CN115434821A - 一种热驱动斯特林装置及其运行方法 - Google Patents

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CN115434821A CN202210929134.6A CN202210929134A CN115434821A CN 115434821 A CN115434821 A CN 115434821A CN 202210929134 A CN202210929134 A CN 202210929134A CN 115434821 A CN115434821 A CN 115434821A
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李银芳
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刘敬平
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Abstract

本发明公开了一种热驱动斯特林装置，包括工作腔、发动机排出器、热泵排出器和缓冲腔，发动机排出器和热泵排出器上设有排出器连杆，排出器连杆延伸至缓冲腔内，至少一个排出器连杆位于缓冲腔内的部分外周设有连杆气缸，连杆气缸与排出器连杆之间形成密闭的连杆实际受力面积调节腔，连杆实际受力面积调节腔与对应的工作腔之间设有第一开关阀，缓冲腔与连杆实际受力面积调节腔之间设有第二开关阀。其运行方法，低频率模式运行时，第一开关阀打开，第二开关阀关闭，使连杆实际受力面积调节腔与缓冲腔断开并与对应的工作腔连通；高频率模式运行时，第一开关阀关闭，第二开关阀打开，使连杆实际受力面积调节腔与缓冲腔连通并与对应的工作腔断开。

Description

一种热驱动斯特林装置及其运行方法
技术领域
本发明涉及发动机、制冷机、热泵领域，尤其涉及一种热驱动斯特林装置及其运行方法。
背景技术
与内燃机相比，斯特林发动机属于外燃机，具有效率高、可利用低品味热能等优点，与蒸气压缩循环热泵相比，斯特林热泵具有效率高、制冷剂环保等优点，因此，利用斯特林发动机驱动斯特林热泵的热驱动斯特林装置具有巨大的市场应用空间。
然而，现有的热驱动斯特林装置存在调节负荷困难、变负荷下效率较低等问题，由于在小负荷下需要大幅降低斯特林发动机高温换热器的温度来调节热驱动斯特林装置的热负荷输出，从而导致低效率的问题。针对该问题，专利文献CN105723165A公开了一种用于维勒米尔热泵的四过程循环，对于自由活塞式结构提出了控制排出器在止点位置的静止时间来调节负荷的方法。由于工况会发生变化，使得在实际工况运行中，排出器的自由运行行程很难达到设计行程，容易出现超过或者少于设计行程的现象，导致出现碰撞或者大量电力消耗，影响装置的寿命和能效。而且，对于基于传动机构的热驱动斯特林装置，由于气缸壁与连杆之间存在侧向力，会导致磨损，降低了可靠性，影响使用寿命；对于电价较低地区或者时段，现有的热驱动斯特林装置还存在燃料费用较高的问题。专利文献EP0629823A1公开了一种维勒米尔装置，可以通过容积控制调节机构来调节运行频率，但是容积控制调节机构不仅需要电机，还需要齿轮等部件，整体结构复杂，成本高，可靠性下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单，便于调节频率，可以改善运行效率和可靠性，降低运行费用的热驱动斯特林装置。
本发明进一步提供一种上述热驱动斯特林装置的运行方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种热驱动斯特林装置，包括工作腔、发动机排出器、热泵排出器和缓冲腔，所述工作腔为低温腔、低温换热器、热泵回热器、热泵室温换热器、热泵室温腔、发动机室温腔、发动机室温换热器、发动机回热器、高温换热器和高温腔，所述发动机排出器和所述热泵排出器上设有排出器连杆，所述排出器连杆延伸至所述缓冲腔内，至少一个所述排出器连杆位于所述缓冲腔内的部分外周设有连杆气缸，所述连杆气缸与所述排出器连杆之间形成密闭的连杆实际受力面积调节腔，所述连杆实际受力面积调节腔与对应的所述工作腔之间设有第一开关阀，所述缓冲腔与所述连杆实际受力面积调节腔之间设有第二开关阀。需要说明的是：发动机排出器的排出器连杆对应的工作腔可以是发动机室温腔、发动机室温换热器、发动机回热器、高温换热器或高温腔，而热泵排出器的排出器连杆对应的工作腔可以是低温腔、低温换热器、热泵回热器、热泵室温换热器或热泵室温腔。
