CN104500262B - 自由活塞斯特林发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自由活塞斯特林发电机，包括缸体，直线振荡电机，动力活塞和设在缸体内的排出器；动力活塞包括塞体和隼部，塞体设在缸体内，隼部与直线振荡电机的动子连接，排出器与缸体第一端之间形成膨胀腔，排出器与动力活塞之间形成压缩腔；膨胀腔的内壁上还设有热端台阶，排出器远离动力活塞一端设有排出器凸起；排出器靠近动力活塞一端设有排出器台阶，动力活塞靠近排出器一端设有动力活塞凸起。该发电机能保证当意外事件使排出器或动力活塞超出设计行程后，分别在排出器与缸体顶部、排出器与动力活塞之间产生强大的气体弹簧和非线性耗散，从而有效避免机械碰撞，简化了系统结构、提高了系统可靠性。

Description

自由活塞斯特林发电机

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，特别是一种自由活塞斯特林发电机。

背景技术

自由活塞斯特林发电机采用一自由活塞斯特林发动机驱动一直线电机而制成。自由活塞斯特林发动机采用正向的斯特林循环，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；直线电机通过与动力活塞刚性连接的电机动子切割磁力线而将机械能转化为电能。这种发动机具有外燃、闭式循环等特点，内部工作气体为氦气或氢气，无机械传动和油润滑装置。将自由活塞斯特林发电机的工作频率提升至100Hz以上能有效提升系统的功率密度，使其具有便携特性，显著拓宽应用领域。同时，将该类发电机对置布置或采用增加主动或被动控制等方式能有效降低该类发电机的噪音，使其具有静音特性，满足民用和军事领域对环境噪音的要求。因此自由活塞斯特林发电机具有热源适用性广、高效、环保等诸多突出优点。

图1为现有自由活塞斯特林发电机结构示意图，现有自由活塞斯特林发电机包括以下部件：膨胀腔1、缸体2、内部吸热端换热器3、外部吸热端换热器4、回热器5、放热端换热器6、排出器7、压缩腔8、动力活塞9、直线振荡电机10、电机背腔11、平面支撑弹簧12、节流孔13、单向阀14。

图2是现有自由活塞斯特林发电机工作原理示意图，图2中的部件与图1中相对应。请同时参照图1和图2，现有自由活塞斯特林发电机的工作原理如下：

状态a-状态b过程，动力活塞9从下止点开始与排出器7同时上行，使气体在压缩腔8内被压缩，并通过放热端换热器6向外界放热，此时压缩腔8内压力开始上升，但低于动力活塞9内压力，单向阀14未开启。

状态b-状态c过程，动力活塞9继续上行，排出器7下行，气体热量从压缩腔8流经回热器5进入膨胀腔1，途中将热量释放给回热器5，气体温度降低。此时压缩腔8内压力继续上升，在该过程的后期该压力超过动力活塞9内压力，单向阀14开启，气体进入动力活塞9内，并通过节流孔13排出，在动力活塞9与气缸2之间产生气膜，使动力活塞9平稳运行。

状态c-状态d过程，气体在膨胀腔1内，通过内部吸热端换热器3和外部吸热端换热器4从外界吸热膨胀，使排出器7下行，并推动动力活塞9下行。此过程中，回热器5将热能转换为声能(机械能)，并通过气体推动动力活塞9从而使直线振荡电机10的动子10b切割磁力线向外界以电能形式输出。此过程压缩腔8内压力始终大于动力活塞9内压力，单向阀处于开启状态，气体进入动力活塞9内，并通过节流孔13排出，在动力活塞9与气缸2之间产生气膜，使动力活塞9始终保持平稳运行。

状态d-状态a过程，动力活塞9继续下行，排出器7上行，气体热量从膨胀腔1流经回热器5进入压缩腔8，途中将热量释放给回热器5，回热器5温度升高，气体温度降低。此过程中，前期压缩腔8内压力大于动力活塞9内压力，单向阀14处于开启状态，至该过程后期，压缩腔8内压力小于动力活塞9内压力，单向阀14关闭。

完成上述一完整循环过程后，热能被转化为机械能，并由动力活塞9带动电机的动子10b切割磁力线、向外界以电能形式输出。动力活塞9与排出器7做简谐振动，后者相位超前于前者。

现有自由活塞斯特林发电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为平面支撑弹簧的弹性系数，R为阻尼系数。

