CN111846053B - 基于车轮与摩擦轮直径比变速传动的自行车制冷装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于车轮与摩擦轮直径比变速传动的自行车制冷装置，属于摩擦轮与斯特林制冷机应用技术领域。该装置包括摩擦轮、斯特林制冷机、冷藏箱以及控制开关，自行车轮胎连接摩擦轮，摩擦轮通过转子连接斯特林制冷机，斯特林制冷机连接冷藏箱，控制开关安装与车把上，通过金属线、控制杠杆连接斯特林制冷机，该装置利用机械能产生冷量，出于人性化的设计，在骑行减速过程中通过控制装置压紧开关使摩擦轮与后轮贴合制冷，也可达到减速的效果，上坡时可解除二者之间的贴合，减少人体的负荷。该发明可用于在野外游玩时冷藏饮料、冷却食物，轻巧简洁，高效节能。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦轮与斯特林制冷机应用技术领域，特别是指一种基于车轮与摩擦轮直径比变速传动的自行车制冷装置。
背景技术
随着人们生活水平的提高，越来越多的人们注重生活的质量问题。因自行车是一种健康环保、方便易学的交通工具，成为了人们短途出行的常备选项。尤其是近几年来绿色出行的观念深入人心，人们在通勤工具上也会偏向于通风性好的自行车。但自行车的简单的机械结构不足以满足人们其他的需求，人们往往希望能骑行到人烟稀少的地方做一顿美食，吃着烤肉、喝着冰镇饮料边欣赏身旁美景。骑行自行车经过长途跋涉耗费时间久，炎热的天气也会造成食物的不新鲜以及冷饮的回热。常规的电源和电冰箱明显不易携带，若是电源电量耗尽冰箱的运转也会随之停止，这会带来极大的不便。与此同时，自行车在骑行过程中往往会间断性地使用刹车来调控车速，而在以往的自行车刹车***中，自行车的动能会全部转为热能，这种能量白白的浪费在空气中，没有得到合理的应用。如果能将原本浪费的机械能直接进行制冷，不仅可以充分地利用机械能，还可以使自行车的功能趋于多元化，给人们在出游时带来了极大的便利。综合以上考虑，本团队设计了一款能够利用摩擦轮变速带动制冷机制冷的装置，既实现了回收刹车时原本无法利用的能量，又体现了绿色环保的理念，为自行车高效节能、人性化设计提供了一个新思路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种基于车轮与摩擦轮直径比变速传动的自行车制冷装置。
该装置包括摩擦轮、斯特林制冷机、冷藏箱以及控制***，其中，斯特林制冷机包括回热器、制冷缸、散热缸、压缩活塞及膨胀活塞、中心转轴，冷藏箱包括保温层、铝制内胆及铝制肋片，控制***包括控制杠杆、控制开关、金属线及弹簧装置，自行车的轮胎与摩擦轮相连，摩擦轮通过转子与斯特林制冷机相连，斯特林制冷机冷端连接冷藏箱，回热器连接制冷缸和散热缸，压缩活塞和膨胀活塞通过连杆分别连接到两个飞轮上，两个飞轮又与中心转轴相连，中心转轴转动带动压缩活塞和膨胀活塞在散热缸和制冷缸内完成循环过程，控制开关位于车把手处，控制开关通过金属线连接控制杠杆，控制杠杆一端连接摩擦轮，另一端被金属线拉动，通过弹簧装置控制摩擦轮与轮胎的分合；冷藏箱外部为保温层，保温层内部为铝制内胆，冷藏箱侧壁设置铝制肋片。
自行车为斯特林制冷机提供机械能，自行车车轮与摩擦轮直径的比变速传动将自行车车轮的低转速转化为制冷机转子所需的高转速，其中，低转速为100~300r/min，高转速为2000~4000r/min。
摩擦轮的直径为2.5cm，摩擦轮表面采用橡胶材料。
保温层由发泡硬质聚氨酯泡沫塑料和表观密度在20~23kg/m³的泡沫板组成，发泡硬质聚氨酯泡沫塑料密度为35~40kg/m3时，导热系数为0.018~0.024W/(m·k)。
压缩活塞和膨胀活塞在制冷缸和散热缸内完成循环过程，其中每个循环过程包括等温压缩、等容放热、等温膨胀、等容吸热四个过程。
回热器内部填充堆积金属丝网，是多孔介质，由丝网片先成型后堆积而成。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过对自行车进行机械改造，结合摩擦轮接触传动、斯特林制冷、肋片强化换热等设计技术，实现机械能的回收利用。装置将自行车的后轮胎边缘与摩擦轮垂直接触，带动制冷机转子产生高转速，便可将刹车和骑行时原本浪费掉的机械能一部分直接用于制冷，既节省了能耗，也方便使用。同时制冷机输入的功率较低，通过摩擦轮变速后对人的负荷也不高，装置可以实现连续骑行运行。斯特林制冷机是目前被研究的最深入、变型最多的小型低温制冷机，应用广泛，技术成熟。本套装置整体的体积小，质量轻，结构紧凑美观。有效解决了夏日出行外带食物不便、骑行时能量利用效率低的问题。该装置具有轻巧便携、冷量随产随用、能量转化效率高、装置一体化等优势。同时斯特林机工作时转子正转制冷、反转产热，冷藏箱经改装后还可达到保温箱的效果。装置实现了骑行时自行车机械能的高效利用，其设计思路契合节能减排和可持续发展的理念，具有广阔的应用前景和良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图；
