CN105370434A - 一种自由活塞斯特林机装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由活塞斯特林机装置,包括排出器、小活塞、外壳、弹性支撑结构和室温换热器;所述小活塞沿所述排出器中轴线方向设置于所述排出器的气缸内,且与所述排出器的气缸间存在间隙;所述排出器设置于所述外壳内;所述室温换热器设置于所述外壳和所述排出器之间,与所述外壳接触连接,且与所述排出器存在间隙;所述弹性支撑结构设置于所述室温换热器的底端,用于支撑所述排出器。本发明通过采用自由活塞的排出器结构,可以降低斯特林机装置的加工难度,减少甚至消除系统振动。
Description
技术领域
本发明涉及热机领域,具体涉及一种自由活塞斯特林机装置。
背景技术
自由活塞斯特林机是一种回热式热机,具有长寿命、高效率、结构紧凑的优点,具有非常好的应用前景,主要包括斯特林发动机、斯特林制冷机、斯特林热泵三种应用,斯特林发动机和斯特林制冷机应用已经非常广泛,但斯特林热泵还处于刚刚开始的研究阶段。
自由活塞斯特林机包括两种典型结构:如图1所示的Infinia(美国碟式斯特林光热发电技术公司)结构和如图2所示的Sunpower(国际知名斯特林技术的企业)结构。如图1所示的Infinia结构的排出器4需同时与小活塞6和回热器内壁之间保持间隙密封。如图2所示的Sunpower斯特林机装置结构中排出器4上的连杆13穿过直线电机活塞9,因此排出器也同时存在两道间隙密封,在装配时也存在与Infinia结构相同的问题。
这两种结构主要是为了使排出器面向压缩腔的端面面积小于排出器面向膨胀腔的端面面积(这个面积指的是投影在排出器横截面上的面积),这样的面积关系可以使与排出器相连的弹簧刚度较小。如果采用如图3所示的等面积排出器结构,板簧的刚度需要非常大,特别是系统的功率较大时,难以加工制作。
同时,排出器在运动过程中,要始终保持不与回热器内壁面和小活塞相摩擦,在实际装配过程中通常出现其中一道间隙配合好了,而另外一道间隙难以同时满足要求的情况,如果调整其中的一道配合,另一道配合也需要同时调整,因此工艺难度非常高。
另外,上述Infinia结构、Sunpower结构及等面积排出器结构三种结构由于存在排出器的运动,系统振动较大,也不利于实际应用。
发明内容
针对现有的斯特林机在实际装配过程中加工难度大,工艺成本高,系统振动剧烈,不利于实际使用的问题,本发明提出一种自由活塞斯特林机装置。
本发明提出一种自由活塞斯特林机装置,包括排出器、小活塞、外壳、弹性支撑结构和室温换热器;
所述小活塞沿所述排出器中轴线方向设置于所述排出器的气缸内,且与所述排出器的气缸间存在间隙;
所述排出器设置于所述外壳内;
所述室温换热器设置于所述外壳和所述排出器之间,与所述外壳接触连接,且与所述排出器存在间隙;
所述弹性支撑结构设置于所述室温换热器的底端,用于支撑所述排出器。
优选地,还包括非室温散热器、回热器和直线电机活塞;
所述非室温散热器和所述回热器设置于所述外壳和所述排出器之间,与所述外壳接触连接,且与所述排出器存在间隙;
所述直线电机活塞设置于所述外壳内部的压缩腔中;
所述非室温散热器设置于所述外壳内部的膨胀腔中,且设置在所述外壳内远离所述直线电机活塞的一端,与所述室温换热器通过所述回热器连接。
优选地,所述非室温散热器、所述回热器和所述室温换热器与所述排出器的间距在10微米量级;所述小活塞与所述排出器的气缸的间距在10微米量级。
优选地,所述弹性支撑结构为第一板簧,所述第一板簧连接所述排出器和所述外壳。
优选地,所述小活塞通过第二板簧与所述排出器的内壁连接。
优选地,所述弹性支撑结构为气浮装置,所述气浮装置包括所述排出器底面的单向阀、所述排出器侧面的若干个节流孔和排出器内腔。
优选地,所述单向阀设置于所述排出器朝向所述压缩腔的端面,所述单向阀内气体的流动方向为压缩腔流向排出器内腔。
优选地,一部分所述节流孔设置于所述排出器的内壁,且设置于所述小活塞的高度范围内;另一部分所述节流孔设置于所述排出器的外壁。
优选地,所述排出器的气缸顶端为封闭结构。
优选地,所述室温换热器的内壁延伸至所述压缩腔内,且延伸部分靠近室温换热器侧内壁设置有若干个通孔。
由上述技术方案可知,本发明通过采用自由活塞的排出器结构,可以降低斯特林机的加工难度,减少甚至消除系统振动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为现有的Infinia斯特林机装置的结构示意图;
图2为现有的Sunpower斯特林机装置的结构示意图;
图3为现有的等面积排出器斯特林机装置的结构示意图;
图4为本发明一实施例提供的一种自由活塞斯特林机装置的结构示意图;