作为上述技术方案的进一步改进：所述排出器连杆包括至少两段同轴心的杆且相邻两段杆的直径不同，优选的，包括多段同轴心的杆且直径各不相同，或所述排出器连杆包括至少两段不同轴心的杆；所述连杆气缸包括至少两个内孔并与各段杆一一对应布置，优选地，各段杆与对应的所述内孔之间设有密封件，密封件例如可以是密封圈等。
作为上述技术方案的进一步改进：各段杆的长度与对应的排出器行程的差值为0至10cm，各所述内孔的长度与对应的排出器行程的差值为0至10cm，各段杆的直径与对应的内孔的直径的差值为0至2mm。
作为上述技术方案的进一步改进：所述发动机排出器和所述热泵排出器上均设有排出器连杆，两所述排出器连杆之间设有传动机构。
作为上述技术方案的进一步改进：两所述排出器连杆的直径不同，所述连杆气缸设于直径较大的排出器连杆外周。
作为上述技术方案的进一步改进：还包括用于驱动排出器运动的电磁驱动机构。
作为上述技术方案的进一步改进：还包括工质储罐，所述工质储罐与所述连杆实际受力面积调节腔之间设有第三开关阀。
作为上述技术方案的进一步改进：所述工质储罐与所述连杆实际受力面积调节腔之间还设有第四开关阀，所述第三开关阀与所述工质储罐之间设有进气阀，所述第四开关阀与所述工质储罐之间设有排气阀。
一种上述的热驱动斯特林装置的运行方法，包括低频率模式和高频率模式：
低频率模式运行时，连杆实际受力面积调节腔与缓冲腔断开并与对应的工作腔连通；
高频率模式运行时，连杆实际受力面积调节腔与缓冲腔连通并与对应的工作腔断开。
作为上述技术方案的进一步改进：
在低频率模式f1频率下运行t1时间、在高频率模式f2频率下运行t2时间，通过控制t1和t2时间长短，使得装置在t1+t2时间内的输出负荷与需求负荷相等；
或，先计算需求运行频率fR，然后选择最接近需求运行频率fR的运行频率fi，需求运行频率fR与自然运行频率fi之间的差值通过电磁驱动机构来补充，使得装置运行频率为fR。
作为上述技术方案的进一步改进：
包括工作压力调节：当工作压力较高导致输出负荷超过需求负荷时，在连杆实际受力面积调节腔体积减小过程中，第一开关阀与第二开关阀关闭，当连杆实际受力面积调节腔压力高于工质储罐时，第三开关阀开启，工质储罐与连杆实际受力面积调节腔连通；在连杆实际受力面积调节腔体积增大过程中，第一开关阀或第二开关阀开启，第三开关阀关闭，工质储罐与连杆实际受力面积调节腔断开连通。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明公开的热驱动斯特林装置，通过控制排出器连杆与连杆气缸配合形成的连杆实际受力面积调节腔，与对应的工作腔、缓冲腔之间连通或断开，可以改变排出器连杆实际受力截面积，从而调节热驱动斯特林装置的频率，无需设置电机、齿轮等部件，结构简单，成本低，可靠性好，调节便利，保障了斯特林发动机中高温换热器运行在较高的温度，改善了热驱动斯特林装置在非额定工况下的效率；而且，在小需求负荷下，控制热驱动斯特林装置运行在较小的排出器连杆实际受力面积下，可以降低排出器连杆的受力，从而减少侧向力，减少磨损，提高可靠性；此外，在电价较便宜的情况下，可以采用最小排出器连杆实际受力面积，利用电能驱动排出器运动，从而降低运营费用。
本发明公开的热驱动斯特林装置的运行方法，通过控制第一开关阀、第二开关阀的通断，从而控制连杆实际受力面积调节腔与对应的工作腔、缓冲腔之间连通或断开，进而可以改变排出器连杆实际受力截面积，调节热驱动斯特林装置的频率，方法简单，便利性好。
附图说明
图1a是现有的自由活塞热驱动斯特林装置的结构示意图。
图1b是现有的具有传动机构的热驱动斯特林装置的结构示意图。
图2是图1a中的发动机排出器的气体受力分析示意图。
图3是本发明中的排出器连杆和连杆气缸的结构示意图。
图4是图3a的分解图。
图5是本发明中的连杆实际受力面积调节腔上的连通孔的结构示意图。
图6是本发明中的连杆实际受力面积调节腔的结构示意图。
图7是本发明中的排出器行程的结构示意图。
图8是本发明热驱动斯特林装置第一种实施例的结构示意图。
图9是本发明热驱动斯特林装置第二种实施例的结构示意图。
图10是本发明热驱动斯特林装置第三种实施例的结构示意图。
图11是本发明热驱动斯特林装置的运行方法不同运行模式的示意图。
图12是本发明热驱动斯特林装置的运行方法的流程示意图。
