CN111608819B - 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，包括热机本体与谐振组件，热机本体包括壳体以及位于壳体内部的运动组件和支撑弹性件，支撑弹性件一端与运动组件连接，另一端与壳体连接，谐振组件位于运动组件的内部和/或外部，谐振组件包括谐振弹性件和质量块，且谐振组件与运动组件的外壳之间具有间隙，质量块通过谐振弹性件与运动组件连接，谐振弹性件与运动组件同轴设置。本发明通过调节谐振弹性件的刚度以及质量块的重量，便可调节谐振组件与运动组件运动的相位关系，从而可以有效的减小支撑弹性件的轴向刚度，解决了传统大功率斯特林系统中的支撑弹性件难以满足大变形、大轴向刚度的要求，同时也降低支撑弹性件的加工难度。
Description
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
传统的自由活塞式斯特林热机由排出器活塞（又称dome筒）、防辐射屏、动力活塞、板弹簧、排出器杆（又称rod 杆）、气缸和基座组成，动力活塞与排出器杆之间、动力活塞与气缸之间均采用间隙密封。排出器采用板弹簧支撑，板弹簧组由数片板弹簧次第叠放组成，与动力活塞之间采用螺栓连接固定，板弹簧具有一定的支撑作用，保证间隙密封不被破坏，另外也为排出器往复运动提供回复力，因此板弹簧的关键性能指标有轴向刚度、径向刚度和疲劳强度，轴向刚度为排出器往复运动提供回复力，设计时要选取合适的轴向刚度从而保证活塞位移适中；板弹簧需要较大的径向刚度，以保证在承受诸如运动部件重力、结构不对称等径向力时板弹簧产生的径向位移小于密封间隙，使活塞或排出器在运动中不偏离平衡位置，从而保证间隙密封不被破坏，避免活塞与气缸间产生摩擦（一般而言，板弹簧的径向刚度会比轴向刚度高出约两个数量级，这种特性与板弹簧的几何结构密切相关，包括厚度、线型样式、内外螺纹孔位置和大小，以及弹簧外径）；疲劳强度对斯特林热机的寿命和稳定性有着极大的影响，设计时应保证板弹簧的应力分布均匀，无应力集中部位，而且最大应力应远小于超过材料疲劳强度。
自由活塞式斯特林热机按结构主要分为整体式和分置式两种，其中整体式又分为Sunpower结构（排出器杆穿过动力活塞）和Infinia结构（排出器杆不穿过动力活塞）两种结构形式，如图1和图2所示，两种结构均包括壳体15，壳体15内部设置排出器4和动力活塞8，壳体15两端分别与排出器4和动力活塞8形成膨胀腔1和背腔10，板弹簧9设置在背腔10内，壳体15中部排出器4与动力活塞8之间形成压缩腔6，排出器4外部自膨胀腔1至压缩腔6的方向依次套设热端换热器2、回热器3和室温换热器5，动力活塞8的外部套设永磁体7。如图1所示，Sunpower结构的斯特林热机的排出器4具有排出器杆20，排出器杆20穿过动力活塞8与板弹簧9连接，这种结构的优点在于板弹簧径向尺寸大，应力小，缺点在于柔性排出器杆细长，较容易因长时间承受交变载荷或者由于装配问题等导致的径向力而失效，因此排出器通常采用径向气体轴承辅助支撑。如图2所示，Infinia结构的斯特林热机的动力活塞8与排出器4完全独立，压缩腔6中设置排出器底座12，排出器4内设置支撑板弹簧11并与排出器底座12连接，动力活塞8直接与背腔10内的板弹簧9连接，这种结构极大减小了排出器杆的长径比从而消除了排出器杆易变形失稳的缺点，但是板弹簧尺寸受排出器尺寸的制约，增加了设计、材料和加工工艺的难度。
在斯特林热机系统中，排出器的主要是为了调节回热器内的声场相位，为了调节先给排出器的质量和支撑排出器的板弹簧的轴向刚度必须满足一定的匹配关系。一般地，排出器的质量越大，弹簧的轴向刚度就要求越大，随着斯特林机功率的增大，排出器的质量和位移将增大，而现有的支撑排出器的板弹簧无法同时满足大变形、大刚度的要求，所以大功率斯特林发动机的发展受到了很大的制约。
