CN115030814A - 活塞缸体配合结构、自由活塞发动机及发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动力设备技术领域，提供一种活塞缸体配合结构、自由活塞发动机及发电机。活塞缸体配合结构，包括缸体和膨胀活塞，膨胀活塞与缸体的端部围成膨胀腔；缸体的侧壁设有进气孔和排气孔，膨胀活塞设有进气通道和排气通道，进气通道和排气通道均第一端与膨胀腔连通，第二端贯通膨胀活塞的外壁；膨胀活塞运行至进气行程时，进气通道与进气孔连通，膨胀活塞运行至排气行程时，排气通道与排气孔连通。通过膨胀活塞运行至相应的行程而通过缸体上的气孔以及膨胀活塞上的通道进行排气或进气，不受高温影响，从而能够有效地解决现有技术中电磁阀工作于高温条件受用寿命较短的缺陷，进而能够降低自由活塞发动机的使用成本和维护成本。

Description

活塞缸体配合结构、自由活塞发动机及发电机

技术领域

本发明涉及动力设备技术领域，尤其涉及一种活塞缸体配合结构、自由活塞发动机及发电机。

背景技术

工作于布雷顿循环的自由活塞发动机，通常包括外壳、两个活塞以及连接两个活塞的活塞杆，两个活塞分别与外壳的两端构成膨胀腔和压缩腔。现有技术中主要通过检测活塞位置，并基于活塞的控制电磁阀的启闭，从而控制工质向膨胀腔流入或者从膨胀腔流出。工质在膨胀腔内处于高温高压状态，使得电磁阀需要工作在高温条件下，导致电磁阀的使用寿命较低，从而导致自由活塞发动机的使用成本较高。因此，亟需解决自由活塞发动机的电磁阀使用寿命较低的问题。

发明内容

本发明提供一种活塞缸体配合结构、自由活塞发动机及发电机，用以解决现有技术中自由活塞发动机的电磁阀使用寿命较低的缺陷，实现降低自由活塞发动机的使用成本及维护成本的效果。

本发明提供一种活塞缸体配合结构，包括缸体和可滑动地设置于所述缸体之内的膨胀活塞，所述膨胀活塞与所述缸体的端部围成膨胀腔；

所述缸体的侧壁设有进气孔和排气孔，所述膨胀活塞设有进气通道和排气通道，所述进气通道和所述排气通道均第一端与所述膨胀腔连通，第二端贯通所述膨胀活塞的外壁；

其中，所述膨胀活塞运行至进气行程时，所述进气通道与所述进气孔连通，所述膨胀活塞运行至排气行程时，所述排气通道与所述排气孔连通。

根据本发明提供的一种活塞缸体配合结构，所述进气孔的数量设置为至少两个，至少两个所述进气孔沿所述膨胀活塞的位移方向排布；

所述排气孔的数量设置为至少两个，至少两个所述排气孔沿所述膨胀活塞的位移方向排布。

根据本发明提供的一种活塞缸体配合结构，还包括进气导槽和排气导槽；

所述进气导槽设置于所述缸体的内壁并与所述进气孔连通，或者，所述进气导槽设置于所述膨胀活塞的外壁并与进气通道连通；

所述排气导槽设置于所述缸体的内壁并与所述排气孔连通，或者，所述排气导槽设置于所述膨胀活塞的外壁并与所述排气通道连通。

根据本发明提供的一种活塞缸体配合结构，所述进气导槽和所述排气导槽均沿所述膨胀活塞的位移方向延伸。

根据本发明提供的一种活塞缸体配合结构，所述进气导槽和所述排气导槽均沿所述膨胀活塞的周向延伸并向所述膨胀活塞的位移方向弯曲。

根据本发明提供的一种活塞缸体配合结构，还包括隔挡板，所述膨胀活塞靠近所述膨胀腔的一端的内部设有空腔，所述空腔内设有朝向所述膨胀腔设置的所述隔挡板。

本发明还提供一种自由活塞发动机，包括压缩活塞、活塞杆和如上所述的活塞缸体配合结构；

所述压缩活塞可滑动地设置于所述缸体远离所述膨胀活塞的一端，并且所述压缩活塞与所述缸体远离所述膨胀活塞的一端围成压缩腔，所述活塞杆分别与所述膨胀活塞和所述压缩活塞相连接。

