CN103423019A

CN103423019A - 磁恢复力式自由活塞斯特林发动机

Info

Publication number: CN103423019A
Application number: CN2013103094063A
Authority: CN
Inventors: 黄护林
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2013-12-04

Abstract

一种磁恢复力式自由活塞斯特林发动机，属于热气机利用领域。它依次包括配气活塞气缸及配气活塞（3）、动力活塞气缸（10）及动力活塞（13）、发电机组件；其特征在于：所述的配气活塞（3）的底部设置有第一磁铁（8），所述动力活塞（13）的顶部设置有第二磁铁（12）；第一磁铁（8）和第二磁铁（12）位置相对、极性相同。所述的配气活塞（3）利用磁环（23）中封闭液态金属（22）进行磁流体密封。本发明用磁场斥力提供恢复力，因而具有结构简单、密封性好、无板簧悬布置的困难等优点。

Description

磁恢复力式自由活塞斯特林发动机

所属技术领域

本发明涉及一种磁恢复力式自由活塞斯特林发动机，属于热气机利用领域。

背景技术

斯特林发动机(Stirling Engine)，是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机。在这类机器中，工质(一般为氢气、氦气或空气)被封闭在循环回路中，通过气缸容积的变比控制工质在闭式循环回路中的流动方向；在较低的温度和压力下压缩工质，在较高的温度和压力下膨胀，从而获得正的循环功。其热力过程是按斯特林循环进行的。

自由活塞式斯特林发动机是斯特林发动机的一个重要分支，是一种靠活塞往复运动实现热力循环的动力装置。这种运动是由于气体力以及部件间气体力和动力的相互作用产生的。其工作原理如下：

自由活塞式斯特林发动机基本上由三部分组成：较重的动力活塞、轻的配气活塞以及两端密封的气缸。普通的自由活塞式斯特林发动机是配气活塞杆穿过动力活塞构成。由于配气活塞和配气活塞杆是空心的，杆的下端敞开，所以配气活塞内部与动力活塞下方的气缸容积一起形成缓冲腔，成为一气体弹簧，使配气活塞回位。配气活塞头部是膨胀腔，配气活塞和动力活塞之间为压缩腔，膨胀腔和压缩腔又统称为工作腔。配气活塞气缸的内缸和外缸之间狭长的缝隙从右到左分别为加热腔、回热器和冷却器组成。加热器和冷却器分别与膨胀腔和压缩腔联通。

传统的自由活塞斯特林发动机采用气体弹簧作为活塞的恢复力，不但体积大，且气体弹簧作用的活塞因没有任何机械固定会产生飘移，使配气活塞和动力活塞靠在一起或分别靠在两端，从而失去动力。为克服这个问题，荷兰的斯特林公司等采用了许多复杂的控制方法。Infinia公司采用板簧代替气体弹簧的自由活塞式斯特林发动机的技术已较为成熟，第一台原理样机在2007年10月份开始试验。Microgen公司以Sunpower公司1kW带板簧自由活塞式斯特林发动机的技术为基础，开发出微型家用热电联供系统（MCHP）。然而，目前这些以气体弹簧的自由活塞式斯特林发动机控制、结构复杂；采用配气活塞杆穿过动力活塞的结构会降低压缩腔内的密封性，且安装复杂；Infinia公司为代表的板簧自由活塞式斯特林发动机板簧系统安装复杂，活塞易侧摆，无益容积大等。

由于斯特林发动机的工质压力非常高通常10Mpa，自由活塞和内气缸壁之间有一定的间隙，造成了很大的泄漏损失。但由于加工精度的困难和配气活塞的热变形等，自由活塞和内气缸壁之间的间隙不能太小，因此必须要要有高效的密封装置，传统密封环如特弗隆等都有寿命短，摩擦屑对气体有污染等问题。磁流体密封技术就是利用磁性流体对磁场的响应特性而实现密封的，不会出现密封介质的泄漏，流体膜之间的摩擦阻力很小，可以忽略，使用寿命长，对配合间隙的大小要求不严，在正压下产生瞬间过压击穿时，一旦压力降低到密封件可以承受的程度，密封效果依然恢复等优点。

发明内容：

本发明目的主要在于提出一种能够克服传统自由活塞式斯特林发动机气体弹簧的复杂控制、结构等问题以及Infinia公司为代表的板簧系统安装复杂，无益容积大等缺点的磁恢复力—磁弹簧及密封高效简单的磁流体密封装置该自由活塞式斯特林发动机不仅加工简单，成本低，效率高，而且寿命长，不需要任何控制部件等优点。

一种磁恢复力式自由活塞斯特林发动机，依次包括配气活塞气缸及配气活塞、动力活塞气缸及动力活塞、发电机组件；其特征在于：所述的配气活塞的底部设置有第一磁铁，所述动力活塞的顶部设置有第二磁铁；第一磁和第二磁铁位置相对、极性相同，由它们之间的斥力提供配气活塞的恢复力-磁恢复力。磁恢复力没有机械部件，克服了传统气体弹簧体积大，配气活塞易漂移，且配气活塞杆需穿过动力活塞及板簧安装复杂，对加工精度要求高等缺点。

所述的磁恢复力式自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述配气活塞与配气活塞气缸之间采用设置磁流体密封方式密封，即在配气活塞外侧壁设置有磁环，磁环内填有液态金属。用磁流体密封克服采用传统活塞环的密封装置寿命短，摩擦屑对气体有污染等问题。

所述的磁恢复力式自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述磁环设置于靠近配气活塞左端部的外侧壁上，且可根据配气活塞两端的压差设置多组，组成磁流体高压密封装置。克服了配气活塞与内缸壁面加工要求高的困难。

