CN107654311B - 一种热驱动斯特林热机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热驱动斯特林热机，包括主缸体，所述主缸体内包括沿轴向依次设置的压缩机、和至少一个热缓冲机构；所述热缓冲机构包括沿主缸体轴向依次设置的一个发动机、至少一组第一热泵组件和一个排出器；所述压缩机的活塞一侧的腔室与发动机一侧的腔室连通形成压缩腔，所述第一热泵组件一侧的腔室与排出器一侧的腔室连通形成膨胀腔。本发明提供的一种热驱动斯特林热机，通过压缩机主动控制谐振子调节系统内的能量平衡，该系统不存在参数敏感性问题，系统较稳定，结构简单，可以实际生产应用。

Description

一种热驱动斯特林热机
技术领域
本发明涉及斯特林热机技术领域，尤其涉及一种热驱动斯特林热机。
背景技术
斯特林发动机是一种将热能转化为机械能的装置，具有效率高、可靠、结构紧凑的特点；斯特林热泵(制冷机)则是利用机械能进行热量搬运的装置，也具有相同的特点。将斯特林发动机和斯特林热泵组合就构成了一种热驱动的斯特林热机。
发动机和热泵要想获得理想的热功转换，在回热器的中间位置压力和体积流必须相位差为0，也即说在中温换热器一端体积流相位必须领先于压力相位，而在高温或者低温换热器一端则是压力相位必须领先于体积流相位。因此，发动机和热泵不能直接相连，否则无法获得理想的相位关系。
但经研究发现：在发动机的高温端，压力领先体积流的理想相位角通常在0-10°以内，而在热泵内，若低温端的温度高于180K左右时，理想的相位关系是在回热器内压力均领先于体积流，尤其是若中短端和低温端温差比较小时(如在几十度的范围内)，在热泵的中温端压力则可能领先体积流相位达到50°(传统的理解认为是体积流领先压力)。因此只要发动机和热泵两端的工作温度合适就可以将发动机和热泵直接连接起来，并且在二者的回热器内均获得理想的相位。
传统的热驱动斯特林热机如图6所示。左侧为斯特林发动机，右侧为斯特林热泵，中间为耦合发动机和热泵的活塞。该系统作为热泵使用时，中温换热器的温度就为泵热温度，如果作为制冷机使用时，中温换热器的温度就为室温。发动机的高温换热器被加热后，回热器内就会形成一定的温度梯度，系统就会产生自激振荡，将热能转化为声波形式的机械能；声波经过活塞传入热泵内，将低温换热器内的热量搬运到中温换热器内，完成泵热过程。经过研究发现：传统的热驱动斯特林热机对参数变化非常敏感，比如活塞阻尼、加热温 度、充气压力等的微小变化都会对系统工况产生较大影响，使谐振子容易超出其允许使用 行程而破坏，该系统至今未得到实验验证和应用。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在热驱动斯特林热机中谐振子行程不易控制、系统工 作不稳定的问题，提供一种热驱动斯特林热机。
本发明提供的一种热驱动斯特林热机，包括主缸体，所述主缸体内包括沿轴向依次设置的压缩机、和至少一个热缓冲机构；所述热缓冲机构包括沿主缸体轴向依次设置的一个发动机、至少一组第一热泵组件和一个排出器；所述压缩机的活塞一侧的腔室与发动机一侧的腔室连通形成压缩腔，所述第一热泵组件一侧的腔室与排出器一侧的腔室连通形成膨胀腔。
优选地，所述第一热泵组件包括沿主缸体轴向依次设置的热缓冲管和热泵。
优选地，所述发动机包括沿主缸体轴向依次设置的第一中温换热器、第一回热器和高温换热器；所述热泵包括沿轴向依次设置的第二中温换热器、第二回热器和低温换热器。
优选地，还包括发电机，所述发电机包括动子和定子，所述动子与位于主缸体端部的所述排出器外侧相连并随排出器作往复运动。
优选地，位于主缸体端部的所述排出器与所述发电机之间还设有多组第二热泵组件，所述第二热泵组件包括沿主缸体轴向依次设置的热泵和热泵排出器；所述发电机的动子与所述热泵排出器的外侧相连并随热泵排出器作往复运动。
优选地，还包括惯性管气库，位于主缸体端部的所述排出器的外侧设置有多个第一热泵组件，所述排出器一侧的腔室与热泵一侧的腔室连通形成压缩腔，所述热泵的另一侧通过热缓冲管与惯性管气库的惯性管相连。
本发明提供的一种热驱动斯特林热机，通过压缩机主动控制调节系统内的能量平 衡，该系统不存在参数敏感性问题，系统较稳定，结构简单，可以实际生产应用。
