專利名稱：一種油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于制冷與低溫技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是涉及一種油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)最初是由蘇格蘭人R.Stirling于1816年提出來的，如圖1所示，它主要包括高溫?fù)Q熱器4、回?zé)崞?、室溫?fù)Q熱器2、兩個(gè)活塞29和291、曲輪35。兩個(gè)活塞通過一定的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與曲輪連接在一起、并且兩個(gè)活塞的運(yùn)動(dòng)具有一定的相位差，使工作氣體通過回?zé)崞髟谑覝負(fù)Q熱器和高溫?fù)Q熱器之間來回運(yùn)動(dòng)，將熱能轉(zhuǎn)換為以聲波傳輸?shù)臋C(jī)械能，維持活塞的運(yùn)動(dòng)，并通過曲輪向外輸出。
斯特林制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)與特林發(fā)動(dòng)機(jī)相似，只是將高溫?fù)Q熱器4用冷端換熱器19取代。工作時(shí)向曲輪35輸入機(jī)械能，曲輪帶動(dòng)兩個(gè)活塞29和291作一定相位的運(yùn)動(dòng)，讓工作氣體通過回?zé)崞?將冷端換熱器19處的熱量搬運(yùn)到室溫?fù)Q熱器2，產(chǎn)生制冷作用。
目前，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或斯特林制冷機(jī)存在的主要問題就是壽命比較短，加工難度大。因?yàn)閾Q熱器和回?zé)崞饕c工作氣體有較好的換熱效果就必須不能有潤滑油進(jìn)入換熱器，同時(shí)它們也不能有油，否則流動(dòng)阻力就會(huì)大大增加，因此雖然對(duì)運(yùn)動(dòng)部件采用潤滑油進(jìn)行潤滑是非常成熟的技術(shù)，但是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或制冷機(jī)內(nèi)部不能采用潤滑油進(jìn)行潤滑。所以發(fā)動(dòng)機(jī)或制冷機(jī)中的位移器和圓筒壁之間主要采用干摩擦或是微間隙密封。但是采用干摩擦?xí)箟勖档突蚴遣牧弦蠛芨?，而采用微間隙密封則要求極高的加工工藝和裝配工藝，因此使得斯特林的發(fā)動(dòng)機(jī)或制冷機(jī)的使用受到了很大的限制。
另外，傳統(tǒng)的斯特林制冷機(jī)工作時(shí)一般都需要輸入機(jī)械功，這對(duì)于電力缺乏的場合非常不適用。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為了克服現(xiàn)有的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或斯特林制冷機(jī)不能使用潤滑油潤滑運(yùn)動(dòng)部件，造成其壽命比較短，或是對(duì)材料和加工工藝要求高，而限制了其廣泛地應(yīng)用的缺陷；同時(shí)也為了克服輸入機(jī)械功的斯特林制冷機(jī)對(duì)于電力缺乏的場合非常不適用的缺陷，從而提供一種能夠?qū)λ固亓謾C(jī)采用潤滑油進(jìn)行潤滑，同時(shí)又能夠阻止?jié)櫥瓦M(jìn)入回?zé)崞骱蛽Q熱器，且把斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和斯特林制冷機(jī)相結(jié)合，用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)斯特林制冷機(jī)的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的目的是通過如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型提供的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)，是采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)斯特林制冷機(jī)，如圖2所示，該系統(tǒng)主要包括一斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、一斯特林制冷機(jī)、連接斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和斯特林制冷機(jī)的功傳遞機(jī)構(gòu)、以及一油潤滑系統(tǒng)。
