CN106917696A - 一种斯特林热机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及斯特林热机技术领域，尤其涉及一种斯特林热机，包括振荡源和两个活塞，振荡源包括主缸体、副缸体和热缓冲机构，主缸体和副缸体内均设置有所述热缓冲机构，热缓冲机构包括沿其所在的缸体轴向依次设置的换热组件和排出器，换热组件的一端与其所在的缸体形成压缩腔，排出器的一端与换热组件的另一端形成膨胀腔，排出器的另一端与其所在的缸体形成次压缩腔，主缸体的压缩腔与副缸体的次压缩腔连通并形成第一连通腔室，主缸体的次压缩腔与副缸体的压缩腔连通形成第二连通腔室，两个活塞分别位于第一两通腔室和第二连通腔室内且相对设置。本发明将实现主、副缸体内部气路耦合，大幅度的消除系统振动。

Description

一种斯特林热机
技术领域
本发明涉及斯特林热机技术领域，尤其涉及一种斯特林热机。
背景技术
目前斯特林热机包括斯特林发动机、斯特林制冷机、斯特林热泵，前者是将热能转化为机械能，配备发电机时则可进一步将机械能转化为电能向外输出，后者将外界输入的电能先转化为机械能，再将机械能转换为热能，产生制冷或者泵热效应。斯特林热机结构紧凑，功率密度高，而且效率非常高，具有非常广阔的应用前景。现有斯特林制冷机振动较大，现有的减震措施无法完全消除振动或者结构较为复杂，成本较高。
当传统的斯特林热机作为发动机使用时，其非室温换热器被加热，室温换热器被冷却时，回热器内就会形成一定的温度梯度，当该梯度达到一定的值时，系统就会产生自激振荡，将热能转化为声波形式的机械能，功流沿着回热器温度升高的方向增加，然后经过排出器，排出器将一部分声功(经过室温换热器)反馈给回热器，剩余部分推动电机活塞进行往复运动，活塞在带动电机的动子切割磁力线，将机械能转换为电能输出；当它作为制冷机使用时，外界输入的电能被直线电机转化为机械能推动活塞做往复运动，向系统输入声波，声功在回热器内进行热量搬运，将非室温换热器内的热量搬运到室温端换热器内，在非室温换热器内获得冷量，从而将机械能转化为热能，声波在经过回热器后会剩余部分能量，该部分能量经过排出器(经过室温换热器)反馈给回热器；当它作为热泵使用时，外界输入的电能被直线电机转化为机械能推动活塞做往复运动，向系统输入声波，声波先流经排出器再经过非常温换热器进入回热器，声波在回热器内进行热量搬运，将室温换热器内的热量搬运到非室温端换热器内，在内获得热量，从而将机械能转化为热能，经过回热器后的声波剩余部分能量，该部分能量再反馈给排出器。在这两种系统中，排出器为往复运动的机械部件，作为调相机构，使回热器获得理想的声场相位，使能量在热和功之间高效转换。
通常斯特林热机的回热器和排出器是采用同轴设计的，即回热器、室温换热器和非室温换热器采用环形结构，排出器位于这三者的中心轴线上。这种结构在实际制造过程中存在较大的难度：因为回热器在装配过程中需要被压紧，因此会挤压回热器的内侧壁面，不可避免地会使内壁面发生微小的变形。由于回热器内壁面与排出器之间是间隙配合(类似于气缸与活塞之间的配合，但是二者不发生接触，只存在微小的间隙，间隙一般在十微米量级)，因此回热器内壁面变形后，排出器就容易与其发生摩擦，降低系统性能，严重的情况下甚至出现卡死，无法正常运行。为了避免回热器内壁和排出器之间出现摩擦或者卡死的情况，可以将排出器和回热器设计成直线结构，即室温换热器、回热器和非室温换热器采用直线依次排列的结构，排出器位于三者的轴线上。