图中各标号表示：1、低温腔；2、低温换热器；3、热泵回热器；4、热泵室温换热器；5、热泵室温腔；6、发动机室温腔；7、发动机室温换热器；8、发动机回热器；9、高温换热器；10、高温腔；11、发动机排出器；12、热泵排出器；13、排出器连杆；131、第一排出器连杆；132、第二排出器连杆；15、缓冲腔；16、连杆气缸；17、连杆实际受力面积调节腔；171、第一连杆实际受力面积调节腔；172、第二连杆实际受力面积调节腔；18、气缸隔板；181、第一气缸隔板；182、第二气缸隔板；21、连通孔；221、第一开关阀；222、第二开关阀；223、第三开关阀；224、第四开关阀；23、传动机构；24、工质储罐；241、进气阀；242、排气阀；25、电磁驱动机构；26、密封件；27、控制模块。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
图1a是一种现有的自由活塞热驱动斯特林装置，包括工作腔、缓冲腔15、发动机排出器11和热泵排出器12，其中，工作腔可以是低温腔1、低温换热器2、热泵回热器3、热泵室温换热器4、热泵室温腔5、发动机室温腔6、发动机室温换热器7、发动机回热器8、高温换热器9和高温腔10，自由活塞热驱动斯特林装置还包括排出器连杆13(排出器对应发动机排出器11和热泵排出器12)，其中，第一排出器连杆131一端固定于发动机排出器11上，另一端穿过第一气缸隔板181延伸至缓冲腔15内，第二排出器连杆132一端固定于热泵排出器12，另一端穿过第二气缸隔板182延伸至缓冲腔15内。图1b是一种现有的具有传动机构23的热驱动斯特林装置，在图1a的基础上，第一排出器连杆131和第二排出器连杆132通过传动机构23连接，传动机构23可以是曲柄连杆传动机构、菱形传动机构或苏格兰轭传动机构等，基于传动机构23的热驱动斯特林装置中发动机排出器11和热泵排出器12保持固定的运行相位。图1a、图1b所示的热驱动斯特林装置在运行工况给定的情况下，运行频率很大程度上取决于排出器连杆13的受力面积。
如图1a和图2所示，发动机排出器11的气体受力F是Fw1、Fw2和Fb三个气体力之和：
F＝Fw1+Fw2+Fb
其中，
Fw1＝Pw1·Aw1
Fw2＝Pw2·Aw2
Fb＝Pb·Ar
上述各式中F是力，P是压强，A是面积，下标w和b分别指工作腔和缓冲腔15，下标w1和w2分别指排出器的两个受力面，下标r是指排出器连杆13。
不考虑工作腔内的流动阻力，即工作腔内压力相同，则有：
Fw1+Fw2＝Pw1·Aw1-Pw2·Aw2＝Pw·(Aw1-Aw2)＝Pw·Ar
从而：
F＝Fw1+Fw2+Fb＝(Pw-Pb)·Ar＝ΔP·Ar
因此，对于图1所示的给定排出器连杆13面积Ar的热驱动斯特林装置，其排出器气体受力F大小取决于工作腔和缓冲腔15的压力差ΔP，而ΔP又受工况和性能等的限制，因此，现有的热驱动斯特林装置为了大范围调节频率，需要大幅调节高温换热器9的运行温度，造成运行效率较低。
在相同工况下，即高温换热器9温度、室温换热器温度(热泵室温换热器4及发动机室温换热器7)和低温换热器2温度给定情况下，由于工作腔和缓冲腔15压差ΔP取决于上述相关温度，因此，即压差ΔP给定情况下，为了改变排出器两端的气体受力F大小，本发明提出了一种排出器连杆13实际受力面积可变结构，从而实现在相同工况下通过排出器连杆13实际受力面积的改变，实现排出器受力大小的改变，最终达到调节排出器运动频率的目的。
进一步地，排出器连杆13实际受力面积可变结构包括至少一个由排出器连杆13与连杆气缸16配合形成的连杆实际受力面积调节腔17，图3示出了多种不同形式的连杆实际受力面积调节腔17。
图4a、图4b分别示出了一种由2段同轴心且具有不同直径dr1、dr2杆构成的排出器连杆13，及与排出器连杆13相配合的连杆气缸16，连杆气缸16具有与直径dr1、dr2杆配合的两个通孔dh1、dh2。
图3a示出了一种由上述排出器连杆13及连杆气缸16配合形成的连杆实际受力面积调节腔17，排出器连杆13插入连杆气缸16，dr1杆、dr2杆分别与dh1、dh2孔配合，dr1杆、dr2和dh2孔构成了一封闭的空间。进一步地，杆与对应的孔之间可以通过密封件26实现更好的密封，密封件26可以是橡胶密封圈、聚四氟乙烯密封圈等，该密闭的空间即为连杆实际受力面积调节腔17。
图3b示出了另一种连杆实际受力面积调节腔17，其中：排出器连杆13由3段同轴心且具有2种不同直径dr2、dr1、dr2杆构成，连杆气缸16具有和直径dr2杆配合的1个通孔dh2，dh2孔和3段同轴心杆构成了一个封闭空间，即连杆实际受力面积调节腔17。