现有自由活塞斯特林发电机的动力活塞的工作原理可以用下式来表达：

m₂x″＝(P₂-P₃)A₃-Kx-Rx′

其中，m₂为排出器质量，x为动力活塞的位移量，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，P₂和P₃分别为动力活塞两端即压缩腔与电机背腔压力，A₃为动力活塞的横截面积，K为电机磁力弹簧的弹性系数，R为阻尼系数。

根据上述自由活塞斯特林发电机的工作机理可知，动力活塞与排出器的平稳运行是实现能量转换的关键。一旦意外事件使排出器或动力活塞超出设计行程后，引起的排出器与动力活塞、排出器与缸体顶部的撞击，就会严重影响系统循环效率。

为了防止因突发情况如加热装置和外接负载等突然变化而引起的排出器与动力活塞的撞击，或者排出器与缸体顶部的撞击等，现有技术一般通过监测内部气体温度、压力波动、排出器和活塞位移，并根据监测结果调节输入加热量和输出负载等手段。然而，现有自由活塞斯特林发电机所采用的附加机械或电控防撞措施需要引入外部机构、复杂监测手段和抑制措施，工艺复杂，设计难度大，而且可靠性较低。

发明内容

本发明提供一种自由活塞斯特林发电机，以简化系统结构、增加系统的可靠性。

本发明提供的自由活塞斯特林发电机，包括缸体、直线振荡电机、动力活塞和设在缸体内的排出器；动力活塞包括塞体和隼部，塞体设在缸体内，隼部与直线振荡电机的动子连接，排出器与缸体第一端之间形成膨胀腔，排出器与动力活塞之间形成压缩腔，膨胀腔的内壁上还设有热端台阶，排出器远离动力活塞一端设有排出器凸起；排出器靠近动力活塞一端设有排出器台阶，动力活塞靠近排出器一端设有动力活塞凸起。

在本发明的一实施例中，上述热端台阶在所述膨胀腔的内壁周向方向上环绕设置。

在本发明的一实施例中，上述排出器靠近所述动力活塞一端还设有排出器杆体，所述排出器杆体插入所述动力活塞中设置的通孔中。

在本发明的一实施例中，上述直线振荡电机与所述缸体第二端之间还设置有平面支撑弹簧，所述平面支撑弹簧与所述缸体另一端之间形成电机背腔，所述排出器杆体与所述平面支撑弹簧固定连接。

在本发明的一实施例中，上述直线振荡电机和所述动力活塞沿所述排出器杆体对称设置。

在本发明的一实施例中，上述缸体第一端的外壁上设置有外部吸热端换热器，上述缸体第一端的内壁上与所述外部吸热端换热器对应的位置还设置有内部吸热端换热器，所述外部吸热端换热器、所述内部热吸端换热器与所述缸体的材质相同且一体成型制成。

在本发明的一实施例中，上述吸热端换热器为多层结构，每层为辐射状翅片结构，所述内部吸热端换热器为折叠片状结构或空心固体结构。

在本发明的一实施例中，上述缸体第一端的外壁上设置有吸热端换热器，所述吸热端换热器与所述缸体的材质相同且一体成型制成。

在本发明的一实施例中，上述吸热端换热器包括多个片状结构，所述多个片状结构沿所述第一端外壁的周向方向环绕设置。

在本发明的一实施例中，上述缸体内壁上设有硬质光滑涂层，上述动力活塞周向表面设有软质涂层。

本发明提供的自由活塞斯特林发电机，通过在膨胀腔的内壁上设置热端台阶，在排出器远离动力活塞一端设置排出器凸起；在排出器靠近动力活塞一端设置排出器台阶，在动力活塞靠近排出器一端设置动力活塞凸起；构成气体防撞结构，能保证当意外事件使排出器或动力活塞超出设计行程后，分别在排出器与缸体顶部、排出器与动力活塞之间产生强大的气体弹簧和非线性耗散，从而有效避免机械碰撞，在不牺牲系统性能的前提下简化了系统结构、增加了系统可靠性。

