CN105299946A - 一种自由活塞斯特林热机系统 - Google Patents
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Abstract
一种自由活塞斯特林热机，其包括：裝于耐压壳体内下部的直线振荡电机；依次裝于壳体上部内壁的吸热端换热器、回热器和放热端换热器；盖于壳体上下端的上、下固定支座；裝于由吸热端换热器、回热器和放热端换热器及固定支座围成空间内的排出器；排出器与上固定支座间形成压缩腔；排出器与直线振荡电机的动力活塞间形成膨胀腔；动力活塞与下固定支座间形成电机背腔；吸热端换热器靠近动力活塞，放热端换热器远离动力活塞；排出器的排出器杆穿过动力活塞与位于电机背腔的平面支撑弹簧相连；相比已有的用于热泵和低温冷能发动机应用的自由活塞斯特林热机，本发明的排出器与动力活塞耦合，板簧置于电机背腔，结构紧凑、工艺要求低，寿命和可靠性更高。
Description
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系统。
背景技术
在高温热泵或制冷机/热泵两用系统及低温冷源(如液化天然气或者液氮的气化过程释放的大量汽化潜热)等应用领域，中国发明专利(ZL201310020114.8和ZL201310042811.3)提出了一种新型的自由活塞斯特林热机技术，以提供低环温、大温差和高制热温度等苛刻条件下的高效热泵，充分利用汽化潜热用于发电等。图1是该热机的结构示意图，该热机包括缸体3、至少一个直线振荡电机2、至少一个动力活塞4和设在该缸体3内的至少一个排出器5，动力活塞4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的线圈内，缸体内具有压缩腔9和膨胀腔10，排出器5在压缩腔9和膨胀腔10之间振动，热机缸体内壁上还设有吸热端换热器6、回热器7和放热端换热器8。该热机的创新点在于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。
尽管图1的结构在热泵、低温冷源发动机等领域具有较好的适用性，但该结构仍存在缺陷，其主要问题在于平面支撑弹簧12置于排出器5内部；其一方面由于单侧支撑而使排出器容易失稳；另一方面，平面支撑弹簧尺寸容易受到排出器尺寸的制约，从而显著增加设计、材料和加工工艺难度，降低其可靠性。因此，本发明的目的在于，针对目前用于热泵、低温冷源领域的新型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，将排出器5与动力活塞4耦合、平面支撑弹簧12置于电机背腔的新结构，降低平面支撑弹簧的设计难度，提升其运动的平稳性和可靠性，亦使系统更紧凑。
本发明基于排出器的工作机理，自由活塞斯特林热机高效运行的一个重要机理就在于作往复运动的排出器的调相作用；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。
从上式中可以看出，排出器的工作特性主要由两侧的压差、平面支撑弹簧的弹性系数和阻尼特性决定；因而，可以通过调节排出器两侧的面积差来调节排出器的工作特性，获得所需的调相性能。
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，增强排出器运动平稳性和可靠性，提高系统的紧凑性和使用寿命。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的自由活塞斯特林热机，其包括：
耐压壳体1；
裝于所述耐压壳体1之内下部的直线振荡电机2；
依次裝于所述耐压壳体1上部内壁上的吸热端换热器6、回热器7和放热端换热器8；
分别盖于所述耐压壳体1上下端的上固定支座11和下固定支座；
裝于由所述吸热端换热器6、回热器7和放热端换热器8及固定支座11围成的空间内的排出器5；
