CN103089480A - 自由活塞斯特林热机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自由活塞斯特林热机，该热机包括缸体、至少一个直线振荡电机、动力活塞和排出器，缸体内具有压缩腔和膨胀腔，排出器在压缩腔和膨胀腔之间振动，缸体内壁上设有至少一个吸热端换热器和放热端换热器，排出器与缸体一端之间的空腔形成压缩腔，排出器与动力活塞之间的空腔形成膨胀腔，动力活塞在缸体另一端空腔与膨胀腔之间振动，排出器相位落后于动力活塞相位；吸热端换热器靠近动力活塞，放热端换热器远离动力活塞。本发明将排出器反向布置，并相应改变吸、放热端换热器位置，使吸热端换热器位于动力活塞侧，利于电机运行，避免了动力活塞因靠近高温换热器导致摩擦增大引发的问题，提高了热机效率和使用寿命。

Description

自由活塞斯特林热机

技术领域

本发明涉及热能动力技术，尤其涉及一种自由活塞斯特林热机。

背景技术

斯特林热机分为两种，采用正向斯特林循环的被称作斯特林发动机，通过工作气体的受热膨胀、遇冷压缩将热能转化为机械能，其理论效率等于卡诺循环效率；采用逆向斯特林循环的斯特林热机根据使用目的不同，称为制冷机或热泵，依靠外界动力使气体受迫膨胀吸热、压缩放热，将热量从低温端传至高温端，其理论效率也等于卡诺循环效率。斯特林热机具有外燃式、闭式循环的特点，内部气体通常为氦气或氢气，因此具有适用性广、高效、环保等优点。

自由活塞斯特林热机，是斯特林热机的一种特殊结构形式，它取消了传统斯特林热机的复杂机械传动机构，引入“自由活塞”或称为“排出器”，通过控制排出器质量和弹簧刚度等决定其工作特性，从而减少原传动机构机械磨损，降低系统复杂程度，提高使用寿命。相比较传统的斯特林热机，自由活塞斯特林热机效率更高，寿命更长，而当采用对置电机布置方式时，噪声和振动更小，具有广阔的应用前景。

虽然自由活塞斯特林热机具有广阔的应用前景，但传统的自由活塞斯特林热机的应用还存在一些限制。传统的自由活塞斯特林热机，放热端位于靠近直线压缩机动力活塞侧，当该热机作为热泵使用时易使动力活塞受热膨胀，增大活塞与气缸间摩擦损失，降低系统效率和使用寿命，同时也造成了严重的热损失。当传统自由活塞斯特林热机采用低温冷源时，其放热端换热器靠近直线发电机的动力活塞，易使动力活塞遇冷收缩，活塞与气缸间密封性能受到影响，增大了泵气损失与冷量损失，严重降低系统效率。具体表现在以下两个领域：

其一，高温热泵或制冷机\热泵两用系统，高温热泵通常指热泵供热温度达80°C以上的热泵，作为热源，既可应用于多种工业生产流程，如干燥、杀菌、密封、蒸煮等，也可用于家用暖气、热水器。制冷机\热泵两用系统可为家用或车用空调、冰箱、热水器等提供冷源和热源，其特点是对制冷温度要求不高，但由于需要提供热水，对制热温度有一定要求，在北方严寒地区，对吸热温度也有严苛要求。

对于现有的自由活塞斯特林高温热泵或制冷机\热泵系统，其放热端（温度较高）靠近直线压缩机动力活塞，高温气体容易导致动力活塞受热膨胀，增大摩擦，降低系统效率及使用寿命，并造成严重的热量损失。

其二，低温冷源发动机，从室温热源吸热向低于室温的冷源放热的发动机称作低温冷源发动机。在同样的温差下，其理论卡诺效率高于传统的采用高温热源的发动机。液化天然气在常温使用过程中汽化吸收大量热，是一种常见的低温冷源。

由于传统的自由活塞斯特林发动机放热端靠近直线发电机动力活塞，当利用液化天然气冷能进行工作时，这种低温液化天然气（常压沸点约120K）易导致动力活塞遇冷收缩，影响活塞与气缸壁之间的密封，造成泵气损失与冷量损失，导致系统效率显著下降。

因此，本发明的目的在于，针对目前传统自由活塞斯特林热机在上述且不仅限于上述场合中应用的不利因素，提出将传统自由活塞斯特林热机的排出器反向布置，使排出器振动相位落后于动力活塞，使原膨胀腔变为压缩腔，原压缩腔变为膨胀腔，相应地交换吸热、放热端换热器的位置，使动力活塞工作在接近室温的环境下，避免动力活塞与气缸间的密封与摩擦受换热器温度影响，确保系统效率高效稳定运行。