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现有的斯特林热机的板弹簧难以满足斯特林热机的大变形、大轴向刚度的要求，同时加工难度大的问题。
（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，包括热机本体与谐振组件，所述热机本体包括壳体以及位于所述壳体内部的运动组件和支撑弹性件，所述支撑弹性件一端与所述运动组件连接，另一端与所述壳体连接，所述谐振组件位于所述运动组件的内部和/或外部，所述谐振组件包括谐振弹性件和质量块，且所述谐振组件与所述运动组件的外壳之间具有间隙，所述质量块通过所述谐振弹性件与所述运动组件连接，所述谐振弹性件与所述运动组件同轴设置。
其中，所述运动组件包括排出器和动力活塞，所述排出器、所述动力活塞与所述支撑弹性件依次设置于所述壳体内，所述谐振组件设置于所述排出器的内部和/或外部。
其中，所述排出器包括排出器活塞和排出器杆，所述排出器杆一端与所述排出器活塞连接，另一端穿过所述动力活塞。
其中，当所述谐振组件位于所述排出器的内部时，所述谐振组件设置于所述排出器活塞的内部和/或所述排出器杆的内部。
其中，当所述谐振组件位于所述排出器的外部时，所述排出器杆穿过所述动力活塞的一端的外壳设有外沿板，所述谐振弹性件一端与所述外沿板连接，另一端与所述质量块连接，所述质量块为环状质量块，且所述环状质量块的内圆周面与所述排出器杆的外壳之间具有间隙。
其中，所述支撑弹性件一端与所述动力活塞的端部连接，另一端与所述壳体连接。
其中，所述支撑弹性件一端与所述排出器杆穿过所述动力活塞的一端的端面连接，另一端与所述壳体连接。
其中，所述排出器杆穿过所述动力活塞的一端具有沿轴向设置的凹槽，所述支撑弹性件一端伸入所述凹槽中且与所述凹槽底面连接，另一端与所述壳体连接。
其中，当所述谐振组件设置于所述排出器的内部时，所述排出器的内部设有内腔，所述谐振组件设置于所述内腔内，且所述质量块与所述内腔的壁面之间具有间隙。
其中，所述谐振弹性件为柱弹簧，所述支撑弹性件为柱弹簧或板弹簧。
（三）有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明斯特林热机在运动组件的内部和/或外部设置谐振组件，谐振弹性件与质量块连接并设置在运动组件的外壳内和/或外壳上，谐振组件与运动组件同轴设置且不与运动组件外壳的内壁面和外壁面直接接触，当运动组件受到外界作用力时，支撑弹性件由于与运动组件直接接触而产生弹性形变，为运动组件的往复运动提供一部分的回复力，谐振弹性件和质量块在其惯性力和弹力的作用下，与运动组件的运动不同步，从而为运动组件的往复运动提供另一部分回复力。
本发明通过调节谐振弹性件的刚度以及质量块的重量，便可调节谐振组件与运动组件运动的相位关系，从而可以有效的减小支撑弹性件的轴向刚度，克服局部的应力集中，降低支撑弹性件的加工难度并提升其使用寿命，以满足大功率斯特林机排出器的需求。进而解决了传统大功率斯特林系统中的支撑弹性件难以满足大变形、大轴向刚度的要求，同时也降低支撑弹性件的加工难度，并显著提升支撑弹性件和斯特林热机的使用寿命和可靠性，促进了大功率斯特林发动机技术的发展。
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是现有技术的Sunpower结构的斯特林热机的结构示意图；
图2是现有技术的Infinia结构的斯特林热机的结构示意图；
图3是本发明实施例一斯特林热机的结构示意图；
图4是本发明实施例二斯特林热机的结构示意图；
图5是本发明实施例三斯特林热机的结构示意图；
图6是本发明实施例四斯特林热机的结构示意图；
图7是本发明实施例五斯特林热机的结构示意图；
图8是本发明实施例六斯特林热机的结构示意图。