所述排出器5与上固定支座11之间形成的压缩腔9；
所述排出器5与直线振荡电机的动力活塞4之间形成的膨胀腔10；
所述动力活塞4与下固定支座之间形成的电机背腔17；
所述吸热端换热器6靠近动力活塞4，放热端换热器8远离动力活塞4；所述排出器5的排出器杆穿过直线振荡电机的动力活塞4与位于所述电机背腔17的平面支撑弹簧16相连。
膨胀腔侧的排出器面积大于压缩腔侧排出器面积。
所述排出器5与上固定支座11之间为间隙密封。所述密封结构包括迷宫、镀层等形式。
所述排出器5与所述吸热端换热器6、回热器7和放热端换热器8及固定支座11内壁之间、所述排出器杆与动力活塞4之间以及所述动力活塞4与缸体3内壁之间均为间隙密封或干摩擦密封；所述间隙密封结构为迷宫、镀层等形式。
所述动力活塞4采用气浮轴承支撑。
所述自由活塞斯特林热机为两个，呈同轴对置布置结构，两个自由活塞斯特林热机的缸体相连通。所述两个自由活塞斯特林热机的缸体为一体的长筒体，上固定支座11位于所述长筒体缸体内中部，二个排出器5分布在所述上固定支座两侧，所述上述固定支座上具有连通两侧压缩腔9的通气孔18。
所述压缩腔侧的耐压壳体中部设有一T型结构的固定支座，该固定支座的垂直分支的直径大于排出器杆直径，用于提供排出器运动所需的面积差。所述排出器与固定支座不接触，两者为间隙密封。
所述吸热端换热器6为翅片式或者管壳式换热器；所述放热端换热器8为翅片式或者管束式换热器；所述翅片式吸热端换热器的内壁面材料为紫铜，外侧壳体材料为不锈钢，所述管壳式吸热端换热器的材料为不锈钢或紫铜；所述翅片式放热端换热器的壁面材料为紫铜或铝合金，外侧壳体材料为不锈钢，所述管束式放热端换热器的材料为紫铜或不锈钢，所述放热端换热器外部可增加换热翅片。
所述回热器内部填充不锈钢丝网、不锈钢纤维毡或者不锈钢丝绵。
所述排出器5为等径圆筒或为变径带锥度圆筒，其材质为不锈钢或铝合金。
所述排出器与动力活塞之间不接触，两者为间隙密封，采用气浮轴承支撑；所述排出器与动力活塞之间亦可接触，两者为干摩擦方式，通过自润滑材料使两者之间保持较低的摩擦系数。
本发明提供的自由活塞斯特林热机，将排出器与动力活塞相互耦合，用膨胀腔侧的排出器面积大于压缩腔侧排出器面积来调节排出器的工作特性，获得所需的调相性能；将提供排出器往复力的平面支撑弹簧置于直线振荡电机背腔，有利于使系统更紧凑、平面支撑弹簧的寿命更高，降低工艺要求，提升热机的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为现有技术中的自由活塞斯特林热机的示意图；
图2为本发明实施例一提供的单热机布置的自由活塞斯特林热机的示意图；
图3为本发明实施例二提供的双热机对置的自由活塞斯特林热机的示意图；
图4a、图4b、图4c和图4d为本发明的自由活塞斯特林热机的工作原理图。
具体实施方式
实施例1
图2为本发明实施例1提供的单热机布置的自由活塞斯特林热机的示意图；
实施例1的自由活塞斯特林热机，其包括：
耐压壳体1；
裝于所述耐压壳体1之内下部的直线振荡电机2；
依次裝于所述耐压壳体1上部内壁上的吸热端换热器6、回热器7和放热端换热器8；
分别盖于所述耐压壳体1上下端的上固定支座11和下固定支座；
裝于由所述吸热端换热器6、回热器7和放热端换热器8及固定支座11围成的空间内的排出器5；
所述排出器5与上固定支座11之间形成的压缩腔9；
所述排出器5与直线振荡电机的动力活塞4之间形成的膨胀腔10；
所述动力活塞4与下固定支座之间形成的电机背腔17；其特征在于：
所述吸热端换热器6靠近动力活塞4，放热端换热器8远离动力活塞4；所述排出器5的排出器杆穿过直线振荡电机的动力活塞4与位于所述电机背腔17的平面支撑弹簧16相连。
