CN115539241A - 一种两级自由活塞斯特林发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种两级自由活塞斯特林发电机，包括：第一气缸；动力活塞；配气活塞组件，其包括位于第一气缸内的第二配气活塞、第一配气活塞以及连接第一配气活塞、第二配气活塞之间的弹性件；换热组件。本发明的斯特林发电机，借助弹性件的滞后作用使第一配气活塞的运动滞后于第二配气活塞一定的相位角，有助于大部分气体工质与第二加热器进行充分的热交换，提高发电机的运行效率；借助弹性件的滞后作用使两个配气活塞的运动之间存在一定的相位角，从而利用配气活塞的运动推动气体工质先通过第二回热器进入第二膨胀腔，再通过第一回热器进入第一膨胀腔，分别吸收第二加热器和第一加热器中的热量，进而提高发电机的效率。

Description

一种两级自由活塞斯特林发电机

技术领域

本发明涉及斯特林发电机技术领域，尤其涉及一种两级自由活塞斯特林发电机。

背景技术

随着人口的持续增长以及人们生活水平的提高，对能源的需求量日益增加，化石能源日渐枯竭；与此同时，化石能源的使用也导致了全球变暖以及气候变化等问题。上述矛盾促使人们开始探索新的替代能源，这就需要更加有效的能源利用方式。随着全球能源与环保的形势日趋严峻，斯特林发动机由于其具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视。

斯特林发电机，是一种外部加热的闭式循环活塞式发电机。活塞式斯特林发电机是斯特林发电机的一个重要分支，是一种靠活塞往复运动实现热力循环的动力装置。而传统的两级谐波往复式自由活塞斯特林发电机采用单一的两级配气活塞，两级活塞运动相位相同，因此只能推动部分工质气体在两级热交换器之间流动，且该部分气体与中间及换热器的换热并不充分，而其余工质气体只能吸收中间换热器的热量并向外膨胀，这导致输入发电机的热量得不到充分利用，降低整个发电机的工作效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种两级自由活塞斯特林发电机，解决或至少部分解决现有技术中存在的技术缺陷。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明提出了一种两级自由活塞斯特林发电机，包括：

第一气缸；

动力活塞，其位于所述第一气缸内并可在所述第一气缸内做往复运动；

配气活塞组件，其包括位于所述第一气缸内的第二配气活塞、第一配气活塞以及连接所述第一配气活塞、所述第二配气活塞之间的弹性件，所述第一配气活塞、所述第二配气活塞均可在所述第一气缸内做往复运动，所述第二配气活塞靠近所述动力活塞，所述动力活塞与所述第二配气活塞之间形成压缩腔，所述第一配气活塞与所述第一气缸内壁之间形成第一膨胀腔，所述第一配气活塞、所述第二配气活塞之间形成第二膨胀腔；

换热组件，其包括设置于第一气缸外的相互串联并连通的第一加热器、第一回热器、第二加热器、第二回热器以及冷却器，所述第一加热器连通所述第一膨胀腔，所述第二加热器连通所述第二膨胀腔，所述冷却器连通所述压缩腔。

