CN112696284A - 一种γ型自由活塞斯特林发电机 - Google Patents

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许国太
王小军
张学林
张安
曲家闯
闫春杰
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Abstract

本发明公开一种γ型自由活塞斯特林发电机，由斯特林热机和直线发电机两部分组成，其中热机壳体和电机壳体分别为连接基体，加热器、回热器和冷却器套结在热机缸体的空心筒形结构外部；动力活塞位于热机缸体内，并形成间隙密封；直线发电机主要由定子和动子两部分组成，动子位于电机壳体内，动子与动力活塞结构连接，定子位于电机壳体外部；斯特林热机和直线发电机通过质量流连接；本发明可针对斯特林热机热头热能输入实现热能至电能的转换，质量流连接斯特林热机和直线发电机，使直线发电机动子随着热机配气活塞运动，同时斯特林热机和直线发电机内板弹簧支撑结构可提高配气活塞和动力活塞与缸体之间径向配合间隙值的均匀性，减小了磨损。

Description

一种γ型自由活塞斯特林发电机
技术领域
本发明属于能源转换技术领域，具体涉及一种γ型自由活塞斯特林发电机。
背景技术
斯特林发电机用于将泛热源热能转换为电能，为空间探测活动和地面特殊场合提供所需的电能，深空探测、月球登陆、火星登陆、浮空探测和星际航行等不能完全依赖太阳能，空间非太阳能热电电源是登月、火星登陆和深空探测的必然要求，目前放射性同位素温差发电技术(RTG)是应用最多，最可靠、寿命最长的深空探测电源，但其热电转换效率≤8％，目前需进一步提高空间热电电源效率、降低成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种γ型自由活塞斯特林发电机，其作为热电转换设备可获得优越的能源转换性能，同时提高发电机的可靠性和运行寿命。
实现本发明的技术方案如下：
一种γ型自由活塞斯特林发电机，包括：热机壳体、电机壳体，配气活塞组件、动力活塞、直线发电机定子、热机缸体、动力活塞缸体以及直线发电机动子；
热机壳体、电机壳体为连接基体，热机壳体其一端为空心柱形结构，热机外壳可与多种热源耦合，电机外壳为两端空心柱结构，热机壳体和电机壳体均采用高强度耐热金属材料，电机壳体一端与热机壳体连接，另一端通过端盖封闭。热机壳体和电机壳体采用低热影响的激光焊接方式封装为一体，具有结构强度高，工质泄漏率低的技术特点；加热器、回热器和冷却器套结在热机缸体的空心筒形结构外部，热机缸体为一端空心带中间柱结构，配气活塞组件与热机缸体同轴连接，配气活塞在缸体内往复直线运动，大幅降低磨损的可能性，提高可靠性和寿命；发电机采用直线往复运动式电机，发电机动子与动力活塞和动力活塞支撑板弹簧之间同轴连接，保证对运动部分的高精度支撑，直线发电机定子以及直线发电机外轭铁位于电机壳体外部；
配气活塞组件通过质量流与所述动力活塞连接，采用质量流为媒介的气动耦合方案，消除二者之间的物理连接，降低了整机的结构制造难度；
热机壳体内腔左侧与配气活塞组件左侧形成膨胀腔，配气活塞组件和动力活塞之间形成压缩腔，动力活塞右侧与电机壳体之间的空间形成室温腔；
配气活塞组件、动力活塞、直线发电机动子以及动力活塞支撑板弹簧的轴线位于同一直线上，降低工作过程整机的振动，利于提高转换效率；
工作原理：源自外热源的的热量经热机壳体头部传入膨胀腔，导致内部工质气体温度和压力和升高，当外部激励源对直线发电机输入激励后，动力活塞开始往复直线运动，对压缩腔工质气体进行压缩，由于在压缩过程导致配气活塞组件两端的压力发生变化，引起配气活塞组件作往复直线运动，当撤去外部激励后，斯特林发电机在正确的热力学和动力学参数匹配下便可维持连续工作，工作过程中动力活塞带动直线发电机动子做往复直线运动，在电磁场作用下直线发电机定子线圈内输出电能。
有益效果：
1、本发明可针对应用需求提供多种热能到电能的转换。质量流将配气活塞组件和动力活塞耦合起来，降低了零部件数量，斯特林热机和直线发电机的分体式布局降低对零件的加工精度要求，同时内部支撑板弹簧可提高径向配合间隙均匀性，减小了磨损，提高了斯特林发电机的可靠性和运行寿命，特别适用于长寿命、低振动场合的应用。
2、本发明只要热源温度达到一定值，斯特林发电机可正常运行，将热源转化为电能，实现各领域设备电源供给。热源的供给也比较广泛，可采用生物质能源、太阳热能等低品位热源，也可以采用燃油和天然气等其他常规燃料，当然也可因地制宜使用特种燃料，多途径解决热源问题，实现其他手段所不具备的独特能力，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
其中，1-热机壳体；2-加热器；3-回热器；4-冷却器；5-配气活塞组件；6-热机缸体；7-电机壳体；8-动力活塞缸体；9-动力活塞；10-直线发电机外轭铁；11-直线发电机定子；12-直线发电机动子；13-端盖；14-动力活塞支撑板弹簧；15-室温腔；16-压缩腔；17-配气活塞支撑板弹簧，18-防辐射屏；19-膨胀腔。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
参见附图1，一种γ型自由活塞斯特林发电机，它包括：热机壳体1、电机壳体7、配气活塞组件5、动力活塞9、直线发电机定子11、热机缸体6、动力活塞缸体8以及直线发电机动子12；
热机壳体1、电机壳体7为连接基体，热机壳体1其一端为空心柱形结构，电机外壳7为两端空心柱结构，电机壳体7一端与热机壳体1连接，另一端通过端盖13封闭；加热器2、回热器3和冷却器4套结在所述热机缸体6的空心筒形结构外部，热机缸体6为一端空心带中间柱结构，配气活塞组件5与热机缸体6连接；直线发电机动子12与动力活塞9和动力活塞支撑板弹簧14之间连接，直线发电机定子11以及直线发电机外轭铁10位于电机外壳7外部；
配气活塞组件5通过质量流与所述动力活塞9连接；
热机壳体1内腔左侧与配气活塞组件左侧形成膨胀腔19，所述配气活塞组件5和动力活塞9之间形成压缩腔，所述动力活塞9右侧与所述电机壳体7之间的空间形成室温腔15；
配气活塞组件5、动力活塞9、直线发电机动子12以及动力活塞支撑板弹簧14的轴线位于同一直线上；
进一步的，动力活塞9外圆与动力活塞缸体8内孔形成间隙密封，配气活塞组件5与外圆与热机缸体6内孔形成间隙密封。
更进一步的，为使所述配气活塞组件5与热机缸体6和动力活塞9与动力活塞缸体8在径向上形成间隙密封，实现配气活塞组件5与热机缸体6和动力活塞9与动力活塞缸体8的非接触，提高制冷机的可靠性，采用动力活塞支撑板弹簧14、热机支撑板弹簧来支撑前述运动部件，动力活塞支撑板弹簧14的外环通过安装在所述电机壳体7内壁通过螺钉进行压紧和定位，动力活塞支撑板弹簧14的内环以及直线发电机动子12内环套结在所述动力活塞9尾部的细长杆上，并通过螺母压紧，配气活塞组件5内环穿过热机缸体6中心柱通过螺母进行压紧和定位。
上述方案的原理是：源自外热源的的热量经热机壳体1头部传入膨胀腔19，导致内部工质气体温度和压力和升高，当外部激励源对直线发电机输入激励后，动力活塞9开始往复直线运动，对压缩腔16工质气体进行压缩，由于在压缩过程导致配气活塞组件5两端的压力发生变化，引起配气活塞组件5作往复直线运动，当撤去外部激励后，斯特林发电机在正确的热力学和动力学参数匹配条件下便可维持连续工作，工作过程中动力活塞9带动直线发电机动子12做往复直线运动，在电磁场作用下直线发电机定子11线圈内输出电能。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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 (5)

1.一种γ型自由活塞斯特林发电机，包括：热机壳体(1)、电机壳体(7)，其特征在于：还包括：配气活塞组件(5)、动力活塞(9)、直线发电机定子(11)、热机缸体(6)、动力活塞缸体(8)以及直线发电机动子(12)；
所述热机壳体(1)、电机壳体(7)为连接基体，热机壳体(1)其一端为空心柱形结构，电机外壳(7)为两端空心柱结构，电机壳体(7)一端与热机壳体(1)连接，另一端通过端盖(13)封闭；加热器(2)、回热器(3)和冷却器(4)套结在所述热机缸体(6)的空心筒形结构外部，所述热机缸体(6)为一端空心带中间柱结构，配气活塞组件(5)与热机缸体(6)连接；所述直线发电机动子(12)与动力活塞(9)和动力活塞支撑板弹簧(14)之间连接，所述直线发电机定子(11)以及直线发电机外轭铁(10)位于电机外壳(7)外部；
所述配气活塞组件(5)通过质量流与所述动力活塞(9)连接；
所述热机壳体(1)内腔左侧与配气活塞组件左侧形成膨胀腔(19)，所述配气活塞组件(5)和动力活塞(9)之间形成压缩腔，所述动力活塞(9)右侧与所述电机壳体(7)之间的空间形成室温腔(15)。
2.如权利要求1所述的一种γ型自由活塞斯特林发电机，其特征在于：所述配气活塞组件(5)、所述动力活塞(9)、所述直线发电机动子(12)以及所述动力活塞支撑板弹簧(14)的轴线位于同一直线上。
3.如权利要求1所述的一种γ型自由活塞斯特林发电机，其特征在于：所述配气活塞组件(5)与所述动力活塞(9)均为板弹簧支撑。
4.如权利要求1-3任一所述的一种γ型自由活塞斯特林发电机，其特征在于：它还包括：安装在所述电机壳体(7)内部的直线发电机；所述直线发电机由直线发电机定子(11)、直线发电机动子(12)组成；所述直线发电机动子(12)的永磁体处于所述直线发电机定子(11)内，所述动力活塞(9)的尾部设有细长杆，所述细长杆依次穿过动力活塞支撑板弹簧(14)、所述直线发电机动子(12)和另一侧动力活塞支撑板弹簧(14)连接；
所述动力活塞(9)外圆与动力活塞缸体(8)内孔形成间隙密封，所述配气活塞组件(5)外圆与热机缸体(6)内孔形成间隙密封。
5.如权利要求4所述的一种γ型自由活塞斯特林发电机，其特征在于：动力活塞支撑板弹簧(14)的外环通过安装在所述电机壳体(7)内壁通过螺钉进行压紧和定位，动力活塞支撑板弹簧(14)的内环以及直线发电机动子(12)内环套结在所述动力活塞(9)尾部的细长杆上，并通过螺母压紧，所述配气活塞组件(5)内环穿过热机缸体(6)中心柱通过螺母进行压紧和定位。
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