所述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)包括兩端與曲軸箱1連接的環(huán)狀的第一圓筒10，及位于其中的第一活塞5和第二活塞8，兩個(gè)活塞5、8通過活塞環(huán)9與圓筒10的內(nèi)壁進(jìn)行密封，圓筒10內(nèi)從活塞8開始沿逆時(shí)針方向依次安裝第二彈性膜片23、第一室溫?fù)Q熱器2、第一回?zé)崞?、高溫?fù)Q熱器4、第一熱緩沖腔6、第二室溫?fù)Q熱器7、第一彈性膜片25；所述的斯特林制冷機(jī)包括兩端與曲軸箱1連接的環(huán)狀的第二圓筒22，及位于其中的第四活塞15和第三活塞16，兩個(gè)活塞15、16通過活塞環(huán)9與圓筒22的內(nèi)壁進(jìn)行密封，圓筒22內(nèi)從活塞15開始沿順時(shí)針方向依次安裝第四彈性膜片24、第三室溫?fù)Q熱器17、第二回?zé)崞?8、冷端換熱器19、第二熱緩沖腔20、第四室溫?fù)Q熱器21、第二彈性膜片26；所述的連接斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和斯特林制冷機(jī)的功傳遞機(jī)構(gòu)包括一調(diào)相機(jī)構(gòu)曲輪箱1，其通過連桿11、12、13、14分別和活塞8、5、16、15相連接，調(diào)節(jié)活塞的運(yùn)動(dòng)相位；所述的油潤滑系統(tǒng)包括盛裝在曲輪箱1內(nèi)的潤滑油；連通曲輪箱與各氣缸間的連通管道31和安裝在管道中的油泵30，潤滑油可以對(duì)各個(gè)活塞、曲輪、連桿進(jìn)行潤滑。
所述的彈性膜為高彈性的有機(jī)材料或金屬材料制得的膜片，所述的有機(jī)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(jì)。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(yùn)動(dòng)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。
所述的油泵為齒輪泵。
本實(shí)用新型提供的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)中的第二回?zé)崞?8還可以進(jìn)一步分為兩部分，近冷端換熱器19部分直徑較小，遠(yuǎn)冷端換熱器19部分直徑較大，在二者的連接位置通過管子依次連接第三熱緩沖腔27、第五室溫?fù)Q熱器28，室溫?fù)Q熱器28的另一端通過管道連入到第三彈性膜片26與第四室溫?fù)Q熱器21之間的圓筒。
本實(shí)用新型提供的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)工作時(shí)是從高溫?fù)Q熱器向系統(tǒng)輸入熱量，工作氣體將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能推動(dòng)活塞5和8運(yùn)動(dòng)，在通過連桿以及曲軸箱內(nèi)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)活塞15和16運(yùn)動(dòng)，15、16活塞成一定相位角的運(yùn)動(dòng)使制冷機(jī)內(nèi)工作氣體有規(guī)律的壓縮膨脹，在冷端換熱器處產(chǎn)生低溫。
本實(shí)用新型的關(guān)鍵是使用了一種彈性膜片，能夠阻止?jié)櫥瓦M(jìn)入換熱器和回?zé)崞?，同時(shí)還能夠保證聲功在膜的兩側(cè)傳輸，這種膜片能夠嚴(yán)格隔開其兩側(cè)的流動(dòng)介質(zhì)，同時(shí)又具有非常好的彈性。由于這些彈性膜片一般是在室溫時(shí)才有較長的使用壽命，因此在本系統(tǒng)中在高溫?fù)Q熱器或低溫?fù)Q熱器和彈性膜片之間安裝了室溫?fù)Q熱器，以保證在使用時(shí)高溫氣體或者低溫氣體不和彈性膜片接觸。另外，在高溫?fù)Q熱器或低溫?fù)Q熱器和室溫?fù)Q熱器還有緩沖熱腔，形成一個(gè)有溫度梯度的熱緩沖區(qū)，使得工作氣體在交變流動(dòng)時(shí)，不會(huì)把熱量或者冷量帶到室溫?fù)Q熱器，造成能量損失。
活塞的掃氣量對(duì)彈性膜片的工作有很大的影響，如果掃氣量較大，彈性膜片的變形量也會(huì)較大，有的時(shí)候甚至?xí)銎鋸椥宰冃蔚姆秶?，縮短其使用壽命。解決這一問題的辦法就是，在安裝彈性膜片的地方，擴(kuò)大圓筒的直徑。這樣彈性膜片的有效變形面積就會(huì)增大，在同樣的體積流量情況下，其變形量就會(huì)減小，從而起到對(duì)膜片的保護(hù)作用。此外，彈性膜片也可加工成各種波浪形狀，以增加其位移量。
本實(shí)用新型提供的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)斯特林制冷機(jī)，并用彈性膜片將活塞和換熱器、回?zé)崞鞲糸_，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于所有運(yùn)動(dòng)部件可以采用潤滑油進(jìn)行潤滑，但潤滑油不會(huì)進(jìn)入換熱器和回?zé)崞?，這使得整個(gè)系統(tǒng)的加工難度降低了，使用壽命延長了，同時(shí)工作性能有的到了保障同時(shí)，由于潤滑油降低了汽缸-活塞之間的摩擦損耗，因此，整個(gè)系統(tǒng)了效率還得到了提高；此外，使用熱能作為能源，特別適合于電力缺乏熱能充足的地方使用。


圖1圖1為傳統(tǒng)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(制冷機(jī))結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例1的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實(shí)施例2的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1曲輪箱，2第一室溫?fù)Q熱器，3第一回?zé)崞鳎?