优选的是，所述的两级自由活塞斯特林发电机，还包括：

动力活塞板弹簧，其固定在所述第一气缸内；

动力活塞杆，其一端与所述动力活塞板弹簧连接、另一端与所述动力活塞连接。

优选的是，所述的两级自由活塞斯特林发电机，还包括：

配气活塞板弹簧，其固定在所述第一气缸内；

配气活塞杆，其一端与所述配气活塞板弹簧连接、另一端穿过所述动力活塞并与所述第二配气活塞连接。

优选的是，所述的两级自由活塞斯特林发电机，还包括：

配气活塞板弹簧，其固定在所述第一气缸内；

配气活塞杆，其一端与所述配气活塞板弹簧连接，另一端穿过所述动力活塞杆、所述动力活塞并与所述第二配气活塞连接。

优选的是，所述的两级自由活塞斯特林发电机，所述弹性件为弹簧。

优选的是，所述的两级自由活塞斯特林发电机，还包括直线电机，所述直线电机安装在所述第一气缸外部，所述直线电机与所述动力活塞连接。

第二方面，本发明还提供了一种两级自由活塞斯特林发电机，包括：

第二气缸，其内设有动力活塞，所述动力活塞可在所述第二气缸内做往复运动；

第三气缸，其与所述第二气缸连通；

配气活塞组件，其包括位于所述第三气缸内第二配气活塞、第一配气活塞以及连接所述第一配气活塞、所述第二配气活塞之间的弹性件，所述第一配气活塞、所述第二配气活塞均可在所述第三气缸内做往复运动，所述第二配气活塞靠近所述动力活塞，所述动力活塞与所述第二配气活塞之间形成压缩腔，所述第一配气活塞与所述第三气缸内壁之间形成第一膨胀腔，所述第一配气活塞、所述第二配气活塞之间形成第二膨胀腔；

换热组件，其包括设置于第三气缸外的相互串联并连通的第一加热器、第一回热器、第二加热器、第二回热器以及冷却器，所述第一加热器连通所述第一膨胀腔，所述第二加热器连通所述第二膨胀腔，所述冷却器连通所述压缩腔。

本发明的一种两级自由活塞斯特林发电机相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)本发明的两级自由活塞斯特林发电机，包括第一配气活塞、第二配气活塞，且第一配气活塞和第二配气活塞之间通过弹性件连接，借助弹性件的滞后作用使第一配气活塞的运动滞后于第二配气活塞一定的相位角，有助于大部分气体工质与第二加热器进行充分的热交换，提高发电机的运行效率；同时本发明的两级自由活塞斯特林发电机，还包括第一膨胀腔、第二膨胀腔，借助弹性件的滞后作用使两个配气活塞的运动之间存在一定的相位角，从而利用配气活塞的运动推动气体工质先通过第二回热器进入第二膨胀腔，再通过第一回热器进入第一膨胀腔，分别吸收第二加热器和第一加热器中的热量，进而提高发电机的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明其中一个实施例中两级自由活塞斯特林发电机的结构示意图；

图2为本发明另一个实施例中两级自由活塞斯特林发电机的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本申请的限制。

如图1所示，本申请实施例提供了一种两级自由活塞斯特林发电机，包括：

第一气缸1；

动力活塞2，其位于第一气缸1内并可在第一气缸1内做往复运动；

配气活塞组件3，其包括位于第一气缸1内的第二配气活塞32、第一配气活塞31以及连接第一配气活塞31、第二配气活塞32之间的弹性件33，第一配气活塞31、第二配气活塞32均可在第一气缸1内做往复运动，第二配气活塞32靠近动力活塞2，动力活塞2与第二配气活塞32之间形成压缩腔11，第一配气活塞31与第一气缸1内壁之间形成第一膨胀腔12，第一配气活塞31、第二配气活塞32之间形成第二膨胀腔13；

换热组件，其包括设置于第一气缸1外的相互串联并连通的第一加热器4、第一回热器5、第二加热器6、第二回热器7以及冷却器8，第一加热器4连通第一膨胀腔12，第二加热器6连通第二膨胀腔13，冷却器8连通压缩腔11。

需要说明的是，本申请实施例中，动力活塞2以及第二配气活塞32、第一配气活塞31均位于第一气缸1内并且可在第一气缸1内做往复运动，动力活塞2与第一气缸1之间滑动密封，第二配气活塞32、第一配气活塞31与第一气缸1之间间隙密封，第一配气活塞31与第一气缸1内壁之间形成第一膨胀腔12，第一配气活塞31、第二配气活塞32之间形成第二膨胀腔13，动力活塞2与第二配气活塞32之间形成压缩腔11，第一膨胀腔12、第二膨胀腔13以及压缩腔11统称为工作腔，工作时工作腔内充满气体工质，气体工质具体可为氦气、氩气、氢气、氮气、空气等；工作时，气体工质在压缩腔11，第一膨胀腔12、第二膨胀腔13中往复流动，并推动动力活塞2、第二配气活塞32、第一配气活塞31往复运动。由于第二配气活塞32和第一配气活塞31之间采用弹性件33进行连接，由于弹性件33的滞后作用导致两个配气活塞运动的相位不同，即第一配气活塞31的运动滞后于第二配气活塞32一定的相位角，有助于大部分气体工质与第二加热器6进行充分的热交换，提高发电机的运行效率。具体的，工作时，气体工质在第一加热器4内被外部高温热源加热；气体工质在第二加热器6内被外部低温热源加热，即本申请中对第一加热器4加热的外部热源温度高于对第二加热器6加热的外部热源温度，即第二加热器6为低温级加热器，而第一加热器4为高温级加热器；第一回热器5、第二回热器7均为蓄热回热器，具体的，该蓄热回热器均为在金属套管中设置的多孔金属介质，例如可为多孔不锈钢、镍等多孔金属介质，第一回热器5、第二回热器7吸收流过的高温气体工质，并将热量释放给反向流过的低温气体工质；气体工质在冷却器8内被外部冷源冷却。在使用中，温度较高的热量被提供给第一加热器4，而温度较低的热量被提供给第二加热器6，上述功能依靠第二配气活塞32、第一配气活塞31来实现，该第二配气活塞32、第一配气活塞31通过串联的第一加热器4、第一回热器5、第二加热器6置换气体工质，第一加热器4、第二加热器6在不同的温度下工作，较低温度的热量可以是来自主燃烧器的废气，也可以是用于热电联产装置时其他过程的余热，这种结构可以减小第一加热器4的体积，降低发电机的质量和成本。

本申请的两级自由活塞斯特林发电机，包括第一加热器4和第二加热器6，两级加热器所用的热源温度不同，两级加热器所使用的外部热源可以是日常生活或工业生产过程中产生的不同类型或不同温区的废热资源，也可以借助热回收装置将第一加热器4或发电机高温部分产生的热损失引入第二加热器6进行回收利用，从而提高能源的利用效率，使系统结构更加紧凑。

本申请的两级自由活塞斯特林发电机的工作过程如下：工作前在第一气缸1的工作腔内充满一定压力的气体工质，初始时刻，动力活塞2位于上止点，此时工作腔内的气体工质压力最高，第一膨胀腔12和第二膨胀腔13内的气体工质吸收来自第一加热器4和第二加热器6的外部热量，高压气体受热膨胀，推动动力活塞2向下止点运动。工作腔气体压力降低，但是由于热量的不断输入，使得此膨胀过程接近等温膨胀过程；之后，第二配气活塞32和第一配气活塞31向上止点运动，但是由于弹性件33的作用，第一配气活塞31的运动滞后于第二配气活塞32一定的相位角。第一配气活塞31推动气体工质由第一膨胀腔12通过第一回热器5进入第二膨胀腔13，在第二膨胀腔13内吸收来自第二加热器6的外部热量，推动动力活塞2继续向下止点运动，第二配气活塞32推动气体工质由第二膨胀腔13通过第二回热器7进入压缩腔11。气体在第一回热器5、第二回热器7内完成放热过程，将热量传递给第一回热器5、第二回热器7内的多孔金属介质，动力活塞2运动到下止点并转向上止点运动，这个过程中动力活塞运动到下止点并转向上止点运动，工作腔体积变化很小，近似为等容过程；接着，第二配气活塞32和第一配气活塞31相继运动到上止点并换向开始往下止点运动，第一配气活塞31的运动仍然滞后于第二配气活塞32一定的相位角，同时动力活塞2继续向上止点运动，气体在压缩腔11中被压缩，压缩热由冷却器8向外散出，从而实现等温压缩过程；之后，动力活塞2到达上止点并换向开始往下止点运动，第二配气活塞32的运动推动气体工质由压缩腔11反向通过第二回热器7进入第二膨胀腔13，气体工质在第二膨胀腔13内吸收来自第二加热器6的外部热量，接着在第一配气活塞31的作用下反向通过第一回热器5进入第一膨胀腔12，该过程近似为等容升温过程；最后，动力活塞2又开始向下止点运动，进行等温膨胀过程，发电机工作腔内的气体开始进行新一轮的循环。本申请的两级自由活塞斯特林发电机，第二配气活塞32和第一配气活塞31之间通过弹性件33连接，借助弹性件33的滞后作用使两个配气活塞的运动之间存在一定的相位角，从而利用配气活塞的运动推动气体工质先通过第二回热器7进入第二膨胀腔13，再通过第一回热器5进入第一膨胀腔12，分别吸收第二加热器6和第一加热器4中的热量，进而提高发电机的效率。

具体的，在一些实施例中，第一加热器4、第一回热器5、第二加热器6、第二回热器7以及冷却器8均套设在第一气缸1外周并且相互串联并连通。

在一些实施例中，还包括：

动力活塞板弹簧21，其固定在第一气缸1内；

动力活塞杆22，其一端与动力活塞板弹簧21连接、另一端与动力活塞2连接。

在本申请实施例中，动力活塞板弹簧21为不少于一片的弹簧钢叠加组合而成的板状弹簧。动力活塞板弹簧21用于支撑动力活塞2，在动力活塞2的往复移动过程中，动力活塞板弹簧21会产生形变，从而对动力活塞2的移动起到控制作用。

在一些实施例中，还包括：

配气活塞板弹簧23，其固定在第一气缸1内；

配气活塞杆24，其一端与配气活塞板弹簧23连接、另一端穿过动力活塞2并与第二配气活塞32连接。

在本申请实施例中，配气活塞板弹簧23为不少于一片的弹簧钢叠加组合而成的板状弹簧。配气活塞板弹簧23用于支撑第二配气活塞32，在第二配气活塞32的往复移动过程中，配气活塞板弹簧23会产生形变，从而对第二配气活塞32的移动起到控制作用。

在一些实施例中，还包括：

配气活塞板弹簧23，其固定在第一气缸1内；

配气活塞杆24，其一端与配气活塞板弹簧23连接，另一端穿过动力活塞杆22、动力活塞2并与第二配气活塞32连接。

在一些实施例中，弹性件33为弹簧。具体的弹簧可为钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、弹簧管、橡胶弹簧等。

在一些实施例中，还包括直线电机14，直线电机14安装在第一气缸1外部，直线电机14与动力活塞2相连。在本申请实施例中，动力活塞2与直线电机14连接，动力活塞2的往复运动带动直线电机产生电能。

在一些实施例中，如图2所示，本发明还提供了一种两级自由活塞斯特林发电机，包括：

第二气缸9，其内设有动力活塞2，动力活塞2可在第二气缸9内做往复运动；

第三气缸91，其与第二气缸9连通；

配气活塞组件3，其包括位于第三气缸91内第二配气活塞32、第一配气活塞31以及连接第一配气活塞31、第二配气活塞32之间的弹性件33，第一配气活塞31、第二配气活塞32均可在第三气缸91内做往复运动，第二配气活塞32靠近动力活塞2，动力活塞2与第二配气活塞32之间形成压缩腔11，第一配气活塞31与第三气缸91内壁之间形成第一膨胀腔12，第一配气活塞31、第二配气活塞32之间形成第二膨胀腔13；

换热组件，其包括设置于第三气缸91外的相互串联并连通的第一加热器4、第一回热器5、第二加热器6、第二回热器7以及冷却器8，第一加热器4连通第一膨胀腔12，第二加热器6连通第二膨胀腔13，冷却器8连通压缩腔11。

在本申请实施例中，动力活塞2和第二配气活塞32、第一配气活塞31分别位于不同的气缸内，具体的，动力活塞2位于第二气缸9内，第二配气活塞32、第一配气活塞31均位于第三气缸91内，第二气缸9与第三气缸91通过导管连通，具体的工作原理请参考上述实施例。

具体的，在本申请实施例中同样设置有动力活塞板弹簧21、动力活塞杆22、配气活塞板弹簧23和配气活塞杆24；其中，动力活塞板弹簧21固定在第二气缸9内，动力活塞杆22一端与动力活塞板弹簧21连接、另一端与动力活塞2连接；配气活塞板弹簧23固定在第三气缸91，配气活塞杆24一端与配气活塞板弹簧23连接、另一端与第二配气活塞32连接。

在一些实施例中，还包括直线电机14，直线电机14安装在第二气缸9外部，直线电机14与动力活塞2相连。在本申请实施例中，动力活塞2与直线电机14连接，动力活塞2的往复运动带动直线电机产生电能。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种两级自由活塞斯特林发电机，其特征在于，包括：

第一气缸；

动力活塞，其位于所述第一气缸内并可在所述第一气缸内做往复运动；

配气活塞组件，其包括位于所述第一气缸内的第二配气活塞、第一配气活塞以及连接所述第一配气活塞、所述第二配气活塞之间的弹性件，所述第一配气活塞、所述第二配气活塞均可在所述第一气缸内做往复运动，所述第二配气活塞靠近所述动力活塞，所述动力活塞与所述第二配气活塞之间形成压缩腔，所述第一配气活塞与所述第一气缸内壁之间形成第一膨胀腔，所述第一配气活塞、所述第二配气活塞之间形成第二膨胀腔；

换热组件，其包括设置于第一气缸外的相互串联并连通的第一加热器、第一回热器、第二加热器、第二回热器以及冷却器，所述第一加热器连通所述第一膨胀腔，所述第二加热器连通所述第二膨胀腔，所述冷却器连通所述压缩腔。

2.如权利要求1所述的两级自由活塞斯特林发电机，其特征在于，还包括：

动力活塞板弹簧，其固定在所述第一气缸内；

动力活塞杆，其一端与所述动力活塞板弹簧连接、另一端与所述动力活塞连接。

3.如权利要求1所述的两级自由活塞斯特林发电机，其特征在于，还包括：

配气活塞板弹簧，其固定在所述第一气缸内；

配气活塞杆，其一端与所述配气活塞板弹簧连接、另一端穿过所述动力活塞并与所述第二配气活塞连接。

4.如权利要求2所述的两级自由活塞斯特林发电机，其特征在于，还包括：

配气活塞板弹簧，其固定在所述第一气缸内；

配气活塞杆，其一端与所述配气活塞板弹簧连接，另一端穿过所述动力活塞杆、所述动力活塞并与所述第二配气活塞连接。

5.如权利要求1所述的两级自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述弹性件为弹簧。

6.如权利要求1所述的两级自由活塞斯特林发电机，其特征在于，还包括直线电机，所述直线电机安装在所述第一气缸外部，所述直线电机与所述动力活塞连接。

7.一种两级自由活塞斯特林发电机，其特征在于，包括：

第二气缸，其内设有动力活塞，所述动力活塞可在所述第二气缸内做往复运动；

第三气缸，其与所述第二气缸连通；

配气活塞组件，其包括位于所述第三气缸内第二配气活塞、第一配气活塞以及连接所述第一配气活塞、所述第二配气活塞之间的弹性件，所述第一配气活塞、所述第二配气活塞均可在所述第三气缸内做往复运动，所述第二配气活塞靠近所述动力活塞，所述动力活塞与所述第二配气活塞之间形成压缩腔，所述第一配气活塞与所述第三气缸内壁之间形成第一膨胀腔，所述第一配气活塞、所述第二配气活塞之间形成第二膨胀腔；

换热组件，其包括设置于第三气缸外的相互串联并连通的第一加热器、第一回热器、第二加热器、第二回热器以及冷却器，所述第一加热器连通所述第一膨胀腔，所述第二加热器连通所述第二膨胀腔，所述冷却器连通所述压缩腔。

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