图3c示出了另一种连杆实际受力面积调节腔17，其是在图3a基础上，dh1孔为非通孔，因此，除了两个dh1、dh2孔和两段dr1、dr2杆构成了第一个封闭空间即第一连杆实际受力面积调节腔171外，dh1孔和dr1杆还构成了第二个封闭空间即第二连杆实际受力面积调节腔172。
图3d示出了另一种连杆实际受力面积调节腔17，其中：排出器连杆13由2段杆构成且2段杆不同轴心，连杆气缸16具有两个与排出器连杆13中2段不同轴心杆配合的非通孔(或者说盲孔)，因此，2段不同轴心杆与2个非通孔构成2个连杆实际受力面积调节腔17，分别为连杆实际受力面积调节腔171、连杆实际受力面积调节腔172。与2段同轴心杆直径应不同的区别在于，2段不同轴心杆可以是相同直径，也可以是不同直径。
图3e示出了另一种连杆实际受力面积调节腔17，在图3d的基础上，其中一个孔为通孔，因此，2段不同轴心杆与2个孔只构成1个所述连杆实际受力面积调节腔17。
图3f示出了另一种连杆实际受力面积调节腔17，排出器连杆13仅具有一个直径，排出器连杆13与所连杆气缸16构成了一个连杆实际受力面积调节腔17。此种情况下，当连杆实际受力面积调节腔17与工作腔连通时，排出器连杆13两端没有作用力，为了驱动排出器连杆13往复运动，对于自由活塞的热驱动斯特林装置，需要为与此排出器连杆13连接的排出器配置电磁驱动机构25，通过电磁力驱动；对于具有传动机构23的热驱动斯特林装置，需要将传动机构23与排出器连杆13的连接点设在所述连杆气缸16与气缸隔板18之间，通过其他排出器连杆驱动传动机构23，然后由传动机构23驱动此排出器连杆13往复运动。
图3g示出了另一种连杆实际受力面积调节腔17，在图3a的基础上，排出器连杆13由3段同轴心且具有3种不同直径dr2、dr1、dr3杆构成，连杆气缸16具有与直径dr1、dr2、dr3杆配合的三个通孔dh1、dh2和dh3，构成2个连杆实际受力面积调节腔17，分别为连杆实际受力面积调节腔171、连杆实际受力面积调节腔172。
进一步地，如图5所示，所述连杆实际受力面积调节腔17具有至少1个连通孔21，所述连杆实际受力面积调节腔17通过该连通孔21与工作腔、缓冲腔15连通。需要指出的是，所述连杆气缸16可以是包括连杆气缸16本体和气缸隔板18构成，也可以是仅包括连杆气缸16，相应的，连通孔21可以位于连杆实际受力面积调节腔17的侧面或端面，或者连通孔21还可以位于排出器连杆13上，能够起到连通连杆实际受力面积调节腔17与工作腔、缓冲腔15即可。
进一步地，如图6所示，还包括第一开关阀221和第二开关阀222，第一开关阀221和第二开关阀222可以控制所述连杆实际受力面积调节腔17与工作腔、缓冲腔15之间的连通或断开。运行过程中，所述连杆实际受力面积调节腔17与工作腔连通时，所述连杆实际受力面积调节腔17与缓冲腔15断开连通；或所述连杆实际受力面积调节腔17与缓冲腔15连通时，所述连杆实际受力面积调节腔17与工作腔断开连通。
以图6为例说明所述排出器连杆实际受力面积可变结构实现排出器连杆实际受力面积可变的工作原理，其包括由2段直径dr1与dr2的杆构成的排出器连杆13、和与排出器连杆13配合的连杆气缸16，此时，连杆实际受力面积调节腔17与工作腔或缓冲腔只有通过dh1孔-dr1杆、dh2孔-dr2杆配合处的泄露，因此，当连杆实际受力面积调节腔17通过连通孔21、第一开关阀221和第二开关阀222和工作腔连通、并和缓冲腔断开时，由于连杆实际受力面积调节腔17内压力与工作腔相同，因此，排出器连杆实际受力面积A为：
Figure BDA0003780893210000071
而当连杆实际受力面积调节腔17和工作腔断开、并和缓冲腔连通时，由于连杆实际受力面积调节腔17内压力与缓冲腔腔相同，因此，排出器连杆实际受力面积A为：
Figure BDA0003780893210000072
优选地，还可以实现不同的可变排出器连杆实际受力面积A，图3c中的dr1杆与连杆气缸16的dh1孔构成第二连杆实际受力面积调节腔172，因此，同样是由2段直径dr1与dr2的杆构成，但是可以实现三种不同的排出器连杆13的实际受力面积，当dr1杆与连杆气缸构成的第二连杆实际受力面积调节腔172处于连通缓冲腔15-断开工作腔时、dr2杆与连杆气缸构成的第一连杆实际受力面积调节腔171处于连通工作腔-断开缓冲腔15时，排出器连杆13实际受力面积A为：
Figure BDA0003780893210000073
当dr1杆与连杆气缸16构成的第二连杆实际受力面积调节腔172处于连通缓冲腔-断开工作腔时、dr2杆与连杆气缸16构成的第一连杆实际受力面积调节腔171处于连通缓冲腔-断开工作腔时，排出器连杆13实际受力面积A为：