传统的自由活塞斯特林热机常见结构形式如图1-3所示。图1为排除器与电机耦合布置的结构图；具体包括膨胀腔1、吸热端换热器2、回热器3、排出器4、放热端换热器5、压缩腔6、直线振荡电机7、动力活塞8、第一平面支撑弹簧9和电机背腔10。

图2为排除器与电机分离布置的结构图；图3为双电机对置的结构图；具体包括膨胀腔1、吸热端换热器2、回热器3、排出器4、放热端换热器5、压缩腔6、直线振荡电机7、动力活塞8、第一平面支撑弹簧9、电机背腔10、第二平面支撑弹簧11和排出器固定座12。

具体工作原理参照图4-7，图4为排出器4处于初始位置状态a的结构示意图，图5为排出器4处于上止点状态b的结构示意图，图6为排出器4返回初始位置状态c的结构示意图，图7为排出器4下行至下止点状态d的结构示意图。

传统自由活塞斯特林制冷机\热泵的工作原理如下：

状态a-状态b过程，动力活塞7与排出器4同时上行，使气体在压缩腔6内被压缩，通过换热器5向外界放热。对于制冷机，换热器5为室温换热器，该热量作为废热释放至环境；对于热泵，换热器5为高温换热器，该热量被收集利用。

状态b-状态c过程，动力活塞7上行，排出器4下行，气体从压缩腔6流经回热器3进入膨胀腔，并从回热器3吸收热量，温度升高。

状态c-状态d过程，动力活塞7与排出器4同时下行，气体在膨胀腔1内膨胀，温度降低，通过换热器1从外界吸热。对于制冷机，换热器1即为冷头，用于制冷；而对于热泵，换热器1为室温换热器，气体从室温吸热，以便在下一个状态a-状态b过程中将热量泵至高温端。

状态d-状态a过程，动力活塞8下行，排出器4上行，使气体从膨胀腔1流经回热器3进入压缩腔6，途中从回热器3吸收热量，气体温度升高。

以上循环过程中，系统消耗机械功，将热量从低温端传递至高温端，实现了制冷或泵热。动力活塞与排出器均做简谐振动，且后者相位超前于前者。

参照图4-7，传统自由活塞斯特林发动机的工作原理如下：

状态a-状态b过程，动力活塞8与排出器4同时上行，使气体在压缩腔6内被压缩，并通过放热端换热器5向外界放热。

状态b-状态c过程，动力活塞8上行，排出器4下行，气体从压缩腔6流经回热器3进入膨胀腔，途中将热量释放给回热器3，气体温度降低。

状态c-状态d过程，气体在膨胀腔1内，通过吸热端换热器2从外界吸热膨胀，使排出器4下行，并推动动力活塞8下行。此过程中，热能转换为机械能，并通过动力活塞8向外界输出。

状态d-状态a过程，动力活塞7下行，排出器4上行，气体从膨胀腔1流经回热器3进入压缩腔6，途中将热量释放给回热器3，回热器3温度升高，气体温度降低。

以上循环过程中，热能被最终转化为机械能，通过动力活塞向外界输出。动力活塞与排出器做简谐振动，后者相位超前于前者。

传统自由活塞斯特林热机的排出器的工作原理可以用下式来表达：

mx″=P₁A₁-P₂A₂-Kx-Rx′

其中，m为排出器质量，x为排出器的位移量，x′为位移对时间的一阶导数即速度，x″为位移对时间的二阶导数即加速度，P₁和P₂分别为排出器两端即膨胀腔与压缩腔压力，A₁和A₂则分别为排出器两端的横截面积，K为第一平面支撑弹簧的弹性系数，R为阻尼系数。

从上式中可以看出，排出器的工作特性主要由两侧的压差、第一平面支撑弹簧的弹性系数和阻尼特性决定。

发明内容

本发明提供一种自由活塞斯特林热机，用于克服现有技术中的缺陷，减小动力活塞与缸体之间的摩擦并提高热机效率和使用寿命。

本发明提供一种自由活塞斯特林热机，该热机包括缸体、至少一个直线振荡电机、至少一个动力活塞和设在该缸体内的至少一个排出器，所述动力活塞包括塞体和隼部，所述塞体设在该缸体内，所述隼部插入在所述直线振荡电机的线圈内，所述缸体内具有压缩腔和膨胀腔，所述排出器在压缩腔和膨胀腔之间振动，所述缸体内壁上还设有吸热端换热器和放热端换热器，所述排出器与所述缸体一端之间的空腔形成所述压缩腔，所述排出器与所述动力活塞之间的空腔形成所述膨胀腔，所述动力活塞在缸体另一端的空腔与膨胀腔之间振动，所述排出器的相位落后于动力活塞的相位；所述吸热端换热器靠近所述动力活塞，所述放热端换热器远离所述动力活塞。