在正常的工作条件下，斯特林热机的活塞和排出器并不是反向运动的，而且二者的质量也不相等，因此系统存在显著的振动，特别是当系统的功率较大、活塞和排出器的质量较大时，系统振动非常剧烈，非常影响应用。为了消除振动，最常用的办法就是在斯特林热机上安装被动或者主动的减震器，以减小振动，但前者无法彻底消除振动，后者的结构较为复杂，成本较高。也可将两台斯特林机对置，并将外壳固定在一起，但两台斯特林热机仍是独立工作的状态，因此无法抵消或消除振动。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有的斯特林热机振动剧烈，且减振方式抵消或消除振动的效果不佳的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种斯特林热机，包括振荡源和两个活塞，所述振荡源包括主缸体、副缸体和热缓冲机构，所述主缸体和所述副缸体内均设置有所述热缓冲机构，所述热缓冲机构包括沿其所在的缸体轴向依次设置的换热组件和排出器，所述换热组件的一端与其所在的缸体形成压缩腔，所述排出器的一端与所述换热组件的另一端形成膨胀腔，所述排出器的另一端与其所在的缸体形成次压缩腔，所述主缸体的所述压缩腔与所述副缸体的所述次压缩腔连通并形成第一连通腔室，所述主缸体的所述次压缩腔与所述副缸体的压缩腔连通形成第二连通腔室，两个所述活塞分别位于所述第一连通腔室和所述第二连通腔室内且相对设置。
其中，所述换热组件包括沿其所在的缸体轴向依次设置的室温换热器、回热器和非室温换热器，所述非室温换热器与所述排出器的一端形成所述膨胀腔。
其中，当所述主缸体与所述副缸体均为一个时，所述主缸体中的所述排出器的质量与所述副缸体中的所述排出器的质量相等；当所述主缸体为一个，所述副缸体为多个时，所述主缸体中的所述排出器的质量与多个所述副缸体中的所述排出器的总质量相等。
其中，当所述主缸体与所述副缸体均为一个时，两个所述活塞分别位于所述主缸体和所述副缸体内。
其中，当所述主缸体为一个，所述副缸体为多个时，两个所述活塞均位于所述主缸体内，且沿所述主缸体的轴向分别设置于所述热缓冲机构的两侧。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明斯特林热机的振荡源包括内部热缓冲机构直线式分布的主、副缸体，热缓冲机构的排出器在靠近换热组件的一侧形成膨胀腔，在远离换热组件的一侧与其所在的缸体形成次压缩腔，换热组件在远离排出器的一端与其所在的缸体形成压缩腔，将主缸体中压缩腔与副缸体中的次压缩腔连通，同时将主缸体中的次压缩腔与副缸体中的压缩腔连通，从而构成一个环路，一个缸体内压缩腔内的压力波动向该缸体中的换热组件、膨胀腔、排出器传播后传递到另一个缸体内压缩腔中，以此实现主、副缸体内部气路耦合，使不同主、副缸体在完全相同的频率下工作，其中，主、副缸体中的排出器对置，保持反向运动，同时两个活塞采用对置的方式分别设置于压缩腔与次压缩腔连通形成的第一连通腔室与第二连通腔室中，在压力连通腔室的压力变化下也进行二者相对的反向运动，由此大幅度的消除系统振动。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例一斯特林热机的结构示意图；
图2是本发明实施例二斯特林热机的结构示意图。
图中：1：主缸体；2：副缸体；3：热缓冲机构；4：活塞；5：压缩腔；6：次压缩腔；7：膨胀腔；8：第一连通腔室；9：第二连通腔室；31：换热组件；32：排出器；311：室温换热器；312：回热器；313：非室温换热器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、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，对本发明实施例中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的一部分实施例，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的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