Figure BDA0003780893210000074
当dr1杆与连杆气缸16构成的第二连杆实际受力面积调节腔172处于连通工作腔-断开缓冲腔15时、dr2杆与连杆气缸16构成的第一连杆实际受力面积调节腔171处于连通缓冲腔15-断开工作腔时，排出器连杆13实际受力面积A为：
Figure BDA0003780893210000075
进一步地，为了实现更多不同的可变排出器连杆实际受力面积A，排出器连杆13还可以由具有更多不同直径杆构成及与各直径杆配合的连杆气缸16。图3g示出了一种排出器连杆13由3段直径dr1、dr2、dr3的杆构成、和与排出器连杆13配合的连杆气缸16，可以构成第一连杆实际受力面积调节腔171和第二连杆实际受力面积调节腔172，通过控制与缓冲腔15或工作腔之间的连通与断开，排出器连杆13实际受力面积A可以为：
Figure BDA0003780893210000076
Figure BDA0003780893210000077
Figure BDA0003780893210000081
Figure BDA0003780893210000082
优选地，所述排出器连杆13由2～5段杆构成，进一步地，dr2是dr1的1.05～3倍，进一步优选地，dr2是dr1的1.1～2倍。
进一步地，构成所述连杆实际受力面积调节腔17的杆dr1—孔dh1中，dr1杆与配合孔dh1的差值在(0～2mm之间)；dr2杆与配合孔dh2的差值在(0～2mm之间)；进一步优选地，所述差值在5～500μm之间；进一步优选地，当杆与对应的孔之间具有密封件26时，所述差值在50～500μm以上。此外，需要指出的是对如于图5所示的包含气缸隔板18的情况，配合孔dh2是气缸隔板18处孔的尺寸，而不是连杆气缸16处孔的直径d'h2。
进一步地，杆dr1的长度、孔dh1的深度，杆dr2的长度、孔dh2的深度，与对应的排出器行程之差在0～10cm之间，其中图7示出了排出器行程，即所述排出器连杆13中dr1、dr2杆的长度均大于等于对应排出器行程。
图8示出了一种基于传动机构的热驱动斯特林装置，所述第一排出器连杆131和所述第二排出器连杆132连接于传动机构23，所述传动机构23可以是曲柄连杆传动机构、菱形传动机构、苏格兰轭传动机构等，基于传动机构23的热驱动斯特林装置中，发动机排出器11和热泵排出器12保持固定的运行相位。
图8所示的是发动机排出器9和热泵排出器10同时具有排出器连杆实际受力面积可变结构，其中所述发动机排出器9的排出器连杆实际受力面积可变结构具有第一连杆实际受力面积调节腔171，所述热泵排出器10的排出器连杆实际受力面积可变结构具有第二连杆实际受力面积调节腔172。
进一步地，所述第一连杆实际受力面积调节腔171通过上侧的一组连通孔21、第一开关阀221和第二开关阀222连接，通过控制第一开关阀221与第一开关阀222，可以实现连杆实际受力面积调节腔171和工作腔、缓冲腔15之间的连通与断开。同样地，所述第二连杆实际受力面积调节腔172通过下侧的一组连通孔21、第一开关阀221和第二开关阀222连接，可以实现第二连杆实际受力面积调节腔172和工作腔、缓冲腔15之间的连通与断开。
其工作过程：当前工作状态下，上侧的第一开关阀221关闭、第二开关阀222开启，下侧的第一开关阀221关闭、第二开关阀222开启。当装置提供的热或冷负荷大于需求负荷时，上侧的第一开关阀221关闭、第二开关阀222开启，下侧的第一开关阀221开启、第二开关阀224关闭，因此，第二排出器连杆132实际受力面积减小，从而使得第二排出器连杆132所做的功减小，导致运行频率降低，最终减小向外提供的热或冷负荷；当经历一段时间后，装置提供的热或冷负荷低于需求负荷时，上侧的第一开关阀221关闭、第二开关阀阀222开启，下侧的第一开关阀221关闭、第二开关阀222开启，因此，第二排出器连杆132实际受力面积减小，从而使得第二排出器连杆132所做的功增大，导致运行频率提升，最终增大向外提供的热或冷负荷。
如图8b所示，热驱动斯特林装置还包括控制模块27，控制模块27与电磁驱动机构25、第一开关阀221、第二开关阀222等信号连接，并与检测相关压力或者温度或传动机构23的转速等的传感器保持信号连接，通过检测相关信号，自动控制相关开关阀的开启与关闭以及温度、输出负荷等参数控制。
当然在其他实施例中，所述发动机排出器9和热泵排出器10其中之一具有排出器连杆实际受力面积可变结构，优选地，所述发动机排出器连杆131或热泵排出器132中直径较大者具有排出器连杆实际受力面积可变结构。