图5为本发明一实施例提供的一种自由活塞斯特林机装置的两个工作时刻示意图;
图6为本发明一实施例提供的一种自由活塞斯特林机装置作为热泵使用时的结构示意图;
图7为本发明一实施例提供的一种自由活塞斯特林机装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图,对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
图4示出了本实施例提供的一种自由活塞斯特林机装置的结构示意图,包括排出器104、小活塞106、外壳100、弹性支撑结构108和室温换热器101;
所述小活塞106沿所述排出器104中轴线方向设置于所述排出器104的气缸内,且与所述排出器104的气缸间存在间隙;
所述排出器104设置于所述外壳100内;
所述室温换热器101设置于所述外壳100和所述排出器104之间,与所述外壳100接触连接,且与所述排出器104存在间隙;
所述弹性支撑结构108设置于所述室温换热器104的底端,用于支撑所述排出器104。
其中,所述弹性支撑结构为第一板簧108,所述第一板簧108连接所述排出器104和所述外壳100;所述小活塞106通过第二板簧105与所述排出器104的内壁连接。
具体地,如图4所示,本实施例还包括非室温散热器103、回热器102和直线电机活塞109;所述非室温散热器103、和所述回热器102设置于所述外壳100和所述排出器104之间,与所述外壳100接触连接,且与所述排出器104存在间隙;所述直线电机活塞109设置于所述外壳100内部的压缩腔中;所述非室温散热器103设置于所述外壳100内部的膨胀腔中,且设置在所述外壳100内远离所述直线电机活塞109的一端,与所述室温换热器101通过所述回热器102连接。所述非室温散热器103、所述回热器102和所述室温换热器101与所述排出器104的间距在10微米量级;所述小活塞106与所述排出器104的气缸107的间距在10微米量级。
其中,非室温换热器103作为发动机和热泵使用时,为高温换热器,作为制冷机使用时,为低温换热器;在所述非室温散热器103、所述回热器102和所述室温换热器101的中央位置是所述排出器104。所述排出器104的外壁面跟所述非室温散热器103、所述回热器102和所述室温换热器101之间是间隙密封结构,小活塞106与排出器104上的气缸107之间为间隙密封,109为直线电机活塞。
如图4所示的排出器104通过第一板簧108支撑,在排出器104的近压缩腔端面有气缸107,气缸107内有小活塞106,第二板簧105将小活塞106与排出器104内壁面连接在一起。采用这样的结构后,小活塞106与汽缸107之间的间隙配合可以先装配完成,然后再对排出器与回热器102(包括非室温散热器103和室温换热器101)内壁面之间的间隙配合进行装配,两道装配过程可以独立完成,互不影响,并且其中一道配合发生调整时,另一道配合也不需要更改。在加工过程中,只需要保证小活塞106与汽缸107同轴,排出器104与回热器102内壁面同轴即可,小活塞106与回热器102之间微小的不同轴不会影响排出器的运动。因此采用该结构后,加工工艺大大简化。
举例来说,当排出器104相对于回热器102向下运动时,小活塞106则相对于排出器104向上运动,如图5中的左侧图;反之,排出器104相对于回热器102向上运动时,小活塞106则相对于排出器104向下运动,保持与排出器104反向运动,如图5中的右侧图。这样就可以使排出器104两个端面的扫气量不等,从而有效降低第二板簧108的刚度。在该结构中,由于小活塞106通过第二板簧108对排出器104施加了作用力,所以可以减少第二板簧108的刚度,在适当的设计下,甚至可以使第二板簧108的刚度为0,这样第二板簧108对系统壁面的作用力将非常小,因此可以减小甚至消除系统外壳的振动。
需要指出的是,作为热泵使用时,排出器需反向安装,如图6所示,小活塞位于排出器远离直线活塞的一端。因为作为制冷机或者热泵使用时,声功是从排出器的远直线电机活塞端流向近直线电机活塞端的,而作为热泵使用时,声功的传输方向是反向的,所以排出器的安装方向需调转。
本实施例通过采用两个板簧的自由活塞的排出器结构,可以降低斯特林机装置的加工难度,减少甚至消除系统振动。
图7示出了本实施例提供的一种自由活塞斯特林机装置的结构示意图,包括排出器204、小活塞206、外壳200、弹性支撑结构208和室温换热器201;
本实施例除了所述排出器204、所述小活塞206和所述弹性支撑结构208与第一个实施例不同,其余结构均相同。