根据本发明提供的一种自由活塞发动机，还包括驱动电机，所述驱动电机与所述活塞杆相连接，并用于驱动所述活塞杆转动。

根据本发明提供的一种自由活塞发动机，还包括涡轮，所述涡轮套装于所述活塞杆。

本发明还提供一种发电机，包括发电机定子、发电机动子以及如上所述的自由活塞发动机，所述发电机动子能够相对所述发电机定子运动，所述自由活塞发动机与所述发动机动力连接，用于驱动所述发动机动子运动。

本发明提供的活塞缸体配合结构，通过在缸体的侧壁设置进气孔和排气孔，以及在膨胀活塞设置进气通道和排气通道。在膨胀活塞运行至进气行程，缸体的进气孔与膨胀活塞的进气通道连通，从而可使气体依次经过缸体的进气孔与膨胀活塞的进气通道而进入到膨胀腔内。在膨胀活塞运行至排气行程时，缸体的排气孔与膨胀活塞的排气通道连通，从而可以使膨胀腔内的气体依次经过膨胀活塞的排气通道与缸体的排气孔排出。

如此设置，可以通过膨胀活塞运行至相应的行程而通过缸体上的气孔以及膨胀活塞上的通道进行排气或进气，无需使用电磁阀控制进气排气，不受高温影响，从而能够有效地解决现有技术中电磁阀工作于高温条件受用寿命较短的缺陷，进而能够降低自由活塞发动机的使用成本和维护成本。

同时，由于不再使用电磁阀，因此可以不再检测膨胀活塞的位置，从而能够减少电器元件的使用，进而能够简化自由活塞发动机的结构，提高运行可靠性，降低设计制造成本。

进一步，本发明提供的自由活塞发动机和发电机，由于包含了本发明提供的活塞缸体配合结构，因此同时也就包含了活塞缸体配合结构的上述所有优点。

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是本发明实施例中提供的基于电磁阀的闭式自由活塞发动机的原理示意图；

图2是本发明实施例中提供的基于电磁阀的开式自由活塞发动机的原理示意图；

图3是本发明实施例中提供的第一种气缸活塞配合结构的结构示意图；

图4是本发明实施例中提供的第二种气缸活塞配合结构的结构示意图；

图5是本发明实施例中提供的第一种自由活塞发动机的结构示意图；

图6是本发明实施例中提供的第二种自由活塞发动机的结构示意图；

图7是本发明实施例中提供的第三种自由活塞发动机的结构示意图。

附图标记：

1、缸体；2、膨胀活塞；3、膨胀腔；4、进气孔；5、排气孔；6、进气通道；7、排气通道；8、进气导槽；9、排气导槽；10、压缩活塞；11、活塞杆；12、压缩腔；13、驱动电机；14、涡轮；15、发电机定子；16、发电机动子；17、加热器；18、冷却器；19、回热器；20、空腔；21、隔挡板。

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。

参考图1所示，本发明实施例中提供的基于电磁阀的闭式自由活塞发动机，包括缸体1、膨胀活塞2、压缩活塞10和活塞杆11，膨胀活塞2与缸体1的左端围成膨胀腔3，压缩活塞10与缸体1的右端围成压缩腔12，活塞杆11分别与膨胀活塞2和压缩活塞10相连接。其中，膨胀腔3和压缩腔12均与加热器17连通，同时膨胀腔3和压缩腔12均与冷却器18连通。

图1所示状态为膨胀活塞2处于中间位置，假设从膨胀活塞2处于左极限位置时开始动作。膨胀活塞2从左极限位置向中间位置运动的过程中，膨胀腔3从加热器17吸入高温高压气体同时推动压缩活塞10挤压压缩腔12内的气体。膨胀活塞2从中间位置向右极限位置运行的过程中，膨胀腔3内的气体绝热膨胀推动膨胀活塞2运行至右极限位置，同时压缩腔12向加热器17导入高压低温气体。最后，膨胀活塞2从右极限位置回归至左极限位置，这个过程中膨胀腔3内的高温低压气体排放至冷却器18，压缩器吸入冷却器18内的低温低压气体，在此过程中完成热能至动能的转换。