本发明提供的自由活塞斯特林热机，将传统自由活塞斯特林热机的排出器反向布置，并相应地改变了吸、放热端换热器的位置，使吸热端换热器位于动力活塞侧，利于直线振动电机的运行，避免了动力活塞因靠近高温换热器导致摩擦增大，致使系统效率、使用寿命降低，提高了热机的效率和使用寿命。

附图说明

图1为现有技术排出器与电机耦合布置的自由活塞斯特林热机的示意图；

图2为现有技术排出器与电机分离布置的自由活塞斯特林热机的示意图；

图3为现有技术双电机对置布置的自由活塞斯特林热机的示意图；

图4为现有技术自由活塞斯特林热机工作原理状态参考图一；

图5为现有技术自由活塞斯特林热机工作原理状态参考图二；

图6为现有技术自由活塞斯特林热机工作原理状态参考图三；

图7为现有技术自由活塞斯特林热机工作原理状态参考图四；

图8为本发明实施例一提供的单电机布置的自由活塞斯特林热机的示意图；

图9为本发明实施例二提供的双电机对置的自由活塞斯特林热机的示意图；

图10为本发明实施例三提供的双热机系统对置的自由活塞斯特林热机的示意图；

图11为本发明提供的自由活塞斯特林热机工作原理状态参考图一；

图12为本发明提供的自由活塞斯特林热机工作原理状态参考图二；

图13为本发明提供的自由活塞斯特林热机工作原理状态参考图三；

图14为本发明提供的自由活塞斯特林热机工作原理状态参考图四。

具体实施方式

实施例一

图8为本发明实施例一提供的单电机布置的自由活塞斯特林热机的示意图；本发明实施例提供一种自由活塞斯特林热机，该热机包括缸体、至少一个直线振荡电机7、至少一个动力活塞8和设在该缸体内的至少一个排出器4，动力活塞8包括塞体和隼部，塞体设在该缸体内，隼部插入在直线振荡电机7的线圈内，缸体内具有压缩腔6和膨胀腔1，排出器4在压缩腔6和膨胀腔1之间振动，热机缸体内壁上还设有吸热端换热器2和放热端换热器5，排出器4与缸体一端之间的空腔即电机背腔10形成压缩腔6，排出器4与动力活塞8之间的空腔形成膨胀腔1，动力活塞8在缸体另一端的空腔与膨胀腔1之间振动，排出器4的相位落后于动力活塞8的相位；吸热端换热器2靠近动力活塞8，放热端换热器5远离动力活塞8。

图11为本发明提供的自由活塞斯特林热机工作原理状态参考图一；图12为本发明提供的自由活塞斯特林热机工作原理状态参考图二；图13为本发明提供的自由活塞斯特林热机工作原理状态参考图三；图14为本发明提供的自由活塞斯特林热机工作原理状态参考图四；如图11-14所示，下面以单电机自由活塞斯特林热机为例对其工作原理进行说明，本发明实施例一提供的自由活塞斯特林热机中的排出器与传统的排出器工作原理相同，同样可以用式mx″=P₁A₁-P₂A₂-Kx-Rx′表示。本发明中，通过排出器反向布置，设计合适的排出器质量、两侧截面积、第一平面支撑弹簧刚度等参数，使排出器振动相位从超前变为落后于动力活塞，使膨胀腔变为压缩腔，压缩腔变为膨胀腔，再将原吸、放热端换热器位置对调，即可使动力活塞工作于接近室温环境中。具体结构如图8、图9所示，其工作原理如下：

图11为排出器4处于初始位置状态a的结构示意图，图12为排出器4处于上止点状态b的结构示意图，图13为排出器4返回初始位置状态c的结构示意图，图14为排出器4下行至下止点状态d的结构示意图。