图4a、图4b、图4c和图4d为本发明的自由活塞斯特林热机工作原理图；其排出器的工作原理与传统自由活塞斯特林热机的排出器工作原理相同，在本发明中，通过设计合适的排出器两侧面积差、排出器动质量和平面支撑弹簧刚度，可为排出器提供合适的声场阻抗，进而满足热机高效运行所需的声场相位要求。
其基本工作原理如下：
参照图4a～图4d，本实施例提供的自由活塞斯特林热机作为制冷机或热泵(制冷机与热泵采用相同的热力循环)的工作原理如下：
图4a-图4b过程，动力活塞4与排出器5同时下行，使气体在膨胀腔10内膨胀，温度降低，通过吸热端换热器6从外界吸热。对于制冷机，吸热端换热器6即为冷头，用于制冷；对于热泵，吸热端换热器6为室温换热器，气体从室温吸热，以便在c-d过程中将热量泵至高温端；
图4b-图4c过程，动力活塞4上行，排出器5下行，气体从膨胀腔10流经回热器7进入压缩腔9，途中从回热器7吸收热量，温度升高；
图4c-图4d过程，动力活塞4与排出器5同时上行，使气体在压缩腔9内被压缩，通过放热端换热器8向外界放热。对于制冷机，放热端换热器8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8为高温换热器，该热量被收集利用；
图4d-图4a过程，动力活塞4下行，排出器5上行，使气体从压缩腔9流经回热器7进入膨胀腔10，途中将热量释放给回热器7，气体温度降低。
整个循环过程中，动力活塞4与排出器5做简谐振动，前者相位超前于后者。由于排出器受到了平面支撑弹簧16或气浮轴承的支撑，其运动更加平稳。同时，该结构亦可使排出器5与固定支座11间的密封面更长，减少压缩腔9与排出器5内腔体之间的窜气损失。
本实施例的自由活塞斯特林热机作为低温冷源发动机的工作原理如下：
图4a-图4b过程，排出器5下行，动力活塞4下行，气体在膨胀腔10内，通过吸热端换热器6从外界吸热膨胀，推动动力活塞4。此过程中，热能转换为机械能，并通过动力活塞4向外界输出。
图4b-图4c过程，动力活塞4上行，排出器5下行，气体从膨胀腔10流经回热器7进入压缩腔9，途中将热量释放给回热器7，气体温度降低。
图4c-图4d过程，动力活塞4与排出器5同时上行，使气体在压缩腔9内被压缩，并通过放热端换热器8向低温冷源放热。
图4d-图4a过程，动力活塞4下行，排出器5上行，气体从压缩腔9流经回热器7进入膨胀腔10，途中从回热器7吸收热量，温度升高。
整个循环过程中，动力活塞4与排出器5做简谐振动，前者相位超前于后者。除了具有与前述作为制冷机/热泵使用时相同的优势外，由于低温冷源发动机的压缩腔温度较低(80K～120K)，本发明的排出器结构可在排出器内部增加多层防辐射屏，有效减少热辐射造成的冷量损失。
本发明提供的自由活塞斯特林热机，将排出器5与动力活塞4相互耦合，将提供排出器往复力的平面支撑弹簧16置于电机背腔17，有利于使系统更紧凑、平面支撑弹簧的寿命更高，排出器内侧腔体与压缩腔之间的窜气损失更小，并降低工艺要求，提升热机的稳定性和可靠性。采用本发明的自由活塞斯特林热机，利用电驱动可制成自由活塞斯特林热泵(或热泵/制冷机两用系统)、利用低温冷源(如液氮、液态天然气)可制成自由活塞斯特林发电机。
实施例2
图3为本发明实施例2提供的双热机对置的自由活塞斯特林热机的示意图，如图3所示，排出器5为两个，且耐压壳体1呈长筒形，耐压壳体1内具有一固定支座11，两排出器5分布在该固定支座两侧，固定支座11上具有连通其两侧压缩腔的通气孔18。
其工作原理与实施例1相同，区别在于实施例2中采用两套结构参数完全相同热机对置布置。如图3所示，将两套热机同轴反向布置，并共用同一固定支座11，固定支座11上开有通气孔18，连接两压缩腔9，使两套热机的平均压力完全相同，压缩腔9压力波动完全相同，保证两动力活塞4运行相位完全相同，两排出器5运行相位也完全相同，从而使动力活塞4、排出器5的震动完全抵消。相比于实施例一，实施例二的震动、噪音更小。