参考图2所示，本发明实施例中提供的基于电磁阀的开式自由活塞发动机，与闭式自由活塞发动机不同的是，开式自由活塞发动机中的压缩腔12从外界吸入空气，同时膨胀腔3向外界排出空气。同时，为了利用膨胀腔3排出的空气的余热，开式自由活塞发动机还包括有回热器19。膨胀腔3的排气管路和进气管路均与回热器19相连接，从而利用排气管路内的气体对进气管路内的气体进行预热，然后再使进气管路经过加热器17加热，最后进入到膨胀腔3。

需要说明的是，上述两种自由活塞发动机只是在工质气体的补充形式和排放形式不同，而缸体1与活塞的配合结构基本相同，因此开式自由活塞发动机和闭式自由活塞发动机均适用本发明实施例中提供的活塞缸体配合结构。

下面结合图1至图7描述本发明实施例中提供的活塞缸体配合结构。

具体来说，活塞缸体配合结构包括缸体1和可滑动地设置于缸体1之内的膨胀活塞2。膨胀活塞2与缸体1的端部围成膨胀腔3。

参考图3-图7所示，缸体1的侧壁设有进气孔4和排气孔5，膨胀活塞2设有进气通道6和排气通道7。进气通道6的第一端与膨胀腔3连通，进气通道6的第二端贯通膨胀活塞2的外壁。同样的，排气通道7的第一端与膨胀腔3连通，排气通道7的第二端贯通膨胀活塞2的外壁。

其中，膨胀活塞2运行至进气行程时，进气通道6与进气孔4连通。膨胀活塞2运行至排气行程时，排气通道7与排气孔5连通。参考图3、图4所示，可以理解的是，进气行程处于膨胀活塞2从左极限位置向中间位置运行的过程之中，排气行程处于膨胀活塞2从右极限位置向左极限位置运行的过程之中。

本发明实施例中提供的活塞缸体配合结构，通过在缸体1的侧壁设置进气孔4和排气孔5，以及在膨胀活塞2设置进气通道6和排气通道7。在膨胀活塞2运行至进气行程，缸体1的进气孔4与膨胀活塞2的进气通道6连通，从而可使气体依次经过缸体1的进气孔4与膨胀活塞2的进气通道6而进入到膨胀腔3内。在膨胀活塞2运行至排气行程时，缸体1的排气孔5与膨胀活塞2的排气通道7连通，从而可以使膨胀腔3内的气体依次经过膨胀活塞2的排气通道7与缸体1的排气孔5排出。

如此设置，可以在膨胀活塞2运行至相应的行程时，通过缸体1上的气孔以及膨胀活塞2上的通道进行排气或进气，无需使用电磁阀控制进气排气，不受高温影响，从而能够有效地解决现有技术中电磁阀工作于高温条件受用寿命较短的缺陷，进而能够降低自由活塞发动机的使用成本和维护成本。

同时，由于不再使用电磁阀，因此可以不再检测膨胀活塞2的位置，从而能够减少电器元件的使用，进而能够简化自由活塞发动机的结构，提高运行可靠性，降低设计制造成本。

参考图3所示，在本发明提供的一些实施例中，进气孔4的数量设置为至少两个，至少两个进气孔4沿膨胀活塞2的位移方向排布。例如，每个进气孔4均与加热器17相连接。如此设置，膨胀活塞2在进气行程运行过程中，进气通道6能够依次地与各个进气孔4连通，从而保证进气顺畅。

排气孔5的数量设置为至少两个，至少两个排气孔5沿膨胀活塞2的位移方向排布。例如，每个排气孔5均与冷却器18或者回热器19相连接。如此设置，膨胀活塞2在排气行程运行过程中，排气通道7能够依次地与各个排气孔5连通，从而保证排气顺畅。如图3所示，上数第一个视图表示膨胀活塞2处于左极限位置，上数第二个视图表示膨胀活塞2运行至中间位置，上数第三个视图表示膨胀活塞2运行至右极限位置，上数第四个视图表示膨胀活塞2再次回归至中间位置。