图2为本发明中曲柄连杆机构带动的双活塞斯特林制冷机的结构示意图；
图3为本发明保温箱内部的结构示意图。
其中：1-自行车，2-摩擦轮，3-斯特林制冷机，4-冷藏箱，5-控制杠杆，6-控制开关，7-金属线，8-弹簧装置，9-回热器，10-制冷缸，11-散热缸，12-压缩活塞，13-膨胀活塞，14-中心转轴，15-保温层，16-铝制内胆，17-铝制肋片。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种基于车轮与摩擦轮直径比变速传动的自行车制冷装置。
如图1所示，该装置包括摩擦轮2、斯特林制冷机3、冷藏箱4以及控制***，其中，如图2所示，斯特林制冷机3包括回热器9、制冷缸10、散热缸11、压缩活塞12及膨胀活塞13、中心转轴14，如图3所示，冷藏箱4包括保温层15、铝制内胆16及铝制肋片17，控制***包括控制杠杆5、控制开关6、金属线7及弹簧装置8，自行车1的轮胎与摩擦轮2相连，摩擦轮2通过转子与斯特林制冷机3相连，斯特林制冷机3冷端连接冷藏箱4，回热器9连接制冷缸10和散热缸11，压缩活塞12和膨胀活塞13分别连接到两个飞轮上，两个飞轮又与中心转轴14相连，中心转轴14转动带动压缩活塞12和膨胀活塞13在散热缸11和制冷缸10内完成循环过程，控制开关6位于车把手处，控制开关6通过金属线7和控制杠杆5相连，控制杠杆5一端连接摩擦轮2，另一端被金属线7拉动，通过弹簧装置8控制摩擦轮2与轮胎的分合；冷藏箱4外部为保温层15，保温层15内部为铝制内胆16，冷藏箱4侧壁设置铝制肋片17。
斯特林制冷机为曲柄连杆机构带动的双活塞结构，曲柄连杆机构的中心转轴14刚性通过皮带轮，直径为3.2cm，与摩擦轮2相连，摩擦轮与自行车后轮构成传动装置，中心杆与联动杆之间以轴承连接，两联动杆与活塞杆用万向旋转接头进行连接，活塞杆与活塞之间进行焊接。
摩擦轮2置于自行车后轮两侧，摩擦轮的表面采用橡胶材料，直径2.5cm，可以增大摩擦力便于传递，同时还可以减少对车胎的磨损。整个装置对刹车轮有自动调整贴合。
环形回热器9内部填充堆积金属丝网，是典型的多孔介质，由丝网片先成型后堆积而成，横向导热效果好，且制作简便，成本低。回热器用金属保温材料管道连接所述斯特林制冷机的制冷缸10和散热缸11，管道与缸体直接进行焊接。
控制***的控制开关6位于车把手处，通过金属线7和控制杠杆5相连，杠杆一端连接摩擦轮，另一端可被金属线拉动，通过弹簧装置8来控制摩擦轮与轮胎的分合。
冷藏箱4内部由保温层15、铝制内胆16以及铝制肋片17制成。斯特林制冷机的制冷缸顶端直接通过肋片与冷藏箱内部相连，使得两者间的热量交换更加充分。保温层由发泡硬质聚氨酯泡沫塑料和高密度泡沫板构成，保温性能良好，肋片应以网格状形式铺设在冷藏箱壁面处，与箱体交接处应进行焊接处理。
该装置所安装的自行车即市面上的正常构造的自行车，代步车、山地车等均可。
整体装置的工作原理：在人骑自行车时，通过踩动脚踏板带动链条转动，进而带动自行车后轮转动，摩擦轮2与后轮接触转动，通过两轮直径比将后轮低转速转化为制冷机所需的高转速，进而带动皮带轮转动，进而斯特林制冷机内的曲柄连杆机构中心转轴14转动，中心轴带动中心杆转动，中心杆带动活塞杆做往复运动，活塞推动缸内工质在制冷缸、散热缸以及回热器之间进行等温压缩、等容放热、等温膨胀、等容吸热四个过程，完成一个循环，制冷缸10通过网格状肋片17直接与冷藏箱4内部相连，冷量直接储存在冷藏箱中，制造低温空间。理论制冷功率为74~124W。控制开关6可以随时调控摩擦轮与后轮的分合，从而控制斯特林机的间歇制冷，实现了机械能的有效利用。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例