附图说明
图1为本发明实施例的一种热驱动斯特林热机结构图；
图2为本发明实施例的另一种热驱动斯特林热机结构图；
图3为本发明实施例的另一种热驱动斯特林热机结构图；
图4为本发明实施例的另一种热驱动斯特林热机结构图；
图5为本发明实施例的另一种热驱动斯特林热机结构图；
图6为传统的热驱动斯特林热机结构图。
附图标记说明：
1-压缩机； 2-热缓冲机构； 3-发电机；
4-惯性管气库； 11-活塞； 21-发动机；
22-第一热泵组件； 23-排出器； 24-第二热泵组件；
31-动子； 32-定子； 221-热缓冲管；
222-热泵； 222a-热泵排出器； 100-主缸体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例的一种热驱动斯特林热机，参考图1-3，包括主缸体100，所述主缸体100内包括沿轴向依次设置的压缩机1、和至少一个热缓冲机构2；所述热缓冲机构2包括沿主缸体100轴向依次设置的一个发动机21、至少一组第一热泵组件22和一个排出器23；所述压缩机1的活塞11一侧的腔室与发动机21一侧的腔室连通形成压缩腔，所述第一热泵组件22一侧的腔室与排出器23一侧的腔室连通形成膨胀腔。
具体地，所述第一热泵组件22包括沿主缸体100轴向依次设置的热缓冲管221和热泵222。所述发动机21包括沿主缸体100轴向依次设置的第一中温换热器、第一回热器和高温换热器；所述热泵222包括沿轴向依次设置的第二中温换热器、第二回热器和低温换热器。还包括发电机3，所述发电机3包括动子31和定子32，所述动子31与位于主缸体100端部的所述排出器23外侧相连并随排出器23作往复运动。
如图1所示，本实施例的热驱动斯特林热机是由沿主缸体100轴向依次设置的一个压缩机1和一个热缓冲机构2构成，该热缓冲机构2沿轴方向依次由一个发动机21、一个热缓冲管221、一个热泵222和一个排出器23构成，排出器23的外侧与发电机3的动子相连。
如图2所示，本实施例的热驱动斯特林热机是由沿主缸体100轴向依次设置的一个压缩机1和两个热缓冲机构2构成，该热缓冲机构2沿轴方向依次由一个发动机21、一个热缓冲管221、一个热泵222和一个排出器23构成，位于主缸体100端部的排出器23的外侧与发电机3的动子相连。压缩机1和发电机3之间可依次串联多个热缓冲机构2。
如图3所示，本实施例的热驱动斯特林热机是由沿主缸体100轴向依次设置的一个压缩机1和一个热缓冲机构2构成，该热缓冲机构2沿轴方向依次由一个发动机21、两个第一热泵组件22(其中，第一热泵组件22沿轴方向依次由热缓冲管(221)和热泵(222)构成)和一个排出器23构成，排出器23的外侧与发电机3的动子相连。发动机21与排出器23之间可以依次串联多组第一热泵组件22。
发动机和热泵要想获得理想的热功转换，在回热器的中间位置压力和体积流必须相位差为0，也即说在中温换热器一端体积流相位必须领先于压力相位，而在高温或者低温换热器一端则是压力相位必须领先于体积流相位，因此，发动机和热泵不能直接相连，否则无法获得理想的相位关系。但经研究发现：在发动机的高温端，压力领先体积流的理想相位角通常在0-10°以内，而在热泵内，若低温端的温度高于180K左右时，理想的相位关系是在回热器内压力均领先于体积流，尤其是若中温端和低温端温差比较小时(如在几十度的范围内)，在热泵的中温端压力则可能领先体积流相位达到50°(传统的理解认为是体积流领先压力)，因此只要发动机和热泵两端的工作温度合适就可以将发动机和热泵直接连接起来，并且在二者的回热器内均获得理想的相位。
工作原理如下：压缩机2驱使活塞作往复运动产生声波，声波进入发动机21内，发动机21将热能转化为机械能，增加声波的能量，声波随后经热缓冲管221进入到热泵222内进行热量搬运，并消耗掉一部分能量，剩余部分能量推动发电机3动子31运动，将机械能转化为电能输出，构成一种热驱动的热电联供系统，输出的电能亦可以供给压缩机使用。发电机3的动子31带动排出器23往返移动，可以起到调节热泵内声场相位和热缓冲的作用。由于系统的启动、停止、振幅大小完全由压缩机1主动控制，因此系统易于控制，该系统中不再存在参数敏感性的问题，系统较稳定，结构简单，可以实际生产应用。