参考图4、图5所示，在本发明提供的一些实施例中，活塞缸体配合结构还包括进气导槽8。

进气导槽8设置于缸体1的内壁并与进气孔4连通。或者，进气导槽8设置于膨胀活塞2的外壁并与进气通道6连通。如此设置，膨胀活塞2在进气行程运行过程中，进气通道6能够通过进气导槽8始终与进气孔4连通，从而保证进气顺畅。如图4所示，上数第一个视图表示膨胀活塞2处于左极限位置，上数第二个视图表示膨胀活塞2运行至中间位置，上数第三个视图表示膨胀活塞2运行至右极限位置，上数第四个视图表示膨胀活塞2再次回归至中间位置。

参考图4、图5所示，在本发明提供的一些实施例中，活塞缸体配合结构还包括排气导槽9。

排气导槽9设置于缸体1的内壁并与排气孔5连通。或者，排气导槽9设置于膨胀活塞2的外壁并与排气通道7连通。如此设置，膨胀活塞2在排气行程运行过程中，排气通道7能够通过排气导槽9始终与排气孔5连通，从而保证排气顺畅。

参考图4所示，在本发明提供的一些实施例中，进气导槽8和排气导槽9均沿膨胀活塞2的位移方向延伸。如此设置，进气导槽8和排气导槽9的结构简单，便于加工。

参考图5、图7所示，在本发明提供的一些实施例中，进气导槽8和排气导槽9均沿膨胀活塞2的周向延伸，并且进气导槽8和排气导槽9均向膨胀活塞2的位移方向弯曲。

在使用过程中，在膨胀活塞2移动的过程中，可通过驱动电机13或者涡轮14驱动膨胀活塞2进行转动。同时以排气导槽9和进气导槽8均设置在缸体1内壁为例，参考图5、图7所示，具体地，膨胀活塞2运行在进气行程的过程中，膨胀活塞2上的进气通道6与进气导槽8连通，通过膨胀活塞2的移动和转动，进气通道6的入口的运行轨迹始终与进气导槽8的延伸轨迹相同，从而使得进气通道6始终能够通过进气导槽8与进气孔4连通。而此时膨胀活塞2上的排气通道7的出口与排气导槽9相互错开，进而能够避免外界或者冷却器18内的气体从排气孔5进入到膨胀腔3内。

同理，膨胀活塞2运行在排气行程的过程中，膨胀活塞2的排气通道7与排气导槽9连通，通过膨胀活塞2的移动和转动，排气通道7的出口的运行轨迹始终与排气导槽9的延伸轨迹相同，从而使得排气通道7始终能够通过排气导槽9与排气孔5连通。而此时膨胀活塞2上的进气通道6的入口与进气导槽8相互错开，进而能够避免膨胀腔3内的气体从进气孔4排出。

在本发明提供的一些实施例中，活塞缸体配合结构还包括隔挡板21。膨胀活塞2靠近膨胀腔3的一端的内部设有空腔20，空腔20内设有朝向膨胀腔3设置的隔挡板21。通过设置隔档板能够反射膨胀腔3内的热量，防止膨胀腔3内的热量经过膨胀活塞2向外传递。例如，隔档板包括但不限于打磨光亮的铝板。可选地，隔档板的数量设置为多个，多个隔档板沿膨胀活塞2的位移方向依次排布。可选地，隔档板设置为向膨胀腔3凸起的球面结构或者椭球面结构。

本发明实施例中还提供一种自由活塞发动机。

具体来说，自由活塞发动机包括压缩活塞10、活塞杆11和如上所述的活塞缸体配合结构。

压缩活塞10可滑动地设置于缸体1远离膨胀活塞2的一端，并且压缩活塞10与缸体1远离膨胀活塞2的一端围成压缩腔12，活塞杆11分别与膨胀活塞2和压缩活塞10相连接。