采用上述装置来探究自行车骑行过程中保温箱以及储存物的温度变化。实验设置在室温为23.6℃、骑行速度控制在4m/s下进行1小时，考察保温箱的空间温度以及两瓶初温为21.9℃的瓶装水的温度变化情况。保温箱内空间温度随骑行时间的增加而不断降低，变化趋势是先快后慢，开始的降温速度很快，几乎呈现一条比例直线，在27min后降温速度变缓，最后约40min以后温度趋于稳定在9.0℃。而瓶装水的制冷是一种以箱内空气作为媒介的间接式制冷，因此会与箱内空气存在一定的传热温差，制冷效果也有滞后性；水温受此影响，降低趋势呈现出先慢后快再放缓，并与空气存在3−6℃的温差，在33min时下降速率达到最大，此时与箱内温度的温差也是最大。在骑行1小时后，水温降为12.3℃，与空气温差为3.3℃，与最初温度相比下降了9.6℃。
实施例
使用实施例1相同装置，保温箱内的初始温度设置在25℃，两瓶瓶装水的初始温度为23℃，其他条件与实施例1相同。按照上述操作条件，最后测得保温箱内的温度稳定在10.3℃，水温降至13.2℃，与最初水温相比下降了9.8℃。
实施例
使用实施例1相同装置，骑行速度控制在5m/s下进行1小时，其他条件与实施例1相同。按照上述操作条件，最后测得保温箱内的温度稳定在7.8℃，水温降至11.1℃，与最初水温相比下降了10.8℃。
实施例
使用实施例1相同装置，骑行速度控制在4m/s下进行1.5小时，其他条件与实施例1相同。按照上述操作条件，最后测得保温箱内的温度稳定在8.4℃，水温降至11.8℃，与最初水温相比下降了10.1℃。
实施例
在自行车骑行过程中，难免会遇到上坡路或者紧急情况需要解除摩擦轮或者是停车，这会导致制冷机工作的不连续。由此考察了该实验装置若在间歇骑行时箱内温度以及水温随骑行时间的变化。骑行速度仍为4m/s，初始状态下箱内温度以及水温分别为23.7℃和22.5℃，制冷机运行总时长为1小时，每运行10min间歇停止工作10min。间歇运行过程中，水和空气的传热温差较为平均，约为3.5℃，没有大的变动，箱内温度最终值为9.4℃，水温降为13.2℃，与最初水温相比下降9.3℃。
本装置有效解决了夏日出行外带食物不便、骑行时能量利用效率低的问题，具有轻巧便携、冷量随产随用、装置一体化、推广范围广等优势。同时斯特林机工作时转子正转制冷、反转产热，冷藏箱经改装后还可达到保温箱的效果，经济效益可翻倍。装置实现了骑行时自行车机械能的高效利用，其设计思路契合节能减排和可持续发展的理念，具有广阔应用前景。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于车轮与摩擦轮直径比变速传动的自行车制冷装置，其特征在于：包括摩擦轮（2）、斯特林制冷机（3）、冷藏箱（4）以及控制***，其中，斯特林制冷机（3）包括回热器（9）、制冷缸（10）、散热缸（11）、压缩活塞（12）及膨胀活塞（13）、中心转轴（14），冷藏箱（4）包括保温层（15）、铝制内胆（16）及铝制肋片（17），控制***包括控制杠杆（5）、控制开关（6）、金属线（7）及弹簧装置（8），自行车（1）的轮胎与摩擦轮（2）相连，摩擦轮（2）通过转子与斯特林制冷机（3）相连，斯特林制冷机（3）冷端连接冷藏箱（4），回热器（9）连接制冷缸（10）和散热缸（11），压缩活塞（12）和膨胀活塞（13）分别连接到两个飞轮上，两个飞轮与中心转轴（14）相连，中心转轴（14）转动带动压缩活塞（12）和膨胀活塞（13）在散热缸（11）和制冷缸（10）内完成循环过程，控制开关（6）位于车把手处，控制开关（6）通过金属线（7）连接控制杠杆（5），控制杠杆（5）一端连接摩擦轮（2），另一端被金属线（7）拉动，通过弹簧装置（8）控制摩擦轮（2）与轮胎的分合；冷藏箱（4）外部为保温层（15），保温层（15）内部为铝制内胆（16），冷藏箱（4）侧壁设置铝制肋片（17）；
所述自行车（1）为斯特林制冷机（3）提供机械能，自行车（1）车轮与摩擦轮（2）直径比变速传动将自行车车轮的低转速转化为制冷机转子所需的高转速，其中，低转速为100~300r/min，高转速为2000~4000r/min；
所述摩擦轮（2）的直径为2.5cm，摩擦轮（2）表面采用橡胶材料；
所述保温层（15）由发泡硬质聚氨酯泡沫塑料和表观密度在20~23kg/m³的泡沫板组成，发泡硬质聚氨酯泡沫塑料密度为35~40kg/m3时，导热系数为0.018~0.024W/(m·k)；
所述回热器（9）内部填充堆积金属丝网，由丝网片先成型后堆积而成。
2.根据权利要求1所述的基于车轮与摩擦轮直径比变速传动的自行车制冷装置，其特征在于：所述压缩活塞（12）和膨胀活塞（13）在制冷缸（10）和散热缸（11）内完成循环过程，其中每个循环过程包括等温压缩、等容放热、等温膨胀、等容吸热四个过程。
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