附图说明

图1是现有自由活塞斯特林发电机结构示意图；

图2是现有自由活塞斯特林发电机工作原理示意图；

图3是本发明一实施例提供的自由活塞斯特林发电机结构示意图；

图4是图3所示的自由活塞斯特林发电机工作原理示意图；

图5是现有自由活塞斯特林发动机吸热端换热器示意图；

图6是本发明一实施例提供的自由活塞斯特林发电机吸热端换热器示意图。

附图标记说明：

1：膨胀腔；2：缸体；

2a：热端台阶；3：内部吸热端换热器；

4：外部吸热端换热器；5：回流器；

6：放热端换热器；7：排出器；

7a：排出器杆体；7b：排出器凸起；

7c：排出器台阶；8：压缩腔；

9：动力活塞；9a：塞体；

9b：隼部；9c：动力活塞凸起；

10：直线振荡电机；10a：定子；

10b：动子；11：电机背腔；

12：平面支撑弹簧；13：节流孔；

14：单向阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3是本发明一实施例提供的自由活塞斯特林发电机的结构示意图，图3和图1中相同的部件采用相同的标号。如图3所示，本实施例提供的自由活塞斯特林发电机包括：缸体2，直线振荡电机10、动力活塞9和设在缸体2内的排出器7；动力活塞9包括塞体9a和隼部9b，塞体9a设在缸体2内，隼部9b与直线振荡电机10的动子10b连接，排出器7与缸体2第一端之间形成膨胀腔1，排出器7与动力活塞9之间形成压缩腔8。膨胀腔1的内壁上还设有热端台阶2a，排出器7远离动力活塞9一端设有排出器凸起7b；排出器7靠近动力活塞9一端设有排出器台阶7c，动力活塞9靠近排出器7一端设有动力活塞凸起9c。

具体的，本实施例提供的自由活塞斯特林发电机热端台阶2a设置在所述膨胀腔1的内壁，较佳地，可以在缸体2内壁周向方向上环绕设置，可以理解的是，还可以在膨胀腔1的内壁设置多个独立的台阶2a。排出器7远离动力活塞9一端所设置的排出器凸起7b与台阶2a之间形成防撞结构。

排出器7靠近动力活塞9一端还设有排出器杆体7a，排出器杆体7a插入动力活塞9中设置的通孔中。直线振荡电机10包括定子10a和动子10b，直线振荡电机10的具体形式本实施例不作任何限制，可采用动磁式，动铁式，也可采用动圈式。

下面将结合自由活塞斯特林发电机的工作原理对本发明提供的自由活塞斯特林发电机的特定结构进行进一步解释说明。图4是图3所示的自由活塞斯特林发电机工作原理示意图。同时参照图3和图4，本实施例提供的自由活塞斯特林发电机的工作原理如下：

状态a-状态b过程，动力活塞9从下止点开始与排出器7同时上行，使气体在压缩腔8内被压缩，并通过放热端换热器6向外界放热。

状态b-状态c过程，动力活塞9继续上行，排出器7下行，气体热量从压缩腔8流经回热器5进入膨胀腔1，途中将热量释放给回热器5，气体温度降低。

状态c-状态d过程，气体在膨胀腔1内，通过内部吸热端换热器3和外部吸热端换热器4从外界吸热膨胀，使排出器7下行，并推动动力活塞9下行。此过程中，回热器5将热能转换为声能(机械能)，并通过气体推动动力活塞9从而使直线振荡电机10的动子10b切割磁力线向外界以电能形式输出。

状态d-状态a过程，动力活塞9继续下行，排出器7上行，气体热量从膨胀腔1流经回热器5进入压缩腔8，途中将热量释放给回热器5，回热器5温度升高，气体温度降低。

完成上述一完整循环过程后，热能被转化为机械能，并由动力活塞9带动电机的动子10b切割磁力线、向外界以电能形式输出。动力活塞9与排出器7做简谐振动，后者相位超前于前者。本实施例提供的自由活塞斯特林发电机中的排出器和动力活塞工作机理与现有的排出器和动力活塞相同。但本实施例提供的自由活塞斯特林发电机的结构设计和工艺特点与现有技术有较大差别。

由于本实施例提供的自由活塞斯特林发电机，在膨胀腔1的内壁上设置热端台阶2a，在排出器7远离动力活塞9一端设置排出器凸起7b，二者构成气体防撞结构。在排出器7靠近动力活塞9一端设置排出器台阶7c，在动力活塞9靠近排出器7一端设置动力活塞凸起9c，二者也构成气体防撞结构。能保证当意外事件使排出器或动力活塞超出设计行程后，分别在排出器与缸体顶部、排出器与动力活塞之间产生强大的气体弹簧和非线性耗散。

气体弹簧的损耗原理可以用下式来表达：

$\frac{E_{\mathrm{lost}}}{E_{\mathrm{stored}}}=\frac{F}{2\sqrt{2}}\frac{(\mathrm{\γ}-1)}{V}S\sqrt{\mathrm{\α\ω}}$