需要说明的是，自由活塞发动机包含了活塞缸体配合结构同时也就包含了活塞缸体配合结构的所有优点，此处不再赘述。

同时需要说明的是，由于在压缩腔12内出入的气体的温度较低，因此，自由活塞发动机的压缩腔12的可以采用现有技术中的电磁阀控制的方式进行排气和进气，当然也可以采用与上述实施例中介绍的膨胀腔3所采用的方式相同的方式进行排气和进气。或者，也可以通过凸轮轴驱动阀门实现阀门启闭，进而进行排气和进气。

参考图1所示，可选地，对于闭式自由活塞发动机而言，还包括加热器17和冷却器18。进气孔4与加热器17的出口连接，排气孔5与冷却器18的入口连接。压缩腔12的进气口与冷却器18的出口连接，压缩腔12的排气口与加热器17的入口连接。

参考图2所示，可选地，对于开式自由活塞发动机而言，还包括加热器17和回热器19。进气孔4与加热器17的出口连接，排气孔5、加热器17的入口以及压缩腔12的排气口均与回热器19连接，用于利用排气孔5排出的气体对压缩腔12排出的气体进行预热。压缩腔12的进气口可与外界的大气连通，用于向开式自由活塞发动机补入空气。

在本发明提供的一些实施例中，自由活塞发动机还包括驱动电机13，驱动电机13与活塞杆11相连接，并用于驱动活塞杆11转动。活塞杆11转动时能够驱动膨胀活塞2转动。驱动膨胀活塞2转动的同时，可以在膨胀活塞2与缸体1之间形成气体轴承，从而降低膨胀活塞2的运行阻尼，提高系统的可靠性以及运行效率。压缩活塞10与之有相同的效果，不再赘述。

参考图5所示，对于进气导槽8和排气导槽9均沿膨胀活塞2的周向延伸，并且进气导槽8和排气导槽9均向膨胀活塞2的位移方向弯曲的自由活塞发动机而言，驱动电机13驱动膨胀活塞2转动，能够使膨胀活塞2运行在进气行程中时，进气通道6能够始终与进气导槽8连通，并在膨胀活塞2运行在排气行程中时，排气通道7能够始终与排气导槽9连通。例如，驱动电机13的转动频率与膨胀活塞2的运行频率相同，即膨胀活塞2往复一次，驱动电机13转动一圈。

可选地，驱动电机13设置于缸体1之内，如此设置使得自由活塞发动机的结构更紧凑。进一步地，驱动电机13可以设置为中空电机，以使活塞杆11穿过中空电机。驱动电机13可以通过滑键或者长键的方式与活塞杆11滑动连接，以使驱动电机13不移位的同时能够驱动膨胀活塞2转动。或者，驱动电机13可以通过齿轮传动的方式与活塞杆11传动连接，套装于活塞杆11的齿轮可以通过滑键或者长键的方式与活塞杆11滑动连接。

当然，并不局限于通过驱动电机13驱动膨胀活塞2转动，参考图7所示，在本发明提供的其它实施例中，自由活塞发动机还包括涡轮14，涡轮14套装于活塞杆11。例如，涡轮14可转动地设置在缸体1之内，例如可以通过安装座可转动地安装于缸体1之内。并且涡轮14可以通过滑键或者长键的方式与活塞杆11连接，以使涡轮14能够不随活塞杆11移动。如此，在膨胀活塞2和压缩活塞10往复运动的过程中，能够驱动气流往复流动，从而利用往复流动的气体驱动涡轮14转动，进而通过涡轮14驱动膨胀活塞2进行转动。

参考图6所示，对于进气导槽8和排气导槽9均沿膨胀活塞2的位移方向延伸，或者排气孔5和进气孔4均设置为至少两个的自由活塞发动机而言，驱动电机13可以设置为伺服电机。可选地，参考图6所示，进气通道6的入口和排气通道7的出口既不平行也不共线，即进气通道6和排气通道7并非对称设置在膨胀活塞2的两侧。在膨胀活塞2运行至进气行程时，可以通过驱动电机13驱动膨胀活塞2转动第一预设角度，以使进气通道6与进气导槽8或者进气孔4连通，此时排气通道与排气导槽或排气孔错开。在膨胀活塞2运行至排气行程时，可以通过驱动电机13驱动膨胀活塞2转动第二预设角度，以使排气通道7与排气导槽9或者排气孔5连通，此时进气通道与进气导槽或进气孔错开。