图中：1：膨胀腔；2：热端换热器：3：回热器；4：排出器；5：室温换热器；6：压缩腔；7：永磁体；8：动力活塞；9：板弹簧；10：背腔；11：支撑板弹簧；12：排出器底座；13：热机本体；14：谐振组件；15：壳体；16：运动组件；17：支撑弹性件；18：谐振弹性件；19：质量块；20：排出器杆；21：凹槽。
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3所示，本发明实施例一提供的斯特林热机，包括热机本体13与谐振组件14，热机本体13包括壳体15以及位于壳体15内部的运动组件16和支撑弹性件17，支撑弹性件17一端与运动组件16连接，支撑弹性件17另一端与壳体15连接，谐振组件14位于运动组件16的内部，且谐振组件14与运动组件16的外壳之间具有间隙，谐振组件14包括谐振弹性件18和质量块19，质量块19通过谐振弹性件18与运动组件16连接，谐振弹性件18与运动组件16同轴设置。
本实施例的斯特林热机在运动组件的内部设置谐振组件，谐振弹性件与质量块连接并设置在运动组件内，谐振组件与运动组件同轴设置且不与运动组件外壳的内壁面直接接触，当运动组件受到外界作用力时，支撑弹性件由于与运动组件直接接触而产生弹性形变，为运动组件的往复运动提供一部分的回复力，谐振弹性件和质量块在其惯性力和弹力的作用下，与运动组件的运动不同步，从而为运动组件的往复运动提供另一部分回复力。
本发明通过调节谐振弹性件的刚度以及质量块的重量，便可调节谐振组件与运动组件运动的相位关系，从而可以有效的减小支撑弹性件的轴向刚度，克服局部的应力集中，降低支撑弹性件的加工难度并提升其使用寿命，以满足大功率斯特林机排出器的需求。进而解决了传统大功率斯特林系统中的支撑弹性件难以满足大变形、大轴向刚度的要求，同时也降低支撑弹性件的加工难度，并显著提升支撑弹性件和斯特林热机的使用寿命和可靠性，促进了大功率斯特林发动机技术的发展。
其中，运动组件16包括排出器4和动力活塞8，排出器4、动力活塞8与支撑弹性件17依次设置于壳体15内。排出器4包括排出器活塞和排出器杆20，排出器杆20一端与排出器活塞连接，排出器杆20另一端穿过动力活塞8。谐振组件14仅设置于排出器杆20的内部。支撑弹性件17一端与排出器杆20穿过动力活塞8的一端的端面连接，支撑弹性件17另一端与壳体15连接。本实施例中热机本体为Sunpower结构的斯特林热机，排出器靠近动力活塞的一端设置排出器杆，且排出器杆穿过动力活塞与支撑弹性件连接，在排出器杆内设置谐振组件，内置谐振弹性件和质量块与排出器杆的外壳内壁面不直接接触，使得内置的质量块与谐振弹性件的调节程度增大，进一步提升斯特林热机的稳定性和使用寿命。支撑弹性件设置在壳体的背腔中，在与壳体连接后支撑动力活塞，谐振弹性件一端与所述排出器的外壳内壁连接，另一端与质量块连接，谐振弹性件和质量块与排出器的外壳内壁之间均不接触，通过调节谐振弹性件的刚度和质量块大小，使质量块与排出器反向运动，从而减少支撑弹性件的刚度及加工难度，并提升斯特林热机的使用寿命，在排出器杆内设置谐振组件，增强了排出器杆的质量和强度，消除了Sunpower结构斯特林热机由于排出器杆细长导致的排出器杆易变形失稳的缺点，有利于降低加工和组装的难度。
其中，排出器杆20的内部设有内腔，谐振组件14设置于内腔内，且质量块19与内腔的壁面之间具有间隙。质量块与排出器杆的内腔的壁面之间间隙为十个微米量级的话，此时质量块端面与壁面之间的压缩气体也可以提供一部分弹力。
其中，谐振弹性件18为柱弹簧，支撑弹性件17为柱弹簧或板弹簧。谐振弹性件和支撑弹性件均可以为柱弹簧以获得更大的刚度，支撑弹性件还可保留为传统斯特林热机中选择的板弹簧。
实施例二