参照图11-14，本发明实施例提供的自由活塞斯特林热机作为制冷机和热泵的工作原理如下：

状态a-状态b过程，动力活塞8与排出器4同时下行，使气体在膨胀腔1内膨胀，温度降低，通过吸热端换热器2从外界吸热。对于制冷机，吸热端换热器2即为冷头，用于制冷；对于热泵，吸热端换热器2为室温换热器，气体从室温吸热，以便在状态c-状态d过程中将热量泵至高温端。

状态b-状态c过程，动力活塞8下行，排出器4上行，气体从膨胀腔1流经回热器3进入压缩腔6，途中从回热器3吸收热量，温度升高。

状态c-状态d过程，动力活塞8与排出器4同时上行，使气体在压缩腔6内被压缩，通过放热端换热器5向外界放热。对于制冷机，放热端换热器5为室温换热器，该热量作为废热释放至环境；对于热泵，放热端换热器5为高温换热器，该热量被收集利用。

状态d-状态a过程，动力活塞8下行，排出器4上行，使气体从压缩腔6流经回热器3进入膨胀腔1，途中将热量释放给回热器3，气体温度降低。

整个循环过程中，动力活塞与排出器做简谐振动，前者相位超前于后者。可以看出，靠近动力活塞的吸热端换热器2为低温（室温）端，避免了动力活塞因靠近高温换热器导致摩擦增大，致使系统效率、使用寿命降低。

本发明的新型自由活塞斯特林发动机的工作原理如下：（注，此发动机为低温冷源发动机）

状态a-状态b过程，排出器4下行，动力活塞8下行，气体在膨胀腔1内，通过吸热端换热器2从外界吸热膨胀，推动动力活塞8。此过程中，热能转换为机械能，并通过动力活塞8向外界输出。

状态b-状态c过程，动力活塞8上行，排出器4下行，气体从膨胀腔1流经回热器3进入压缩腔6，途中将热量释放给回热器3，气体温度降低。

状态c-状态d过程，动力活塞8与排出器4同时上行，使气体在压缩腔6内被压缩，并通过放热端换热器5向低温冷源放热。

状态d-状态a过程，动力活塞8下行，排出器4上行，气体从压缩腔6流经回热器3进入膨胀腔1，途中从回热器3吸收热量，温度升高。

整个循环过程中，动力活塞8与排出器4做简谐振动，前者相位超前于后者。可以看出，靠近动力活塞8的吸热端换热器2为室温（高温）端，放热端换热器5位于回热器3上方，远离动力活塞8，动力活塞8与气缸壁之间的密封不再受低温放热端换热器2的影响，从而减小了泵气损失与冷源损失。

本发明提供的自由活塞斯特林热机，将传统自由活塞斯特林热机的排出器反向布置，并相应地改变了吸、放热端换热器的位置，使吸热端换热器位于动力活塞侧，利于直线震荡电机的运行，避免了动力活塞因靠近高温换热器导致摩擦增大，致使系统效率、使用寿命降低，提高了热机的效率和使用寿命。可采用电驱动而制成自由活塞斯特林热泵（或热泵/制冷机两用系统）、亦可利用低温冷源（如液态天然气）而制成自由活塞斯特林发电机。

作为上述实施例一的优选实施方式，如图8、图9所示，自由活塞斯特林热机还包括第一平面支撑弹簧9，动力活塞8与第一平面支撑弹簧9固定连接，动力活塞8的支撑亦可采用气浮方式。动力活塞与缸体内壁之间具有密封件。该密封件可以是间隙密封，也可以是迷宫密封。自由活塞斯特林热机还包括第二平面支撑弹簧11，排出器顶部具有排出器固定座12，所述排出器固定座12底部具有连接杆，该连接杆底部通过第二平面支撑弹簧11与排出器4固定连接。

实施例二

图9为本发明实施例二提供的双电机对置的自由活塞斯特林热机的示意图，如图9所示，直线振荡电机7和动力活塞8均为两个且相对设置。

其工作原理与实施例一相同，区别在于电机部分采用两台结构参数相同的直线振荡电机对置布置。因此，电机震动被抵消，与实施例一相比，实施例二的震动、噪音更小。另外，在通常情况下，死容积越小，斯特林热机效率越高。所谓死容积，是指热机中（不包括电机）除去活塞扫气容积后的空容积。由于实施例二中膨胀腔1存在一段T型连接管，相比于实施例一，增大了膨胀腔死容积。