本发明实施例中还提供一种发电机。

具体来说，发电机包括发电机定子15、发电机动子16以及如上所述的自由活塞发动机。发电机动子16能够相对发电机定子15运动，自由活塞发动机与发动机动力连接，用于驱动发动机动子运动。

需要说明的是，发电机包含了自由活塞发动机也就包含了自由活塞发动机的所有优点，此处不再赘述。

进一步地，发电机定子15和发电机动子16均设置于缸体1内，并且发电机动子16与活塞杆11相连接，活塞杆11带动发电机动子16相对于发电机定子15往复移动，以使发电机产生电能。

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 (10)

1.一种活塞缸体配合结构，其特征在于，包括缸体和可滑动地设置于所述缸体之内的膨胀活塞，所述膨胀活塞与所述缸体的端部围成膨胀腔；

所述缸体的侧壁设有进气孔和排气孔，所述膨胀活塞设有进气通道和排气通道，所述进气通道和所述排气通道均第一端与所述膨胀腔连通，第二端贯通所述膨胀活塞的外壁；

其中，所述膨胀活塞运行至进气行程时，所述进气通道与所述进气孔连通，所述膨胀活塞运行至排气行程时，所述排气通道与所述排气孔连通。

2.根据权利要求1所述的活塞缸体配合结构，其特征在于，所述进气孔的数量设置为至少两个，至少两个所述进气孔沿所述膨胀活塞的位移方向排布；

所述排气孔的数量设置为至少两个，至少两个所述排气孔沿所述膨胀活塞的位移方向排布。

3.根据权利要求1所述的活塞缸体配合结构，其特征在于，还包括进气导槽和排气导槽；

所述进气导槽设置于所述缸体的内壁并与所述进气孔连通，或者，所述进气导槽设置于所述膨胀活塞的外壁并与进气通道连通；

所述排气导槽设置于所述缸体的内壁并与所述排气孔连通，或者，所述排气导槽设置于所述膨胀活塞的外壁并与所述排气通道连通。

4.根据权利要求3所述的活塞缸体配合结构，其特征在于，所述进气导槽和所述排气导槽均沿所述膨胀活塞的位移方向延伸。

5.根据权利要求3所述的活塞缸体配合结构，其特征在于，所述进气导槽和所述排气导槽均沿所述膨胀活塞的周向延伸并向所述膨胀活塞的位移方向弯曲。

6.根据权利要求1-5任一项所述的活塞缸体配合结构，其特征在于，还包括隔挡板，所述膨胀活塞靠近所述膨胀腔的一端的内部设有空腔，所述空腔内设有朝向所述膨胀腔设置的所述隔挡板。

7.一种自由活塞发动机，其特征在于，包括压缩活塞、活塞杆和如权利要求1-6任一项所述的活塞缸体配合结构；

所述压缩活塞可滑动地设置于所述缸体远离所述膨胀活塞的一端，并且所述压缩活塞与所述缸体远离所述膨胀活塞的一端围成压缩腔，所述活塞杆分别与所述膨胀活塞和所述压缩活塞相连接。

8.根据权利要求7所述的自由活塞发动机，其特征在于，还包括驱动电机，所述驱动电机与所述活塞杆相连接，并用于驱动所述活塞杆转动。

9.根据权利要求7所述的自由活塞发动机，其特征在于，还包括涡轮，所述涡轮套装于所述活塞杆。

10.一种发电机，其特征在于，包括发电机定子、发电机动子以及如权利要求7-9任一项所述的自由活塞发动机，所述发电机动子能够相对所述发电机定子运动，所述自由活塞发动机与所述发动机动力连接，用于驱动所述发动机动子运动。

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