其中，E_lost为气体弹簧耗散的能量，E_stored为气体弹簧储存的能量，F是经验参数，γ和α分别为气体工质的比热比和热扩散系数，ω为角频率，V和S则分别为气体弹簧体积和内表面积。从气体弹簧的损耗原理表达式不难看出，气体弹簧的体积越小，内表面积越大，则耗散越大，越能够防止撞击发生。

通过上述工作机理和气体弹簧的损耗原理可以看出，本实施例提供的自由活塞斯特林发电机，通过在膨胀腔的内壁上设置热端台阶，在排出器远离动力活塞一端设置排出器凸起，在排出器靠近动力活塞一端设置排出器台阶，在动力活塞靠近排出器一端设置动力活塞凸起，构成气体防撞结构，该结构能够保证当意外事件使排出器或动力活塞超出设计行程后，分别在排出器与缸体顶部、排出器与动力活塞之间产生强大的气体弹簧和非线性耗散，从而有效避免机械碰撞，相对于电控防撞装置，本实施例所采用的气体防撞结构可靠性更高。因此本实施例提供的自由活塞斯特林发电机在不牺牲系统性能的前提下简化了系统结构、增加了系统可靠性。

作为本实施例的一种优选实施方式，自由活塞斯特林发电机中的直线振荡电机10与缸体2第二端之间还设置有平面支撑弹簧12，平面支撑弹簧12与缸体2另一端之间形成电机背腔11，排出器杆体7a与平面支撑弹簧12固定连接。直线振荡电机10和动力活塞9沿排出器杆体7a对称设置。由于平面支撑弹簧12的径向刚度远大于轴向刚度，因而其不仅能够约束排出器7的径向位移，防止严重的摩擦损失，又能使排出器7在轴向方向上有较大位移(相对径向)，完成气体的压缩与膨胀。

需要说明的是，吸热端换热器是实现外部热量输入的重要部件，它包含两部分组件，一是外部吸热端换热器，二是内部吸热端换热器，外部吸热端换热器设置于缸体第一端的外壁上，内部吸热端换热器设置于缸体第一端的内壁上与外部吸热端换热器对应的位置。前者用于增加外部热流体(燃烧器燃烧后产生)与缸体的耐压壳体的换热面积，保证吸热端换热器固体温度和换热量；后者用于增加缸体内部震荡气体(氦气或者氢气等)与吸热端换热器固体的换热面积，保证震荡气体的工作温度和换热量。图5是现有自由活塞斯特林发动机吸热端换热器示意图，图5和图1中相同的部件采用相同的标号。如图5所示，现有自由活塞斯特林发动机为保证高效换热，其吸热端换热器均由铜(紫铜、黄铜等)加工而成，外部吸热端换热器4要先加工成辐射状翅片结构的薄片，再将多个薄片焊接在缸体2的耐压壳体(高温不锈钢)外表面上形成多层结构，内部吸热端换热器3要先加工成折叠片状结构或空心固体结构，再焊接在缸体2的耐压壳体内表面上。由于吸热端换热器与缸体的耐压壳体属于不同材质，因此会产生接触热阻，而且吸热端换热器与缸体的耐压壳体焊接不牢靠也会产生接触热阻，降低了系统可靠性。另外，吸热端换热器选用紫铜、黄铜等加工而成，而紫铜和黄铜的成本都比较高。

而本发明实施例提供的自由活塞斯特林发动机，其吸热端换热器与缸体耐压壳体的材质相同且一体成型制成，如此一来可以有效避免因存在接触热阻而影响系统循环效率的问题，增加了系统的可靠性。而吸热端换热器与缸体耐压壳体一体成型，例如通过铸造工艺加工而成，省去了焊接工艺，从而简化了工艺流程。另外吸热端换热器选用与缸体相同的材质，例如高温不锈钢钢，可以在不牺牲系统性能的前提下有效降低了制造成本。

作为一种优选实施方式，本实施例中的回热器5内部填充多孔材料，例如可以为不锈钢丝网或不锈钢纤维毡。排出器7可以为等截面或变截面空心封闭圆柱结构，材料可以选用不锈钢，且柱面较薄以减小轴向导热损失。排出器7与气缸2的壁面采用间隙密封，以减小膨胀腔1与压缩腔8之间的串气与漏热损失。