高溫?fù)Q熱器，5第一活塞，6第一熱緩沖腔，7第二室溫?fù)Q熱器，8第二活塞，9活塞環(huán)，10第一圓筒，11第二連桿，12第一連桿，13第三連桿，14第四連桿，15第四活塞，16第三活塞，17第三室溫?fù)Q熱器，18第二回?zé)崞鳎?9冷端換熱器，20第二熱緩沖腔，21第四室溫?fù)Q熱器，22第二圓筒，23第二彈性膜片，24第四彈性膜片，25第一彈性膜片，26第三彈性膜片，27第三熱緩沖腔，28第五室溫?fù)Q熱器，291活塞，29活塞，30油泵，31連通管道，35曲輪。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述實(shí)施例1本實(shí)用新型提供的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)，是采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)斯特林制冷機(jī)，如圖2所示，該系統(tǒng)主要包括一斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、一斯特林制冷機(jī)、連接斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和斯特林制冷機(jī)的功傳遞機(jī)構(gòu)、以及一油潤滑系統(tǒng)。
所述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)包括兩端與曲軸箱1連接的環(huán)狀的第一圓筒10，及位于其中的第一活塞5和第二活塞8，兩個(gè)活塞5、8通過活塞環(huán)9與圓筒10的內(nèi)壁進(jìn)行密封，圓筒10內(nèi)從活塞8開始沿逆時(shí)針方向依次安裝第二彈性膜片23、第一室溫?fù)Q熱器2、第一回?zé)崞?、高溫?fù)Q熱器4、第一熱緩沖腔6、第二室溫?fù)Q熱器7、第一彈性膜片25；所述的斯特林制冷機(jī)包括兩端與曲軸箱1連接的環(huán)狀的第二圓筒22，及位于其中的第四活塞15和第三活塞16，兩個(gè)活塞15、16通過活塞環(huán)9與圓筒22的內(nèi)壁進(jìn)行密封，圓筒22內(nèi)從活塞15開始沿順時(shí)針方向依次安裝第四彈性膜片24、第三室溫?fù)Q熱器17、第二回?zé)崞?8、冷端換熱器19、第二熱緩沖腔20、第四室溫?fù)Q熱器21、第三彈性膜片26；所述的連接斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和斯特林制冷機(jī)的功傳遞機(jī)構(gòu)包括一調(diào)相機(jī)構(gòu)曲輪箱1，其通過第二連桿11、第一連桿12、第三連桿13、第四連桿14分別和活塞8、5、16、15相連接，調(diào)節(jié)活塞的運(yùn)動(dòng)相位；所述的油潤滑系統(tǒng)包括盛裝在曲輪箱1內(nèi)的潤滑油；連通曲輪箱與各氣缸間的連通管道31和安裝在管道中的齒輪泵30，潤滑油可以對(duì)各個(gè)活塞、曲輪、連桿進(jìn)行潤滑。
所有的彈性膜片均采用1mm厚的硅膠薄膜，其直徑的大小根據(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(jì)，并根據(jù)其彈性膜的許用位移大于該截面處的氣體運(yùn)動(dòng)位移。
所述的熱緩沖腔是不銹鋼的薄壁空管子，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。
系統(tǒng)工作時(shí)在加熱器5處向系統(tǒng)輸入熱量，圓筒10內(nèi)的工作氣體將熱能轉(zhuǎn)為機(jī)械能，推動(dòng)活塞5、8運(yùn)動(dòng)，在經(jīng)過連桿11、12，曲輪箱及連桿13、14將能量傳遞給活塞15、16?；钊?5和16的運(yùn)動(dòng)驅(qū)使圓筒22內(nèi)工作氣體將熱量從低溫?fù)Q熱器19搬運(yùn)到室溫?fù)Q熱器17，從而達(dá)到制冷的作用。
可以看到，曲軸箱內(nèi)的潤滑油能進(jìn)入到活塞處，但是都被彈性膜片擋住了而不能進(jìn)入換熱器和回?zé)崞?。而彈性膜片隨工作氣體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)又不會(huì)阻礙壓力波的傳遞，因此不會(huì)降低系統(tǒng)的工作性能。相反，由于潤滑油降低汽缸-活塞之間摩擦損耗的降低，還會(huì)對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的效率有所提高。
實(shí)施例2本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖3所示，本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)基本類似，工作原理也相同。但回?zé)崞?8被分成了兩部分，靠近室溫?fù)Q熱器17的回?zé)崞鞑糠种睆奖冗h(yuǎn)離室溫?fù)Q熱器17的回?zé)崞鞑糠种睆叫。诙叩南嘟犹幰来芜B接了熱緩沖腔27和室溫?fù)Q熱器28，室溫?fù)Q熱器28的另一端與室溫?fù)Q熱器21和彈性膜片26之間的圓筒連通。這樣的結(jié)構(gòu)相對(duì)實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)通常能獲得更低的制冷溫度。