进一步地，热驱动斯特林装置还包括电磁驱动机构25，所述电磁驱动机构25可以是电机或者电磁力线圈。优选地，所述电磁驱动机构25是电机，此时，电磁驱动机构25与传动机构23中旋转轴连接；或者，所述电磁驱动机构25为电磁力线圈，用于提供一个排出器运动方向的电磁力，从而驱动驱动排出器直线往复运动。
进一步地，当电价比较便宜时，以图8为例说明如何减小运行费用，上侧的第一开关阀221开启、第二开关阀222关闭，下侧的第一开关阀221开启、第二开关阀224关闭，此时，所述第一排出器连杆131和第二排出器连杆132实际受力面积处于最小，所述第一排出器连杆131和第二排出器连杆132运行频率降低，为了实现较高的运行频率，通过外界电源驱动电机提供额外的驱动力，驱动发动机排出器11与热泵排出器12运动，从而利用了较为便宜的电价，减少了燃料的消耗。
实施例二
图9示出了本发明自由活塞热驱动斯特林装置的另一种实施例，包括工作腔、发动机排出器11、热泵排出器12和缓冲腔15，其中，工作腔可以是低温腔1、低温换热器2、热泵回热器3、热泵室温换热器4、热泵室温腔5、发动机室温腔6、发动机室温换热器7、发动机回热器8、高温换热器9和高温腔10，自由活塞热驱动斯特林装置还包括排出器连杆13(排出器对应发动机排出器11、热泵排出器12)，所述发动机排出器11和热泵排出器12自由地直线运动。
进一步地，所述发动机排出器11和热泵排出器12都具有所述排出器连杆实际受力面积可变结构。所述发动机排出器11的排出器连杆13具有第一连杆实际受力面积调节腔171，所述热泵排出器12的排出器连杆13具有第二连杆实际受力面积调节腔172，第一连杆实际受力面积调节腔171、第二连杆实际受力面积调节腔172与工作腔、缓冲腔15连通与断开由上下两组开关阀控制(包括第一开关阀221、第二开关阀阀222)。
当所述第一连杆实际受力面积调节腔171和所述第二连杆实际受力面积调节腔172同时与缓冲腔15连通、工作腔断开时，此时所述第一排出器连杆131和所述第二排出器连杆132的实际受力面积处于最大，自由活塞热驱动斯特林装置运行在较高频率；当所述第一连杆实际受力面积调节腔171和所述第二连杆实际受力面积调节腔172同时与工作腔连通、缓冲腔15断开时，此时所述第一排出器连杆131和所述第二排出器连杆132的实际受力面积处于最小，自由活塞热驱动斯特林装置运行在较低频率。因此，图9所示的自由活塞热驱动斯特林装置实现了频率的变化。
进一步地，还包括电磁驱动机构25，所述电磁驱动机构25用于驱动排出器直线运动。进一步地，电磁驱动机构25可以是直线电机或简单的提供电磁力的电磁驱动机构，所述电磁驱动机构25可以位于工作腔或弹簧腔15内，也可以位于工作腔外，提供一个直线电磁拉力。
实施例三
图10示出了一种可以调节工作压力的热驱动斯特林装置，在实施例的一基础上，进一步还具有工质储罐24。当装置提供的热或冷负荷大于需求负荷时，通过降低工作腔内的平均压力来降低装置提供的热或冷负荷，其中，降低工作腔内平均压力过程由工作压力调节调节腔24、连杆实际受力面积调节腔17和两组开关阀完成。当热驱动斯特林装置工作压力较高导致输出负荷超过需求负荷时，连杆实际受力面积调节腔17发挥压缩作用，第一开关阀221或第二开关阀222中至少有一个阀相当于进气阀，当连杆实际受力面积调节腔17内压力高于工质储罐24时，连通连杆实际受力面积调节腔17与工质储罐24，部分工质被压缩到工作腔压力调节腔24，从而降低了工作腔内工作压力；同理，当需要增大工作压力时，在连杆实际受力面积调节腔17内压力低于工质储罐24过程中，连通连杆实际受力面积调节腔17与工质储罐24，部分工质从工作腔压力调节腔24被释放到工作腔或缓冲腔，从而增大了工作腔内工作压力。
进一步地，当冷端活塞朝着连杆实际受力面积调节腔17体积增大方向运行时(图10中即指向下)，第一开关阀221或第二开关阀222打开、第三开关阀223和第四开关阀224关闭，连杆实际受力面积调节腔17体积增大，工作腔或缓冲腔15内的工质流入连杆实际受力面积调节腔17；当冷端活塞向上时，第一开关阀221和第二开关阀222关闭，第三开关阀223关闭，连杆实际受力面积调节腔17内工质被压缩，当连杆实际受力面积调节腔17内工质压力达到某个值时，第三开关阀223打开，工质从连杆实际受力面积调节腔17流入工质储罐24，因此，工作腔与缓冲腔15内总的工质减少，从而降低了工作腔内平均压力；当装置提供的热或冷负荷小于需求负荷时，第三开关阀223打开，工质从工质储罐24流入连杆实际受力面积调节腔17，通过开启第一开关阀221或第二开关阀222，可将从工质储罐24释放出来的工质流入工作腔或缓冲腔15。