如图4所示，本发明实施例二提供的斯特林热机与上述实施例一的基本相同，不同之处在于，谐振组件14仅设置于排出器4的排出器活塞内部。本实施例中热机本体为Sunpower结构的斯特林热机，排出器靠近动力活塞的一端设置排出器杆，且排出器杆穿过动力活塞与支撑弹性件连接，在排出器活塞内设置谐振组件，可避免由于排出器杆细长难以内置谐振弹性件和质量块所带来的限制，使得内置的质量块与谐振弹性件的调节程度增大，有利于降低加工和组装的难度，进一步提升斯特林热机的稳定性和使用寿命。支撑弹性件设置在壳体的背腔中，在与壳体连接后支撑动力活塞，谐振弹性件一端与所述排出器的外壳内壁连接，另一端与质量块连接，谐振弹性件和质量块与排出器的外壳内壁之间均不接触，通过调节谐振弹性件的刚度和质量块大小，使质量块与排出器反向运动，从而减少支撑弹性件的刚度及加工难度，并提升斯特林热机的使用寿命，消除了Sunpower结构斯特林热机由于排出器杆细长导致的排出器杆易变形失稳的缺点。
其中，排出器活塞的内部设有内腔，谐振组件14设置于内腔内，且质量块19与内腔的壁面之间具有间隙。质量块与排出器活塞的内腔的壁面之间间隙为十个微米量级的话，此时质量块端面与壁面之间的压缩气体也可以提供一部分弹力。
实施例三
如图5所示，本发明实施例三提供的斯特林热机与上述实施例二基本相同，不同之处在于，谐振组件14设置于排出器活塞的内部和排出器杆20的内部。本实施例中排出器活塞内与排出器杆内均设置谐振弹性件和质量块，可进一步减小支撑弹性件的轴向刚度并降低应力；同时，由于排出器活塞和排出器杆中均布置有质量块，可使得整个排出器的质量分布更加均匀，有利于进一步克服排出器杆的变形失效。
其中，排出器活塞和排出器杆20的内部均设有内腔，谐振组件14均设置于内腔内，且质量块19与其所在的内腔的壁面之间均具有间隙。质量块与排出器活塞和排出器杆的内腔的壁面之间间隙为十个微米量级的话，此时质量块端面与壁面之间的压缩气体也可以提供一部分弹力。
实施例四
如图6所示，本发明实施例四提供的斯特林热机与上述实施例一基本相同，不同之处在于，本实施例的谐振组件14仅位于运动组件16外部，排出器杆20穿过动力活塞8的一端的外壳设有外沿板，谐振弹性件18一端与外沿板连接，谐振弹性件18另一端与质量块19连接，质量块19为环状质量块，且环状质量块的内圆周面与排出器杆20的外壳之间具有间隙。在排出器杆穿出动力活塞的端部外置由谐振弹性件和环形质量块组成的谐振组件，质量块通过谐振弹性件连接到排出器杆的杆端向外延伸处的外沿板上，并且谐振弹性件和环形质量块与排出器杆的外壳外壁面均不直接接触。当排出器受到外界作用力作往复运动时，支撑弹性件为排出器的往复运动提供回复力，由于外置谐振弹性件和质量块与排出器杆外壁面不直接接触，在惯性的作用下，质量块与谐振弹性件组成的谐振组件的运动与排出器杆的运动不同步，从而产生驱动排出器运动的另一部分回复力。外置的谐振组件可以使得支撑弹性件轴向刚度大大减小。通过调节谐振弹性件的刚度以及质量块的重量，在惯性力与谐振弹性件弹力的双重作用下，为排出器的往复运动提供一部分所需的回复力，从而可以有效的减轻支撑弹性件的形变量，减小排出器杆的长径比以及支撑弹性件的轴向刚度，克服局部的应力集中，降低支撑弹性件的加工难度并提升其使用寿命，满足大功率斯特林机的需求。
其中，排出器杆20穿过动力活塞8的一端具有沿轴向设置的凹槽21，支撑弹性件17一端伸入凹槽21中且与凹槽21底面连接，支撑弹性件17另一端与壳体15连接。因外置的谐振组件占用壳体内后端为减少支撑弹性件在壳体内的空间占用量，本实施例的排出器杆在端部设置凹槽，支撑弹性件可伸入凹槽中，保证对排出器的支撑力。
实施例五
如图7所示，本发明实施例五提供的斯特林热机与上述实施例四基本相同，不同之处在于，谐振组件14还设置于排出器活塞的内部。本实施例的斯特林热机既具有内置的谐振组件还具有外置的谐振组件，内置的谐振组件位于排出器内，外置的谐振组件位于排出器杆上，通过调节谐振弹性件的刚度和质量块大小，使质量块与排出器反向运动，从而减少支撑弹性件的刚度及加工难度，并提升斯特林热机的使用寿命，内置与外置同时设置在进一步减小支撑弹性件的轴向刚度并降低应力的同时，由于排出器内和排出器杆外均布置有质量块，可使得整个排出器的质量分布更加均匀，有利于进一步克服排出器杆的变形失效，消除了Sunpower结构斯特林热机由于排出器杆细长导致的排出器杆易变形失稳的缺点。