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供的斯特林热机，包括振荡源和两个活塞4，振荡源包括主缸体1、副缸体2和热缓冲机构3，主缸体1和副缸体2内均设置有热缓冲机构3，热缓冲机构3包括沿其所在的缸体轴向依次设置的换热组件31和排出器32，换热组件31的一端与其所在的缸体形成压缩腔5，排出器32的一端与换热组件31的另一端形成膨胀腔7，排出器32的另一端与其所在的缸体形成次压缩腔6，主缸体1的压缩腔5与副缸体2的次压缩腔6连通并形成第一连通腔室8，主缸体1的次压缩腔6与副缸体2的压缩腔5连通形成第二连通腔室9，两个活塞4分别位于第一连通腔室8和第二连通腔室9内且相对设置。
本发明斯特林热机的振荡源包括内部热缓冲机构直线式分布的主、副缸体，热缓冲机构的排出器在靠近换热组件的一侧形成膨胀腔，在远离换热组件的一侧与其所在的缸体形成次压缩腔，换热组件在远离排出器的一端与其所在的缸体形成压缩腔，将主缸体中压缩腔与副缸体中的次压缩腔连通，同时将主缸体中的次压缩腔与副缸体中的压缩腔连通，从而构成一个环路，一个缸体内压缩腔内的压力波动向该缸体中的换热组件、膨胀腔、排出器传播后传递到另一个缸体内压缩腔中，以此实现主、副缸体内部气路耦合，使不同主、副缸体在完全相同的频率下工作，其中，主、副缸体中的排出器对置，保持反向运动，同时两个活塞采用对置的方式分别设置于压缩腔与次压缩腔连通形成的第一连通腔室与第二连通腔室中，在压力连通腔室的压力变化下也进行二者相对的反向运动，由此大幅度的消除系统振动。
其中，换热组件31包括沿其所在的缸体轴向依次设置的室温换热器311、回热器312和非室温换热器313，非室温换热器313与排出器32的一端形成膨胀腔7。当本发明为发动机使用时，非室温换热器被加热，室温换热器被冷却，回热器内就会形成一定的温度梯度，当该梯度达到一定的值时，系统就会产生自激振荡，将热能转化为声波形式的机械能，功流沿着回热器温度升高的方向增加，然后经过排出器，排出器将一部分声功反馈给另一缸体中的回热器，剩余部分推动活塞进行往复运动，活塞在带动电机的动子切割磁力线，将机械能转换为电能输出。当本发明作为制冷机或者热泵使用时，外界输入的电能被直线电机转化为机械能推动活塞做往复运动，向系统输入声波，声功在回热器内进行热量搬运，将非室温换热器内的热量搬运到室温换热器内，在非室温换热器内获得冷量，从而将机械能转化为热能，声波在经过回热器后会剩余部分能量，该部分能量经过排出器反馈给另一台斯特林热机的回热器；当它作为热泵使用时，外界输入的电能被直线电机转化为机械能推动活塞做往复运动，向系统输入声波，声波先流经排出器再经过非常温换热器进入回热器，声波在回热器内进行热量搬运，将室温换热器内的热量搬运到非室温换热器内，在非室温换热器内获得热量，从而将机械能转化为热能，经过回热器后的声波剩余部分能量，该部分能量再反馈给另一缸体内的排出器。在这三种系统中，排出器为往复运动的机械部件，作为调相机构，使回热器获得理想的声场相位，使能量在热和功之间高效转换。
其中，当主缸体1与副缸体2均为一个时，主缸体1中的排出器32的质量与副缸体2中的排出器32的质量相等。本实施例的主、副缸体各一个，且主、副缸体中的排出器质量相等，从而使两个排出器的位移幅值和两个活塞的位移幅值完全相等，并且完全反向，即相位差为180度，从而进一步增强抵消振动的效果。
其中，两个活塞4分别位于主缸体1和副缸体2内。本实施例的两个活塞分别位于主缸体和副缸体内，且活塞靠近室温换热器的端部与室温换热器形成压缩腔，由此本实施例相当于由两台传统的直线式斯特林热机组成，其中第一台的压缩腔与第二台的排出器的远离非室温换热器的一端相连，第二台的压缩腔与第一台的排出器的远离非室温换热器的一端相连，从而构成一个环路。
实施例二