作为上述实施例的一种可选的实施方式，还可以简化自由活塞斯特林发电机的吸热端换热器。图6是本发明一实施例提供的吸热端换热器示意图，图6和图3中相同的部件采用相同的标号。如图6所示，本实施例提供的自由活塞斯特林发电机，具体的可以通过在缸体2第一端的外壁上设置吸热端换热器4，且吸热端换热器4与所述缸体2的材质相同且一体成型制成，取消了内部吸热端换热器，从而达到简化吸热端换热器的目的，本实施例提供的自由活塞斯特林发电机可以用于一些特定工况。

优选的，本实施例提供的自由活塞斯特林发电机吸热端换热器4包括多个片状结构，所述多个片状结构沿缸体2第一端外壁的周向方向环绕设置。该片状环绕结构相对于多层辐射状翅片结构在铸造工艺上更为简单。

另外需要说明的是，保证气缸与动力活塞之间的密封性，也是保证系统循环效率的关键因素。基于现有自由活塞斯特林发电机的工作机理可知，现有自由活塞斯特林发电机是通过节流孔13和单向阀14构成气浮轴承，以保证气缸与动力活塞之间的微小间隙，而气浮轴承技术对结构设计和机械加工的要求较高，还要求系统内应有极高的洁净度，以保证节流孔13正常工作，还需要设计合理的节流孔13布局，防止压缩腔8与电机背腔13间的严重泄露损失和串气损失，而且现有自由活塞斯特林发电机的气浮轴承结构失效的风险比较大，如节流孔堵塞、单向阀疲劳损伤等都会引起气浮轴承失效。

而本发明实施例提供的自由活塞斯特林发动机，缸体2内壁上设有硬质光滑涂层，动力活塞9周向表面设有软质涂层，使得缸体2与动力活塞9之间形成软硬结合的摩擦副，实现缸体2与动力活塞9之间的动摩擦，即利用干摩擦技术实现缸体与动力活塞之间的间隙密封，能有效降低漏气损失，代替现有复杂的气浮轴承结构，有效避免了气浮轴承失效而影响发电机性能的问题，进一步提高了系统可靠性，简化了工艺流程和系统结构。

基于上述，本发明提供的自由活塞斯特林发电机，引入气体防撞装置取代附加机械防撞或电控防撞装置，采用一体化设计取代复杂的热端紫铜换热器焊接工艺，引入干摩擦技术取代高精密间隙密封技术(气浮轴承)，在不牺牲系统性能的前提下有效降低了制造成本、简化了系统结构、增加了系统的可靠性。

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 (10)

1.一种自由活塞斯特林发电机，该发电机包括缸体、直线振荡电机、动力活塞和设在该缸体内的排出器；所述动力活塞包括塞体和隼部，所述塞体设在该缸体内，所述隼部与所述直线振荡电机的动子连接，所述排出器与所述缸体第一端之间形成膨胀腔，所述排出器与所述动力活塞之间形成压缩腔，其特征在于，

所述膨胀腔的内壁上还设有热端台阶，所述排出器远离所述动力活塞一端设有排出器凸起；所述排出器靠近所述动力活塞一端设有排出器台阶，所述动力活塞靠近所述排出器一端设有动力活塞凸起。

2.根据权利要求1所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述热端台阶在所述膨胀腔的内壁周向方向上环绕设置。

3.根据权利要求1或2所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述排出器靠近所述动力活塞一端还设有排出器杆体，所述排出器杆体插入所述动力活塞中设置的通孔中。

4.根据权利要求3所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述直线振荡电机与所述缸体第二端之间还设置有平面支撑弹簧，所述平面支撑弹簧与所述缸体另一端之间形成电机背腔，所述排出器杆体与所述平面支撑弹簧固定连接。

5.根据权利要求4所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述直线振荡电机和所述动力活塞沿所述排出器杆体对称设置。

6.根据权利要求1或2所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述缸体第一端的外壁上设置有外部吸热端换热器，所述缸体第一端的内壁上与所述外部吸热端换热器对应的位置还设置有内部吸热端换热器，所述外部吸热端换热器、所述内部吸热端换热器与所述缸体的材质相同且一体成型制成。

7.根据权利要求6所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述外部吸热端换热器为多层结构，每层为辐射状翅片结构，所述内部吸热端换热器为折叠片状结构或空心固体结构。

8.根据权利要求1或2所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述缸体第一端的外壁上设置有吸热端换热器，所述吸热端换热器与所述缸体的材质相同且一体成型制成。

9.根据权利要求8所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述吸热端换热器包括多个片状结构，所述多个片状结构沿所述第一端外壁的周向方向环绕设置。

10.根据权利要求1或2所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述缸体内壁上设有硬质光滑涂层，所述动力活塞周向表面设有软质涂层。