实施例六
如图8所示，本发明实施例六提供的斯特林热机与上述实施例二基本相同，不同之处在于，排出器4的排出器杆20不穿过动力活塞8，支撑弹性件17一端与动力活塞8连接，支撑弹性件17另一端与壳体15连接。本实施例中热机本体为Infinia结构的斯特林热机，支撑弹性件设置在壳体的背腔中，在与壳体连接后支撑动力活塞，谐振弹性件一端与排出器活塞的凹槽内壁连接，另一端与质量块连接，谐振弹性件和质量块与排出器凹槽内壁之间均不接触，通过调节谐振弹性件的刚度和质量块大小，使质量块与排出器反向运动，从而减少支撑弹性件的刚度及加工难度，并提升斯特林热机的使用寿命，消除了Sunpower结构斯特林热机由于排出器杆细长导致的排出器杆易变形失稳的缺点。
综上所述，本发明斯特林热机在运动组件的内部和/或外部设置谐振组件，谐振弹性件与质量块连接并设置在运动组件的外壳内和/或外壳上，谐振组件与运动组件同轴设置且不与运动组件外壳的内壁面和外壁面直接接触，当运动组件受到外界作用力时，支撑弹性件由于与运动组件直接接触而产生弹性形变，为运动组件的往复运动提供一部分的回复力，谐振弹性件和质量块在其惯性力和弹力的作用下，与运动组件的运动不同步，从而为运动组件的往复运动提供另一部分回复力。
本发明通过调节谐振弹性件的刚度以及质量块的重量，便可调节谐振组件与运动组件运动的相位关系，从而可以有效的减小支撑弹性件的轴向刚度，克服局部的应力集中，降低支撑弹性件的加工难度并提升其使用寿命，以满足大功率斯特林机排出器的需求。进而解决了传统大功率斯特林系统中的支撑弹性件难以满足大变形、大轴向刚度的要求，同时也降低支撑弹性件的加工难度，并显著提升支撑弹性件和斯特林热机的使用寿命和可靠性，促进了大功率斯特林发动机技术的发展。
Claims (5)
1.一种斯特林热机，其特征在于：包括热机本体与谐振组件，所述热机本体包括壳体以及位于所述壳体内部的运动组件和支撑弹性件，所述支撑弹性件一端与所述运动组件连接，另一端与所述壳体连接，所述谐振组件位于所述运动组件的外部，或所述谐振组件位于所述运动组件的内部和外部，所述谐振组件包括谐振弹性件和质量块，且所述谐振组件与所述运动组件的外壳之间具有间隙，所述质量块通过所述谐振弹性件与所述运动组件连接，所述谐振弹性件与所述运动组件同轴设置；所述运动组件包括排出器和动力活塞，所述排出器、所述动力活塞与所述支撑弹性件依次设置于所述壳体内，所述排出器包括排出器活塞和排出器杆，所述排出器杆一端与所述排出器活塞连接，另一端穿过所述动力活塞；所述排出器杆穿过所述动力活塞的一端的外壳设有外沿板，位于所述排出器的外部的所述谐振弹性件一端与所述外沿板连接，另一端与位于所述排出器的外部的所述质量块连接，位于所述排出器的外部的所述质量块为环状质量块，且所述环状质量块的内圆周面与所述排出器杆的外壳之间具有间隙，所述环状质量块与所述壳体不接触。
2.根据权利要求1所述的斯特林热机，其特征在于：位于所述排出器的内部的所述谐振组件设置于所述排出器活塞的内部和/或所述排出器杆的内部。
3.根据权利要求1或2所述的斯特林热机，其特征在于：所述排出器杆穿过所述动力活塞的一端具有沿轴向设置的凹槽，所述支撑弹性件一端伸入所述凹槽中且与所述凹槽底面连接，另一端与所述壳体连接。
4.根据权利要求1所述的斯特林热机，其特征在于：所述排出器的内部设有内腔，位于所述排出器的内部的所述谐振组件设置于所述内腔内，且位于所述排出器的内部的所述质量块与所述内腔的壁面之间具有间隙。
5.根据权利要求1所述的斯特林热机，其特征在于：所述谐振弹性件为柱弹簧，所述支撑弹性件为柱弹簧或板弹簧。
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