其中,所述弹性支撑结构208气浮装置,所述气浮装置包括为所述排出器204底面的单向阀215、所述排出器204侧面的若干个节流孔204和排出器内腔216。当装置启动时,会在小活塞206与气缸的间隙之间以及排出器204与回热器202内壁面之间形成高压气膜,所述单向阀215位于面向压缩腔215的端面,当装置启动时,所述单向阀内气体的流动方向为压缩腔流向排出器内腔。所述单向阀215设置于所述排出器204朝向所述压缩腔211的端面。一部分所述节流孔214设置于所述排出器204的内壁,且设置于所述小活塞206的高度范围内;另一部分所述节流孔214设置于所述排出器204的外壁。当压缩腔215内的压力升高时,气流通过单向阀215进入排出器204的内腔216形成高压气源,高压气源通过节流小孔214进入排出器204与回热器202内壁面之间的间隙,形成高压气膜,对排出器204起到支撑的作用,防止排出器204与回热器202内壁之间摩擦,最终气流流回压缩腔215。整个排出器204在压缩腔215和膨胀腔216压力波的作用下进行往复运动。排出器内腔216内的高压气体也可通过节流小孔214进入小活塞206和气缸207之间的间隙形成高压气膜,支撑小活塞206,防止小活塞206与气缸207之间摩擦。气缸207的一端封闭,与小活塞之间形成气体弹簧腔213,气体弹簧腔213作用于小活塞206使其作往复运动。
具体地,所述排出器204为U型空腔,其气缸207顶端为封闭结构。
进一步地,如图6所示,所述室温换热器201的内壁延伸至所述压缩腔211内,且延伸部分在靠近室温换热器201处的内壁设置有若干个通孔,形成高压气膜的部分气体可经该通孔回到压缩腔。
本实施例通过采用单向阀和节流孔形成的高压气膜的自由活塞的排出器结构,可以降低斯特林机装置的加工难度,减少甚至消除系统振动。
本发明的说明书中,说明了大量具体细节。然而,能够理解,本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中,并未详细示出公知的方法、结构和技术,以便不模糊对本说明书的理解。
Claims (10)
1.一种自由活塞斯特林机装置,其特征在于,包括排出器、小活塞、外壳、弹性支撑结构和室温换热器;
所述小活塞沿所述排出器中轴线方向设置于所述排出器的气缸内,且与所述排出器的气缸间存在间隙;
所述排出器设置于所述外壳内;
所述室温换热器设置于所述外壳和所述排出器之间,与所述外壳接触连接,且与所述排出器存在间隙;
所述弹性支撑结构设置于所述室温换热器的底端,用于支撑所述排出器。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,还包括非室温散热器、回热器和直线电机活塞;
所述非室温散热器和所述回热器设置于所述外壳和所述排出器之间,与所述外壳接触连接,且与所述排出器存在间隙;
所述直线电机活塞设置于所述外壳内部的压缩腔中;
所述非室温散热器设置于所述外壳内部的膨胀腔中,且设置在所述外壳内远离所述直线电机活塞的一端,与所述室温换热器通过所述回热器连接。
3.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,所述非室温散热器、所述回热器和所述室温换热器与所述排出器的间距在10微米量级;所述小活塞与所述排出器的气缸的间距在10微米量级。
4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述弹性支撑结构为第一板簧,所述第一板簧连接所述排出器和所述外壳。
5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,所述小活塞通过第二板簧与所述排出器的内壁连接。
6.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述弹性支撑结构为气浮装置,所述气浮装置包括所述排出器底面的单向阀、所述排出器侧面的若干个节流孔和排出器内腔。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述单向阀设置于所述排出器朝向所述压缩腔的端面,所述单向阀内气体的流动方向为压缩腔流向排出器内腔。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,一部分所述节流孔设置于所述排出器的内壁,且设置于所述小活塞的高度范围内;另一部分所述节流孔设置于所述排出器的外壁。
9.根据权利要求8所述的装置,其特征在于,所述排出器的气缸顶端为封闭结构。
10.根据权利要求9所述的装置,其特征在于,所述室温换热器的内壁延伸至所述压缩腔内,且延伸部分靠近室温换热器侧内壁设置有若干个通孔。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |