CN114458472B - 自由活塞斯特林发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自由活塞斯特林发电机，包括：耐压壳体；依次设置于耐压壳体内壁顶端的高温换热器、回热器和室温换热器；调相器，设置于高温换热器、回热器和室温换热器内侧；直线电机，设置于耐压壳体内部底端；动力活塞，与直线电机连接；调相器与耐压壳体的上壁面之间形成膨胀腔；调相器与动力活塞之间形成压缩腔；动力活塞与耐压壳体的下壁面之间形成背腔；气体弹簧结构，设置于背腔内，且气体弹簧结构内部设置有可变容积的气体弹簧腔。本发明的自由活塞斯特林发电机，伴随着调相器的运动，气体弹簧腔的容积也相应呈现周期性的压缩和膨胀，气体弹簧刚度不受弹簧材料性能的限制，可以适用于更广泛的功率范围，包括百千瓦级及以上的应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种自由活塞斯特林发电机。
背景技术
斯特林热声热机通常是指基于斯特林循环的需要固体活塞调相或输出/输入功的一种外燃式闭式回热循环热机，其主要包括斯特林发动机和斯特林制冷机以及与不同声学负载组成的斯特林系统。自由活塞斯特林热机是斯特林型热声热机的一种特殊结构形式，其调相活塞(排出器)采用气浮或板弹簧进行支撑，取消了传统的曲柄连杆传动结构，依靠气体作用力进行传导从而消除了侧向力；同时，该结构采用间隙密封技术替代传统的密封结构，消除了接触式的机械磨损以及油润滑的问题，大幅提升了系统的可靠性与寿命，具有结构紧凑、内禀热效率和比功率高等优点，在太阳能热发电、热(冷)电联产、低温制冷以及空间与海洋等领域有着广泛的应用前景。
现有的自由活塞斯特林发电机受限于材料强度，其允许的位移和所能提供的弹簧刚度有限，导致采用板弹簧支撑的机型发电功率受限，只能适用于十千瓦级以下的小功率的应用场合；而现有采用的全气体弹簧加气浮支撑的结构虽能适用不同功率水平下的应用需求，但受限于结构复杂、加工和装配工艺难度大以及经济性和性能稳定性等因素，也制约了大功率自由活塞斯特林发电机的应用。
发明内容
本发明提供一种自由活塞斯特林发电机，用以解决现有技术中发电机功率受限的缺陷，实现发电机功率范围可扩展。
本发明提供一种自由活塞斯特林发电机，包括：
耐压壳体；
依次设置于所述耐压壳体内壁顶端的高温换热器、回热器和室温换热器；
调相器，设置于所述高温换热器、回热器和室温换热器内侧；
直线电机，设置于所述耐压壳体内部底端；
动力活塞，与所述直线电机连接；
所述调相器与所述耐压壳体的上壁面之间形成膨胀腔；
所述调相器与所述动力活塞之间形成压缩腔；
所述动力活塞与所述耐压壳体的下壁面之间形成背腔；
气体弹簧结构，设置于所述背腔内，且所述气体弹簧结构内部设置有可变容积的气体弹簧腔。
根据本发明提供的一种自由活塞斯特林发电机，所述调相器包括：
调相器外壳，设置于所述高温换热器、回热器和室温换热器内侧，所述调相器外壳与所述壳体的上壁面之间形成膨胀腔；
防辐射屏，设置于所述调相器外壳的内部；
调相器活塞，设置于所述调相器外壳底端；
调相器连杆，设置于所述调相器活塞的底部，所述调相器连杆与所述动力活塞顶部和所述调相器活塞之间形成压缩腔，且贯穿所述动力活塞的底部；
调相器背侧活塞，设置于所述调相器连杆的底部，且位于所述背腔内。
根据本发明提供的一种自由活塞斯特林发电机，还包括主气缸，所述主气缸设置于所述耐压壳体的内部，且与所述耐压壳体固定连接；所述动力活塞滑动设置于所述主气缸内部；
所述主气缸与所述调相器活塞之间形成第一间隙密封；
所述动力活塞与所述调相器连杆之间形成第二间隙密封；
所述主气缸与所述动力活塞之间形成第三间隙密封。
根据本发明提供的一种自由活塞斯特林发电机，所述气体弹簧结构包括：
气体弹簧气缸，设置于所述主气缸的底部；
气体弹簧腔背盖，设置于所述气体弹簧气缸的底部；
定磁铁支架，设置于所述气体弹簧腔背盖的内部；
定磁铁组件，设置于所述定磁铁支架上，且与所述气体弹簧气缸连接；
动磁铁组件，设置于所述调相器背侧活塞上；
所述气体弹簧气缸、所述气体弹簧腔背盖和所述调相器背侧活塞共同构成了气体弹簧腔。
根据本发明提供的一种自由活塞斯特林发电机，所述气体弹簧气缸与所述调相器背侧活塞之间为间隙密封，形成气体弹簧腔间隙密封。
根据本发明提供的一种自由活塞斯特林发电机，所述直线电机包括：
定子组件，连接于所述耐压外壳上；
磁铁骨架，与所述动力活塞固定连接；
永磁体，设置于所述磁铁骨架上。
根据本发明提供的一种自由活塞斯特林发电机，还包括第一连接件，所述第一连接件用于连接所述磁铁骨架和所述动力活塞。
根据本发明提供的一种自由活塞斯特林发电机，还包括第二连接件和第三连接件，所述第二连接件用于连接所述主气缸和所述气体弹簧腔背盖，所述第三连接件用于连接所述主气缸和所述气体弹簧气缸。
根据本发明提供的一种自由活塞斯特林发电机，还包括螺栓，所述第四连接件用于连接所述动力活塞和第一连接件。
根据本发明提供的一种自由活塞斯特林发电机，所述调相器连杆的顶部还设置有挡板。
本发明提供的自由活塞斯特林发电机，通过在背腔内设置可变容积的气体弹簧腔，调相器的弹簧刚度由气体弹簧腔提供，伴随着调相器的运动，气体弹簧腔的容积也相应呈现周期性的压缩和膨胀，从而提供可以匹配调相器动质量的气体弹簧刚度；气体弹簧刚度不受弹簧材料性能的限制，因此可以适用于更广泛的功率范围，包括百千瓦级及以上的应用场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的自由活塞斯特林发电机的结构示意图；
图2是本发明提供的气体弹簧气缸和气体弹簧腔背盖的连接结构示意图一；
图3是本发明提供的气体弹簧气缸和气体弹簧腔背盖的连接结构示意图二；
图4是磁铁骨架和动力活塞的连接结构示意图一；
图5是磁铁骨架和动力活塞的连接结构示意图二；
附图标记：
1：高温换热器；2：回热器；3：室温换热器；4：压缩腔；5：永磁体；6：定子组件；7：耐压壳体；8：气体弹簧气缸；9：动磁铁组件；10：定磁铁组件；11：气体弹簧腔背盖；12：膨胀腔；13：调相器外壳；14：防辐射屏；15：挡板；16：调相器连杆；17：第一间隙密封；18：动力活塞；19：第二间隙密封；20：第三间隙密封；21：主气缸；22：第一连接件；23：背腔；24：气体弹簧腔间隙密封；25：气体弹簧腔；26：定磁铁支架；27：第二连接件；28：第三连接件；29：第四连接件；30：调相器背侧活塞；31：调相器活塞。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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作出创造性劳动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。
下面结合图1-图5描述本发明的实施例，提供一种自由活塞斯特林发电机，包括耐压壳体7、高温换热器1、回热器2、室温换热器3、调相器、直线电机、动力活塞18和气体弹簧结构。其中，耐压壳体7指的是能够承受一定压力的壳体，可以采用钢材质制成，也可以是铍或其他可耐温耐压材料；高温换热器1、回热器2和室温换热器3依次设置于耐压壳体7内壁顶端；调相器设置于高温换热器1、回热器2和室温换热器3的内侧；直线电机设置于耐压壳体7内部底端；动力活塞18与直线电机动子连接；调相器与耐压壳体7的上壁面之间形成膨胀腔12；调相器与动力活塞18之间形成压缩腔4；动力活塞18与耐压壳体7的下壁面之间形成背腔23；气体弹簧结构，设置于背腔23内，且气体弹簧结构内部设置有可变容积的气体弹簧腔25。
如图1所示，本发明实施例提供的自由活塞斯特林发电机，通过在背腔23内设置可变容积的气体弹簧腔25，调相器的弹簧刚度由气体弹簧腔25提供，调相器的配气调相功能与弹簧驱动功能相分离。直线电机运行时，调相器回收膨胀腔12处的声功并传递至压缩腔4，驱动动力活塞18带动直线电机的动子部分运动，从而向外输出电能。
伴随着调相器的运动，气体弹簧腔25的容积也相应呈现周期性的压缩和膨胀，从而提供可以匹配调相器动质量的气体弹簧刚度；相对于传统固体板弹簧结构相比，气体弹簧结构的刚度不受弹簧材料性能的限制，因此可以适用于更广泛的功率范围，包括百千瓦级及以上的应用场合。
具体的，调相器包括调相器外壳13、防辐射屏14、调相器连杆16、调相器活塞31和调相器背侧活塞30，调相器外壳13设置于高温换热器1、回热器2和室温换热器3内侧，且调相器外壳13与耐压壳体7的上壁面之间形成膨胀腔12；防辐射屏14设置于调相器外壳13的内部；调相器连杆16设置于调相器活塞31底部，并与调相器活塞31一体连接，调相器活塞31、调相器连杆16与动力活塞18顶部之间形成压缩腔4，调相器连杆16贯穿动力活塞18的底部；调相器活塞18设置于调相器外壳13的下端部，；调相器背侧活塞30设置于调相器连杆16的底部，且位于背腔23内。
调相器用于回收膨胀腔12处的声功并传递至压缩腔4，驱动动力活塞18带动直线电机的动子部分运动，从而对外输出电能。
在本发明的实施例中，还包括主气缸21，主气缸21设置于耐压壳体7的内部，且与耐压壳体7固定连接，动力活塞18滑动设置于主气缸21内部；主气缸21与调相器活塞31之间形成第一间隙密封17；动力活塞18与调相器连杆16之间形成第二间隙密封19；主气缸21与动力活塞18之间形成第三间隙密封20。
在第一间隙密封17、第二间隙密封19和第三间隙密封20的密封面均处于稳定的压力和温度的工况下，结构稳定性好，易于实现调相器的稳定运行。
更进一步的，如图1-图3所示，气体弹簧结构包括气体弹簧气缸8、气体弹簧腔背盖11、定磁铁支架26、定磁铁组件10和动磁铁组件9，气体弹簧气缸8设置于主气缸21的底部，且与主气缸21刚性连接；气体弹簧气缸8的外法兰外径与主气缸的外径相同；气体弹簧腔背盖11设置于气体弹簧气缸8的底部，且与气体弹簧气缸8刚性连接，从而构成了主气缸21、气体弹簧气缸8和气体弹簧腔背盖25轴向排布的连接结构。其中，气体弹簧气缸8的外法兰分别和主气缸21以及气体弹簧腔背盖11连接，并通过端面密封实现各个腔体之间的密封，气体弹簧气缸8、气体弹簧腔背盖11和调相器背侧活塞30共同构成了气体弹簧腔25，并随着调相器的往复运动提供其所需的气体弹簧刚度。
另外，定磁铁支架26设置于气体弹簧腔背盖11的内部；定磁铁组件10设置于定磁铁支架26上，且与气体弹簧气缸8连接；定磁铁组件10包括定磁铁及背铁；动磁铁组件9设置于调相器背侧活塞30上，动磁铁组件9包括动磁铁及背铁；动磁铁组件9随着调相器背侧活塞30的运动，与定磁铁组件10之间产生相对运动，动磁铁组件9和定磁铁组件10的目的在于提供外加的力，平衡调相器上的力矩，使活塞在运动方向上居中于平衡位置。
其中，气体弹簧气缸8与调相器背侧活塞30间为间隙密封，形成气体弹簧间隙密封24，由于气体弹簧间隙密封24处于较为稳定的低温端，从而保证了气体弹簧结构的稳定性和可靠性。
更进一步的，直线电机包括定子组件、磁铁骨架和永磁体5，定子组件6包括定子与线圈，设置于耐压壳体7上。
如图4和图5所示，磁铁骨架与动力活塞18固定连接，永磁体5固定于磁铁骨架上，永磁体5能够随动力活塞18而运动。还包括第一连接件22，第一连接件22用于连接磁铁骨架和动力活塞18。第一连接件22可以为螺栓。还包括第四连接件29，第四连接件29用于连接动力活塞18和第一连接件22。第四连接件29可以为螺栓。即第一连接件22和第四连接件29将永磁体5和动力活塞18固定在一起，以使永磁体5和动力活塞能够实现共同运动。
需要说明的是，在加工装配过程中，磁铁骨架、主气缸21和第一连接件22的端部均设置为齿状，在装配时分别穿过主气缸21预留的通孔，并通过第四连接件29与动力活塞18连接，从而实现永磁体5和动力活塞18的共同运动。
另外，在本发明的实施例中，还包括第二连接件27和第三连接件28，其中，第二连接件27用于连接主气缸21和气体弹簧腔背盖11，第三连接件28用于连接主气缸21和气体弹簧气缸8；第二连接件27和第三连接件28可以为螺栓。
另外，调相器连杆16的顶部还设置有挡板15，挡板15用于防止腔体内部窜气。
本发明实施例公开的自由活塞斯特林发电机的工作原理为：调相器传递过来的声功形式的机械能推动动力活塞18往复运动，永磁体5以及磁铁骨架与动力活塞18相连，并跟随动力活塞18做同步运动，从而导致线圈中磁通量的变化，从而将机械能转化为电能。
本发明通过在较大容积的背腔23内部引入可变容积的气体弹簧腔25，提出了一种高可靠调相器气体弹簧后置机型自由活塞斯特林发电机结构，同时满足机型结构简单以及全气体弹簧机型功率范围可扩展的特性。此外，通过设计一体化的后置气体弹簧结构，简化了间隙密封的结构，解决了多道间隙密封摩擦副配合以及间隙密封控制的问题，提高间隙密封的稳定性，降低了工艺复杂度以及工况依赖性，从而有效地提高发电机性能和稳定性，并延长使用寿命；为兆瓦级、百千瓦级及以下功率自由活塞斯特林发电机提供一种结构与工艺相对简单、高可靠且高效的具有优良功率适应性的机型。
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 (7)
1.一种自由活塞斯特林发电机，其特征在于，包括：
耐压壳体；
依次设置于所述耐压壳体内壁顶端的高温换热器、回热器和室温换热器；
调相器；
直线电机，设置于所述耐压壳体内部底端；
动力活塞，与所述直线电机连接；
所述调相器与所述耐压壳体的上壁面之间形成膨胀腔；
所述调相器与所述动力活塞之间形成压缩腔；
所述动力活塞与所述耐压壳体的下壁面之间形成背腔；
气体弹簧结构，设置于所述背腔内，且所述气体弹簧结构内部设置有可变容积的气体弹簧腔；
其中，所述调相器包括：
调相器外壳，设置于所述高温换热器、回热器和室温换热器内侧，所述调相器外壳与所述耐压壳体的上壁面之间形成膨胀腔；
防辐射屏，设置于所述调相器外壳的内部；
调相器活塞，设置于所述调相器外壳底端；
调相器连杆，设置于所述调相器活塞的底部，所述调相器连杆与所述动力活塞顶部和所述调相器活塞之间形成压缩腔，且贯穿所述动力活塞的底部；
调相器背侧活塞，设置于所述调相器连杆的底部，且位于所述背腔内；
还包括主气缸，所述主气缸设置于所述耐压壳体的内部，且与所述耐压壳体固定连接；所述动力活塞滑动设置于所述主气缸内部；
所述主气缸与所述调相器活塞之间形成第一间隙密封；
所述动力活塞与所述调相器连杆之间形成第二间隙密封；
所述主气缸与所述动力活塞之间形成第三间隙密封；
其中，所述气体弹簧结构包括：
气体弹簧气缸，设置于所述主气缸的底部；
气体弹簧腔背盖，设置于所述气体弹簧气缸的底部；
定磁铁支架，设置于所述气体弹簧腔背盖的内部；
定磁铁组件，设置于所述定磁铁支架上，且与所述气体弹簧气缸连接；
动磁铁组件，设置于所述调相器背侧活塞上；
所述气体弹簧气缸、所述气体弹簧腔背盖和所述调相器背侧活塞共同构成了气体弹簧腔。
2.根据权利要求1所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述气体弹簧气缸与所述调相器背侧活塞之间为间隙密封，形成气体弹簧腔间隙密封。
3.根据权利要求1所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述直线电机包括：
定子组件，连接于所述耐压壳体上；
磁铁骨架，与所述动力活塞固定连接；
永磁体，设置于所述磁铁骨架上。
4.根据权利要求3所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，还包括第一连接件，所述第一连接件用于连接所述磁铁骨架和所述动力活塞。
5.根据权利要求1所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，还包括第二连接件和第三连接件，所述第二连接件用于连接所述主气缸和所述气体弹簧腔背盖，所述第三连接件用于连接所述主气缸和所述气体弹簧气缸。
6.根据权利要求4所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，还包括第四连接件，所述第四连接件用于连接所述动力活塞和第一连接件。
7.根据权利要求1-6任一项所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述调相器连杆的顶部还设置有挡板。
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