所述的磁恢复力式自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述配气活塞气缸包括外气缸和内气缸，外气缸和内气缸之间的夹层由顶部向底部依次由加热腔、回热器和冷却腔组成；所述配气活塞密封安装于内气缸内，内气缸顶部为开口结构；配气活塞顶部与外气缸之间的空间为膨胀腔。

所述的磁恢复力式自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述发电机组件包括发电机外壳、动力活塞杆、直线发电机动子磁铁、直线发电机定子线圈绕组；其中动力活塞杆通过轴承支撑于发电机外壳内，动力活塞杆上端与动力活塞相连，动力活塞杆下端连有板簧；直线发电机动子磁铁安装于动力活塞杆上。

附图说明

图1是新型自由活塞式斯特林发动机的结构图；

图2是配气活塞的结构图。

图中标号名称：1.外气缸， 2. 膨胀腔， 3.配气活塞，4.内气缸, 5.加热腔, 6.回热器，7.冷却腔, 8.第一磁铁, 9.气体通道, 10. 动力活塞气缸, 11. 压缩腔, 12.第二磁铁, 13.动力活塞，14.轴承, 15. 直线发电机定子线圈绕组, 16. 直线发电机, 17.动力活塞杆, 18. 直线发电机定子磁铁, 19.发电机外壳, 21.板簧，22.液态金属, 23.磁环。

具体实施方式

下面结合图1进一步说明本发明的新型自由活塞式斯特林发动机的结构。配气活塞系统由双层气缸（外气缸1和内气缸4）组成，其夹层内分别由加热腔5、回热器6和冷却腔7组成。内气缸4在左边头部加热区是开口的。

当气体在膨胀腔2和加热腔5内被加热时，受热在膨胀腔2内膨胀，驱动配气活塞3向右往压缩腔11方向运动，压缩配气活塞3与动力活塞13之间的气体工质；当配气活塞3运动到右边底部后由于其右边端部第一磁铁8与动力活塞的左边端部第二磁铁12因极性相同而产生斥力，使配气活塞3向左往膨胀腔2方向运动，运动到外气缸1的左边端部。当配气活塞3向左运动时，部分气体通过两气缸的夹层内的加热腔5、回热器6和冷区器7,进入配气活塞3与动力活塞13之间通道9，再回到压缩腔(11)。

在压缩腔11内的气体工质被压缩时,气体工质驱动动力活塞13向右运动；当动力活塞13运动到最右端后，由板簧(21)的弹性使其往回向左往压缩腔11方向运动。当动力活塞13向左运动时，部分气体又通过两气缸的夹层内的冷却腔7、回热器6，经加热腔5加热回到膨胀腔2。动力活塞运动到其行程的最左端时，受压缩腔11内气体作用，又向右运动，其与配气活塞3运动的相位角差大约在60度左右。

这样，配气活塞3和动力活塞13在气缸内左右运动，使工作气体在两气缸夹层及膨胀腔2、压缩腔11内来回加热和膨胀、冷却和压缩。动力活塞13的往复运动，动力活塞杆17上的永久磁铁18在定子15中往复运动，产生电能。动力活塞杆17由轴承14支撑。直线发电机16和动力活塞杆17固定在发电机外壳9上。为了减少气体在配气活塞3与内气缸4之间间隙内流过，需要在配气活塞3上装有磁流体密封装置，以减少漏气损失，提高发动机的效率。

图2是配气活塞的结构图。磁环23之间填有液态金属22。液态金属22在磁环23的磁力作用下，集中在磁环端面附近，从而起到密封的作用。配气活塞的底部附近安装第一磁铁8，其运动到最右边时，与动力活塞13靠近时，因动力活塞13的头部装有与第一磁铁8极性方向相反即N极对N极，或S极对S极的第二磁铁12，在磁场斥力的作用下，配气活塞获得一向左运动的恢复力，使其向左运动。

Claims

1.一种磁恢复力式自由活塞斯特林发动机，依次包括配气活塞气缸及配气活塞（3）、动力活塞气缸（10）及动力活塞（13）、发电机组件；其特征在于：所述的配气活塞（3）的底部设置有第一磁铁（8），所述动力活塞（13）的顶部设置有第二磁铁（12）；第一磁铁（8）和第二磁铁（12）位置相对、极性相同，由它们之间的斥力提供配气活塞的恢复力。

2. 根据权利要求1所述的磁恢复力式自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述配气活塞（3）与配气活塞气缸之间采用设置磁流体密封方式密封，即在配气活塞（3）外侧壁设置有磁环（23），磁环（23）内填有液态金属(22)。

3. 根据权利要求2所述的磁恢复力式自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述磁环（23）设置于靠近配气活塞（3）左端部的外侧壁上.。

4. 根据权利要求2所述的磁恢复力式自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述磁环（23）根据配气活塞两端的压差设置为一组以上，组成磁流体高压密封装置。

5. 根据权利要求1所述的磁恢复力式自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述配气活塞气缸包括外气缸（1）和内气缸（4），外气缸（1）和内气缸（4）之间的夹层由顶部向底部依次由加热腔（5）、回热器（6）和冷却腔（7）组成；所述配气活塞（3）密封安装于内气缸（4）内，内气缸（4）顶部为开口结构；配气活塞（3）顶部与外气缸（1）之间的空间为膨胀腔（2）。

6. 根据权利要求1所述的磁恢复力式自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述发电机组件包括发电机外壳（19）、动力活塞杆（17）、直线发电机动子磁铁（18）、直线发电机定子线圈绕组（15）；其中动力活塞杆（17）通过轴承（14）支撑于发电机外壳（19）内，动力活塞杆（17）上端与动力活塞（13）相连，动力活塞杆（17）下端连有板簧（21）；直线发电机动子磁铁（18）安装于动力活塞杆（17）上。