进一步地，工质储罐24具有进气阀241和排气阀242。进气阀241用于控制工质从连杆实际受力面积调节腔17流入工质储罐24的开启压力，排气阀242用于控制工质从工质储罐24向连杆实际受力面积调节腔17流入的开启压力。优选地，进气阀241和排气阀242为单向阀，此情况下，工作过程如下：
装置提供的热或冷负荷大于需求负荷时，通过降低工作腔内的平均压力来降低装置提供的热或冷负荷，当冷端活塞向下时，第一开关阀221或第二开关阀222打开、第三开关阀223和第四开关阀224关闭，连杆实际受力面积调节腔17体积增大，工作腔或缓冲腔15内的工质流入连杆实际受力面积调节腔17；当冷端活塞向上时，第一开关阀221和第二开关阀222关闭，第三开关阀223开启，连杆实际受力面积调节腔17内工质被压缩，当连杆实际受力面积调节腔17内工质压力达到某个值时，工质从连杆实际受力面积调节腔17经进气阀241流入工质储罐24，因此，工作腔与缓冲腔15内总的工质减少，从而降低了工作腔内平均压力；当装置提供的热或冷负荷小于需求负荷时，第三开关阀223关闭、第四开关阀224开启，工质从工质储罐24经排气阀242流入连杆实际受力面积调节腔17，通过开启第一开关阀221或第二开关阀222，可将从工质储罐24释放出来的工质流入工作腔或缓冲腔15。
调节装置工作压力可以与调节频率一起作用，减少频率的调节范围和调节频率。
实施例四
图11示出了一种上述热驱动斯特林装置的运行方法，通过控制缓冲腔15或工作腔和所述连杆实际受力面积调节腔17的连通与断开，可以调节热驱动斯特林装置的运动频率，从而调节热驱动斯特林装置的热负荷。
具体以图10为例，热泵排出器12的第二排出器连杆132由两段同轴且不同直径(dr1、dr2，其中dr2>dr1)的杆构成，为了实现在一定时间内高运动频率f2，控制所述连杆实际受力面积调节腔17连通缓冲腔15、断开工作腔；为了实现在一定时间内低运动频率f1(f1<f2)，控制所述连杆实际受力面积调节腔17连通工作腔、断开缓冲腔15，即可实现高运动频率f2的运行模式和低运动频率f1的运行模式，从而使得该装置具有2档频率调节，具体如下表所示：
工作腔 缓冲腔 频率 模式
连杆实际受力面积调节腔17 断开 连通 f2 高频
连杆实际受力面积调节腔17 连通 断开 f1 低频
进一步地，为了增加运动频率调节范围，可以增加不同直径杆的数量和孔的数量，如见图3g。当需要超高运动频率f3时，控制第一连杆实际受力面积调节腔171、第二连杆实际受力面积调节腔172连通缓冲腔15、断开工作腔；当需要高运动频率f2时，控制第二连杆实际受力面积调节腔172连通缓冲腔15且断开工作腔、控制第一连杆实际受力面积调节腔171连通工作腔且断开缓冲腔15，或控制第二连杆实际受力面积调节腔172连通工作腔且断开缓冲腔15、控制第一连杆实际受力面积调节腔171连通缓冲腔15且断开工作腔；当需要低运动频率f1时，控制第一连杆实际受力面积调节腔171、第二连杆实际受力面积调节腔172连通工作腔、断开缓冲腔15。
实施例五
图11和12示出了上述热驱动斯特林装置的运行方法，可以实现负荷无级控制，负荷无级控制方法是基于选择不同的连杆实际受力面积实现装置具有≥2档自然运行频率，负荷无级控制方法可以是以下任意一种：
(1)检测设定温度与实际温度之差，根据温度偏差计算需求运行频率fR，然后根据装置的运行频率f1和运行频率f2，计算t1和t2的运行时间长短，装置在f1频率下运行t1时间、在f2频率下运行t2时间(必要时可以多次循环交替)，通过控制t1和t2时间长短，使得装置在t1+t2时间内的输出负荷与需求负荷相等。
Figure BDA0003780893210000121
式中：t1、t2分别为运行频率f1和f2下的运行时间，Q1和Q2为运行频率f1和f2下的负荷输出。
进一步地，热驱动斯特林装置的最大运动频率f2(热端温度为700℃，温端和冷端为额定工况)≥15Hz，热驱动斯特林装置的最小运动频率f1(热端温度为500℃，温端和冷端为额定工况)≤10Hz。
更进一步地，t1和t2的运行时间不少于热驱动斯特林装置运行1个循环所需要的时间。优选地，0.1s≤t1≤1h，0.1s≤t2≤1h。