如图2所示，本实施例与实施例一的区别在于本实施例斯特林热机的主缸体1为一个，副缸体2为多个，所以主缸体1中的排出器32的质量与多个副缸体2中的排出器32的总质量相等。主缸体的排出器与所有副缸体中的排出器的总质量相等，从而使主、副缸体中的排出器的位移幅值和两个活塞的位移幅值完全相等，并且完全反向，即相位差为180度，从而进一步增强抵消振动的效果。
其中，两个活塞4均位于主缸体1内，且沿主缸体1的轴向分别设置于热缓冲机构3的两侧。本实施例的两个活塞均位于主缸体内，且一个活塞靠近室温换热器的端部与室温换热器形成压缩腔，另一个活塞靠近排出器且与排出器形成次压缩腔，由此本实施例相当于由一台较大的直线式斯特林热机和两台尺寸稍小的直线式斯特林热机组成，其中较大斯特林热机的压缩腔与两个较小斯特林热机的排出器的远离非室温换热器的一端相连，两个较小斯特林热机的压缩腔与较大斯特林热机的排出器的远离非室温换热器的一端相连，从而构成一个环路。两个活塞的质量相等，运动方向相反；两台小斯特林热机的排出器的总质量与中间热机的排出器质量相等，但运动方向相反；由于小热机分置于大热机的两边，因此不会产生任何振动力矩，振动可完全消除。
综上所述，本发明斯特林热机的振荡源包括内部热缓冲机构直线式分布的主、副缸体，热缓冲机构的排出器在靠近换热组件的一侧形成膨胀腔，在远离换热组件的一侧与其所在的缸体形成次压缩腔，换热组件在远离排出器的一端与其所在的缸体形成压缩腔，将主缸体中压缩腔与副缸体中的次压缩腔连通，同时将主缸体中的次压缩腔与副缸体中的压缩腔连通，从而构成一个环路，一个缸体内压缩腔内的压力波动向该缸体中的换热组件、膨胀腔、排出器传播后传递到另一个缸体内压缩腔中，以此实现主、副缸体内部气路耦合，使不同主、副缸体在完全相同的频率下工作，其中，主、副缸体中的排出器对置，保持反向运动，同时两个活塞采用对置的方式分别设置于压缩腔与次压缩腔连通形成的第一连通腔室与第二连通腔室中，在压力连通腔室的压力变化下也进行二者相对的反向运动，由此大幅度的消除系统振动。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (5)

1.一种斯特林热机，其特征在于：包括振荡源和两个活塞，所述振荡源包括主缸体、副缸体和热缓冲机构，所述主缸体和所述副缸体内均设置有所述热缓冲机构，所述热缓冲机构包括沿其所在的缸体轴向依次设置的换热组件和排出器，所述换热组件的一端与其所在的缸体形成压缩腔，所述排出器的一端与所述换热组件的另一端形成膨胀腔，所述排出器的另一端与其所在的缸体形成次压缩腔，所述主缸体的所述压缩腔与所述副缸体的所述次压缩腔连通并形成第一连通腔室，所述主缸体的所述次压缩腔与所述副缸体的压缩腔连通形成第二连通腔室，两个所述活塞分别位于所述第一连通腔室和所述第二连通腔室内且相对设置。
2.根据权利要求1所述的斯特林热机，其特征在于：所述换热组件包括沿其所在的缸体轴向依次设置的室温换热器、回热器和非室温换热器，所述非室温换热器与所述排出器的一端形成所述膨胀腔。
3.根据权利要求1或2所述的斯特林热机，其特征在于：当所述主缸体与所述副缸体均为一个时，所述主缸体中的所述排出器的质量与所述副缸体中的所述排出器的质量相等；当所述主缸体为一个，所述副缸体为多个时，所述主缸体中的所述排出器的质量与多个所述副缸体中的所述排出器的总质量相等。
4.根据权利要求3所述的斯特林热机，其特征在于：当所述主缸体与所述副缸体均为一个时，两个所述活塞分别位于所述主缸体和所述副缸体内。
5.根据权利要求3所述的斯特林热机，其特征在于：当所述主缸体为一个，所述副缸体为多个时，两个所述活塞均位于所述主缸体内，且沿所述主缸体的轴向分别设置于所述热缓冲机构的两侧。
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