權(quán)利要求1.一種油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)，是采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)斯特林制冷機(jī)，該系統(tǒng)主要包括一斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、一斯特林制冷機(jī)、連接斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和斯特林制冷機(jī)的功傳遞機(jī)構(gòu)、以及一油潤滑系統(tǒng)，其特征在于所述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)包括兩端與曲軸箱(1)連接的環(huán)狀的第一圓筒(10)，及位于其中的第一活塞(5)和第二活塞(8)，兩個(gè)活塞(5)、(8)通過活塞環(huán)(9)與圓筒(10)的內(nèi)壁進(jìn)行密封，圓筒(10)內(nèi)從活塞(8)開始沿逆時(shí)針方向依次安裝第二彈性膜片(23)、第一室溫?fù)Q熱器(2)、第一回?zé)崞?3)、高溫?fù)Q熱器(4)、第一熱緩沖腔(6)、第二室溫?fù)Q熱器(7)、第一彈性膜片(25)；所述的斯特林制冷機(jī)包括兩端與曲軸箱(1)連接的環(huán)狀的第二圓筒(22)，及位于其中的第四活塞(15)和第三活塞(16)，兩個(gè)活塞(15)、(16)通過活塞環(huán)(9)與圓筒(22)的內(nèi)壁進(jìn)行密封，圓筒(22)內(nèi)從活塞(15)開始沿順時(shí)針方向依次安裝第四彈性膜片(24)、第三室溫?fù)Q熱器(17)、第二回?zé)崞?18)、冷端換熱器(19)、第二熱緩沖腔(20)、第四室溫?fù)Q熱器(21)、第三彈性膜片(26)；所述的連接斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和斯特林制冷機(jī)的功傳遞機(jī)構(gòu)包括一調(diào)相機(jī)構(gòu)曲輪箱(1)，其通過連桿(11)、(12)、(13)、(14)分別和活塞(8)、(5)、(16)、(15)相連接，調(diào)節(jié)活塞的運(yùn)動(dòng)相位；所述的油潤滑系統(tǒng)包括盛裝在曲輪箱(1)內(nèi)的潤滑油；連通曲輪箱與各氣缸間的連通管道(31)和安裝在管道中的油泵(30)，潤滑油可以對(duì)各個(gè)活塞、曲輪、連桿進(jìn)行潤滑。
2.如權(quán)利要求1所述的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)，其特征在于所述的彈性膜片為高彈性的有機(jī)材料或金屬材料制得的膜片。
3.如權(quán)利要求1所述的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)，其特征在于所述的彈性膜片為氟橡膠、乳膠、或天然橡膠制得的膜片。
4.如權(quán)利要求1所述的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)，其特征在于所述的彈性膜片為鈹青銅、或不銹鋼材料制得的膜片。
5.如權(quán)利要求1所述的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)，其特征在于所述的熱緩沖腔為低熱導(dǎo)率材料制得的薄壁空管子。
6.如權(quán)利要求5所述的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)，其特征在于所述的熱緩沖腔為不銹鋼、鈦合金、或者陶瓷制得的薄壁空管子。
7.如權(quán)利要求1所述的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)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所述的油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)，其特征在于所述的第二回?zé)崞?18)進(jìn)一步分為兩部分，近冷端換熱器(19)部分直徑較小，遠(yuǎn)冷端換熱器(19)部分直徑較大，在二者的連接位置通過管子依次連接第三熱緩沖腔(27)、第五室溫?fù)Q熱器(28)，室溫?fù)Q熱器(28)的另一端通過管道連入到第三彈性膜片(26)與第四室溫?fù)Q熱器(21)之間的圓筒。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種油潤滑的熱驅(qū)動(dòng)斯特林制冷系統(tǒng)。是采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)斯特林制冷機(jī)，并用彈性膜片將活塞和換熱器、回?zé)崞鞲糸_，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該系統(tǒng)中所有運(yùn)動(dòng)部件可以采用潤滑油進(jìn)行潤滑，但潤滑油不會(huì)進(jìn)入換熱器和回?zé)崞?，這使得整個(gè)系統(tǒng)的加工難度降低了，使用壽命延長了，同時(shí)工作性能有的到了保障；同時(shí)，由于潤滑油降低了汽缸－活塞之間的摩擦損耗，因此，整個(gè)系統(tǒng)了效率還得到了提高；此外，使用熱能作為能源，特別適合于電力缺乏熱能充足的地方使用。
文檔編號(hào)F02G1/00GK2839911SQ20052001827
公開日2006年11月22日 申請日期2005年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月12日
發(fā)明者羅二倉, 戴巍, 胡劍英, 吳劍峰 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所