当热泵222两端的温差较小时，声波在通过热泵222时消耗的能量也比较少，可以让声波再通过另一级热泵222进行泵热，可在位于主缸体100端部的所述排出器23与所述发电机3之间还设有多组第二热泵组件24，所述第二热泵组件24包括沿主缸体100轴向依次设置的热泵222和热泵排出器222a，所述排出器23一侧的腔室与热泵222一侧的腔室连通形成压缩腔，所述热泵222一侧的腔室与热泵排出器222a一侧的腔室连通形成膨胀腔，所述发电机3的动子31与热泵排出器222a的外侧相连并随热泵排出器222a作往复运动。
如图4所示，本实施例的热驱动斯特林热机是由沿主缸体100轴向依次设置的一个压缩机1和一个热缓冲机构2构成，该热缓冲机构2沿轴方向依次由一个发动机21、一个热缓冲管221、一个热泵222和一个排出器23构成，排出器23的外侧沿轴方向依次设有一个热泵222和一个热泵排出器222a，所述排出器23一侧的腔室与热泵222一侧的腔室连通形成压缩腔，所述热泵222一侧的腔室与热泵排出器222a一侧的腔室连通形成膨胀腔，热泵排出器222a外侧与发电机3的动子相连。排出器23与发电机3之间可依次串联多组第二热泵组件24。
声波在经过多个热泵123后，能剩余的能量非常少，此部分的能量回收价值不高，可采用惯性管气库4结构替代发电机，如图5所示，本实施例的热驱动斯特林热机是由沿主缸体100轴向依次设置的一个压缩机1和一个热缓冲机构2构成，该热缓冲机构2沿轴方向依次由一个发动机21、一个热缓冲管221、一个热泵222和一个排出器23构成，排出器23的外侧沿轴方向依次设有一个热泵222和一个热缓冲管221，所述排出器23一侧的腔室与热泵222一侧的腔室连通形成压缩腔，所述热泵222与热缓冲管221连通，热缓冲管221外侧与惯性管气库4的惯性管相连，惯性管气库4由惯性管与气库相连构成。排出器23与惯性管气库4之间可以串联多个第一热泵组件22。惯性管气库4耗散掉声波剩余的声功，同时调节热泵222内的声场相位。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种热驱动斯特林热机，其特征在于：包括主缸体(100)，所述主缸体(100)内包括沿 轴向依次设置的压缩机(1)、和至少一个热缓冲机构(2)；所述热缓冲机构(2)包括沿主缸体 (100)轴向依次设置的一个发动机(21)、至少一组第一热泵组件(22)和一个排出器(23)；所述压缩机(1)的活塞(11)一侧的腔室与发动机(21)一侧的腔室连通形成压缩腔，所述第一热泵组件(22)一侧的腔室与排出器(23)一侧的腔室连通形成膨胀腔；
所述第一热泵组件(22)包括沿主缸体(100)轴向依次设置的热缓冲管(221)和热泵(222)；
所述发动机(21)包括沿主缸体(100)轴向依次设置的第一中温换热器、第一回热器和高温换热器；所述热泵(222)包括沿轴向依次设置的第二中温换热器、第二回热器和低温换热器。
2.如权利要求1所述的热驱动斯特林热机，其特征在于：还包括发电机(3)，所述发电机(3)包括动子(31)和定子(32)，所述动子(31)与位于主缸体(100)端部的所述排出器(23)外侧相连并随排出器(23)作往复运动。
3.如权利要求2所述的热驱动斯特林热机，其特征在于：位于主缸体(100)端部的所述排出器(23)与所述发电机(3)之间还设有多组第二热泵组件(24)，所述第二热泵组件(24)包括沿主缸体(100)轴向依次设置的热泵(222)和热泵排出器(222a)；所述发电机(3)的动子(31)与所述热泵排出器(222a)的外侧相连并随热泵排出器(222a)作往复运动。
4.如权利要求1所述的热驱动斯特林热机，其特征在于：还包括惯性管气库(4)，位于主缸体(100)端部的所述排出器(23)的外侧设置有多个第一热泵组件(22)，所述排出器(23)一侧的腔室与热泵(222)一侧的腔室连通形成压缩腔，所述热泵(222)的另一侧通过热缓冲管(221)与惯性管气库(4)的惯性管相连。
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