实施例三

图10为本发明实施例三提供的双热机系统对置的自由活塞斯特林热机的示意图，如图10所示，排出器4为两个，且缸体呈长条形，缸体内具有一排出器固定座12，两排出器4分布在该排出器底座两侧，排出器4两侧均具有一连接杆，该连接杆端部分别与两排出器4通过第二平面支撑弹簧11连接，排出器固定座12上具有连通其两侧压缩腔的通气孔13。

其工作原理与实施例一相同，区别在于实施例三中采用两套结构参数完全相同热机系统对置布置。如图10所示，将两套热机系统同轴反向布置，并共用同一排出器固定座12。排出器固定座12上开有通气孔13，连接两压缩腔6，使两套热机系统的平均压力完全相同，压缩腔6压力波动完全相同，保证两动力活塞8运行相位完全相同，两排出器4运行相位也完全相同，从而使动力活塞8、排出器4的震动完全抵消。相比于实施例二，实施例三的震动、噪音更小。同时，实施例三中膨胀腔1不存在T型连接管段，因此死容积更小。

吸热端换热器2、放热端换热器5与回热器3均为环形结构。吸热端换热器2、放热端换热器5通常为翅片式换热器或管壳换热器，换热器主体材料通常为紫铜，外侧壳体材料一般为不锈钢，具体形式根据实际换热需要决定。回热器3内部填充多孔材料，一般为不锈钢丝网或不锈钢纤维毡。排出器4为等截面或变截面圆柱，材料一般选用不锈钢或铝合金，且壁厚较薄，以减小轴向导热损失。排出器4与气缸壁间采用间隙密封，可减小膨胀腔1与压缩腔6间的窜气损失与漏热损失，同时也避免了接触密封引起的摩擦损失。由于第二平面支撑弹簧11的径向刚度远大于轴向刚度，因此，其不仅能够约束排出器4的径向位移，防止间隙密封遭到破坏，又能使排出器4在轴向方向上有较大位移（相对于径向），完成气体的压缩与膨胀。

热机部分的作用是实现机械能与热能之间的转换。即对于发动机，可将热能转换机械能，而对于热泵或制冷机，则是消耗机械能以实现热量由低温端传向高温端。所述电机属于直线振荡电机，具体形式不受限制，可采用动磁式，也可采用动铁和动圈式。

电机的工作过程如下：

对于发动机，膨胀腔1内的气体推动动力活塞8往复运动，动力活塞8上的磁体或线圈切割磁感线，将机械能转换为电能。对于热泵或制冷机，电机线圈通电后在磁场中产生安培力，驱动动力活塞8往复运动，将电能转化为机械能。

动力活塞与气缸壁间可采用间隙密封或迷宫密封。第一平面支撑弹簧9用于提供动力活塞轴向运动的回复力；同时约束动力活塞8的径向位移，防止动力活塞8发生径向摆动或偏心，影响密封性能或增大摩擦。也可采用气体轴承悬浮支撑，代替第一平面支撑弹簧9。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种自由活塞斯特林热机，该热机包括缸体、至少一个直线振荡电机、至少一个动力活塞和设在该缸体内的至少一个排出器，所述动力活塞包括塞体和隼部，所述塞体设在该缸体内，所述隼部插入在所述直线振荡电机的线圈内，所述缸体内具有压缩腔和膨胀腔，所述排出器在压缩腔和膨胀腔之间振动，所述缸体内壁上还设有至少一个吸热端换热器和至少一个放热端换热器，其特征在于，所述排出器与所述缸体一端之间的空腔形成所述压缩腔，所述排出器与所述动力活塞之间的空腔形成所述膨胀腔，所述动力活塞在缸体另一端的空腔与膨胀腔之间振动，所述排出器的相位落后于动力活塞的相位；所述吸热端换热器靠近所述动力活塞，所述放热端换热器远离所述动力活塞。

2.根据权利要求1所述的自由活塞斯特林热机，其特征在于，所述热机还包括平面支撑弹簧，所述动力活塞与所述平面支撑弹簧固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的自由活塞斯特林热机，其特征在于，所述动力活塞与缸体内壁之间具有密封件。

4.根据权利要求3所述的自由活塞斯特林热机，其特征在于，所述直线振荡电机和动力活塞均为两个且相对设置。

5.根据权利要求4所述的自由活塞斯特林热机，其特征在于，所述排出器为两个，且所述缸体呈长条形，所述缸体内具有一排出器固定座，两所述排出器分布在该排出器底座两侧，所述排出器两侧均具有一连接杆，该连接杆端部分别与两排出器通过平面支撑弹簧连接，所述排出器固定座上具有连通其两侧压缩腔的通气孔。

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