(2)根据需求负荷，从装置可供选择的运行频率(如上述的f1和f2)中选择最接近需求运行负荷的自然运行频率fi，自然运行频率fi与需求负荷对应需求运行频率fR之间的差值通过电磁驱动机构25来补充，从而实现装置提供的负荷与需求负荷平衡。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (11)

1.一种热驱动斯特林装置，包括工作腔、发动机排出器(11)、热泵排出器(12)和缓冲腔(15)，所述工作腔为低温腔(1)、低温换热器(2)、热泵回热器(3)、热泵室温换热器(4)、热泵室温腔(5)、发动机室温腔(6)、发动机室温换热器(7)、发动机回热器(8)、高温换热器(9)和高温腔(10)，所述发动机排出器(11)和所述热泵排出器(12)上设有排出器连杆(13)，所述排出器连杆(13)延伸至所述缓冲腔(15)内，其特征在于：
至少一个所述排出器连杆(13)位于所述缓冲腔(15)内的部分外周设有连杆气缸(16)，所述连杆气缸(16)与所述排出器连杆(13)之间形成密闭的连杆实际受力面积调节腔(17)，所述连杆实际受力面积调节腔(17)与对应的所述工作腔之间设有第一开关阀(221)，所述缓冲腔(15)与所述连杆实际受力面积调节腔(17)之间设有第二开关阀(222)。
2.根据权利要求1所述的热驱动斯特林装置，其特征在于：所述排出器连杆(13)包括至少两段同轴心的杆且相邻两段杆的直径不同，或所述排出器连杆(13)包括至少两段不同轴心的杆；所述连杆气缸(16)包括至少两个内孔并与各段杆一一对应布置。
3.根据权利要求2所述的热驱动斯特林装置，其特征在于：各段杆的长度与对应的排出器行程的差值为0至10cm，各所述内孔的长度与对应的排出器行程的差值为0至10cm，各段杆的直径与对应的内孔的直径的差值为0至2mm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热驱动斯特林装置，其特征在于：所述发动机排出器(11)和所述热泵排出器(12)上均设有排出器连杆(13)，两所述排出器连杆(13)之间设有传动机构(23)。
5.根据权利要求4所述的热驱动斯特林装置，其特征在于：两所述排出器连杆(13)的直径不同，所述连杆气缸(16)设于直径较大的排出器连杆(13)外周。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的热驱动斯特林装置，其特征在于：还包括用于驱动排出器运动的电磁驱动机构(25)。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的热驱动斯特林装置，其特征在于：还包括工质储罐(24)，所述工质储罐(24)与所述连杆实际受力面积调节腔(17)之间设有第三开关阀(223)。
8.根据权利要求7所述的热驱动斯特林装置，其特征在于：所述工质储罐(24)与所述连杆实际受力面积调节腔(17)之间还设有第四开关阀(224)，所述第三开关阀(223)与所述工质储罐(24)之间设有进气阀(241)，所述第四开关阀(224)与所述工质储罐(24)之间设有排气阀(242)。
9.一种权利要求1至8中任一项所述的热驱动斯特林装置的运行方法，其特征在于：包括低频率模式和高频率模式：
低频率模式运行时，连杆实际受力面积调节腔(17)与缓冲腔(15)断开并与对应的工作腔连通；
高频率模式运行时，连杆实际受力面积调节腔(17)与缓冲腔(15)连通并与对应的工作腔断开。
10.根据权利要求9所述的热驱动斯特林装置的运行方法，其特征在于：在低频率模式f1频率下运行t1时间、在高频率模式f2频率下运行t2时间，通过控制t1和t2时间长短，使得装置在t1+t2时间内的输出负荷与需求负荷相等；
或，先计算需求运行频率fR，然后选择最接近需求运行频率fR的运行频率fi，需求运行频率fR与自然运行频率fi之间的差值通过电磁驱动机构(25)来补充，使得装置运行频率为fR。
11.一种权利要求7或8所述的热驱动斯特林装置的运行方法，其特征在于：包括工作压力调节：当工作压力较高导致输出负荷超过需求负荷时，在连杆实际受力面积调节腔(17)体积减小过程中，第一开关阀(221)与第二开关阀(222)关闭，当连杆实际受力面积调节腔(17)压力高于工质储罐(24)时，第三开关阀(223)开启，工质储罐(24)与连杆实际受力面积调节腔(17)连通；在连杆实际受力面积调节腔(17)体积增大过程中，第一开关阀(221)或第二开关阀(222)开启，第三开关阀(223)关闭，工质储罐(24)与连杆实际受力面积调节腔(17)断开连通。
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