吸热端换热器6、放热端换热器8与回热器7均为环形结构；吸热端换热器6、放热端换热器8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7内部填充多孔材料，一般为不锈钢丝网、不锈钢随机丝绵或不锈钢纤维毡。排出器5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，排出器内部可根据需要而装有防辐射屏，减少辐射漏热损失。排出器5与缸体3内壁、排出器5与固定支座11之间均采用间隙密封，可减小膨胀腔10与压缩腔9间、压缩腔9与排出器5内侧腔体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。位于电机2背腔的平面支撑弹簧16可充分利用电机背腔17的空间，同时平面支撑弹簧16与气浮轴承的共同作用使排出器运行更为平稳。
热机部分的作用是实现机械能与热能之间的转换。对于低温冷源发动机，其将热能转换机械能；对于热泵或制冷机，其将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。
其工作过程如下：
对于发动机，膨胀腔10内的气体推动动力活塞4往复运动，动力活塞4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4往复运动，将电能转化为机械能。
动力活塞与气缸壁间采用间隙密封，其具体结构可为迷宫或者镀层形式，气浮轴承提供动力活塞的支撑力，防止动力活塞4发生径向摆动或偏心，影响密封性能或增大摩擦；由磁力弹簧和气体弹簧共同作用以提供动力活塞的往复力。
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 (7)
1.一种自由活塞斯特林热机，其包括：
耐压壳体(1)；
裝于所述耐压壳体(1)之内下部的直线振荡电机(2)；
依次裝于所述耐压壳体(1)上部内壁上的吸热端换热器(6)、回热器(7)和放热端换热器(8)；
分别盖于所述耐压壳体(1)上下端的上固定支座(11)和下固定支座；
裝于由所述吸热端换热器(6)、回热器(7)和放热端换热器(8)及固定支座(11)围成的空间内的排出器(5)；
所述排出器(5)与上固定支座(11)之间形成的压缩腔(9)；
所述排出器(5)与直线振荡电机的动力活塞(4)之间形成的膨胀腔(10)；
所述动力活塞(4)与下固定支座之间形成的电机背腔(17)；
所述吸热端换热器(6)靠近动力活塞(4)，放热端换热器(8)远离动力活塞(4)；所述排出器(5)的排出器杆穿过直线振荡电机的动力活塞(4)与位于所述电机背腔(17)的平面支撑弹簧(16)相连。
2.按权利要求1所述的自由活塞斯特林热机，其特征在于，膨胀腔(10)侧的排出器面积大于压缩腔(9)侧排出器面积。
3.按权利要求1所述的自由活塞斯特林热机，其特征在于，所述排出器(5)与上固定支座(11)之间为间隙密封。
4.按权利要求1所述的自由活塞斯特林热机，其特征在于，所述排出器(5)与所述吸热端换热器(6)、回热器(7)和放热端换热器(8)及固定支座(11)构成内壁之间，所述排出器杆与动力活塞(4)之间以及所述动力活塞(4)与缸体(3)内壁之间均采用间隙密封或干摩擦密封。
5.按权利要求1所述的自由活塞斯特林热机，其特征在于，所述动力活塞(4)采用气浮轴承支撑。
6.按权利要求1所述的自由活塞斯特林热机，其特征在于，所述自由活塞斯特林热机为两个，呈同轴对置布置结构，两个自由活塞斯特林热机的缸体相连通。
7.按权利要求6所述的自由活塞斯特林热机，其特征在于，所述两个自由活塞斯特林热机的缸体为一体的长筒型，上固定支座(11)位于所述长筒型缸体内中部，二个排出器(5)分布在所述上固定支座两侧，所述上述固定支座上具有连通两侧压缩腔(9)的通气孔(18)。
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