gòu)(5)包括盛裝在壓縮機腔體底部的潤滑油；連通壓縮機腔體底部與壓縮氣缸(14)的連通管道和安裝在管道中的第一油泵(9)；和連通壓縮機腔體底部與排氣氣缸(15)的連通管道和安裝在管道中的第二油泵(91)。
2.如權(quán)利要求1所述的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)，其特征在于所述的彈性膜為高彈性的有機材料或金屬材料制得的膜片。
3.如權(quán)利要求1或2所述的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)，其特征在于所述的彈性膜為氟橡膠、乳膠、或天然橡膠制得的膜片。
4.如權(quán)利要求1或2所述的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)，其特征在于所述的彈性膜為鈹青銅、或不銹鋼材料制得的膜片。
5.如權(quán)利要求1所述的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)，其特征在于所述的熱緩沖腔(7)為低熱導(dǎo)率材料制得的薄壁空管子。
6.如權(quán)利要求5所述的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)，其特征在于所述的熱緩沖腔(7)為不銹鋼、鈦合金、或者陶瓷制得的薄壁空管子。
7.如權(quán)利要求1所述的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)，其特征在于所述的油泵為齒輪泵。
8.如權(quán)利要求1所述的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)，其特征在于所述的采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)是一個多級的致冷系統(tǒng)，在所述的回?zé)崞?3)和冷端換熱器(4)之間裝有n級回?zé)崞?，其中n為大于2的正整數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用油潤滑壓縮機驅(qū)動的斯特林制冷系統(tǒng)，包括一個壓縮機，其電動機通過曲柄連桿機構(gòu)分別與壓縮活塞和排氣活塞相連，在壓縮活塞和排氣活塞間依次連有室溫端冷卻器，回?zé)崞?，和冷端換熱器，壓縮機中還包括一個油潤滑機構(gòu)，該油潤滑機構(gòu)為一個帶有油泵、可將壓縮機腔體底部的潤滑油噴入到壓縮活塞和排氣活塞的汽缸－活塞間隙、進行潤滑的回路；在壓縮活塞和排氣活塞的前方均包括一個彈性膜；在冷端換熱器與排氣活塞之間連接有熱緩沖腔，其在靠近排氣活塞一端還連有室溫?fù)Q熱器。本發(fā)明通過對傳統(tǒng)斯特林制冷技術(shù)的改進得到的致冷系統(tǒng)在保持高效、環(huán)保優(yōu)點的同時，其壽命也得到大幅度提高，并且加工成本得到大大降低。
文檔編號F25B9/14GK1677018SQ200510011630
公開日2005年10月5日 申請日期2005年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月25日
發(fā)明者羅二倉, 吳張華, 戴巍, 吳劍峰 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所