CN117514513A - 一种斯特林发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及斯特林发电机技术领域，提供一种斯特林发电机，包括斯特林发动机，斯特林发动机包括前端壳体、加热组件、回热器和冷却组件，前端壳体的内部设有活塞腔，加热组件、回热器和冷却组件沿活塞腔的轴向依次设置于活塞腔的外侧，加热组件和冷却组件中的至少一个包括换热管，多根换热管环绕活塞腔排列设置，且每根换热管沿活塞腔的轴向延伸，活塞腔与换热管连通，加热组件、回热器和冷却组件依次连通。减小前端壳体的直径，降低前端壳体的热应力，有效缓解热应力集中的情况。保障发电机性能的同时，能够有效改善发电机结构中前端壳体应力集中的问题，增强发电机前端壳体材料的寿命，进而推动大功率空间电源的建设。

Description

一种斯特林发电机

技术领域

本发明涉及斯特林发电机技术领域，提供一种斯特林发电机。

背景技术

自由活塞斯特林发电机采用斯特林循环，利用加热器吸收外部热源热量转换为功，并将多余热量通过冷却器释放。加热器、回热器、冷却器等换热部件轴向安装于发电机前端壳体中，前端壳体一端处于高温，一端处于低温，加热器和冷却器的温差会使得发电机的前端壳体产生极大的热应力，即前端壳体与换热器材料热膨胀系数的差异对壳体产生了极大的热应力，且随着发电机的直径越大，壳体直径的增加，该热应力集中的问题越严重，而目前市面上的材料难以满足应力与寿命需求。同时发电机壳体内充满高压的气体工质，发电机运行时产生高频振荡的压力波，增大了发电机前端壳体所受应力。应力问题极大限制了自由活塞斯特林发电机向大功率的发展，影响了空间大功率斯特林发电站的建设，故需对发电机结构适当改进以降低应力。

目前减小应力有以下几种方法：1)降低气体压力；2)增加壳体厚度；3)降低热端温度。通过模拟可知，前端壳体所受应力中热应力为主要因素，降低气体压力对降低前端壳体应力作用不大。增加壳体厚度虽然一定程度上能降低前端壳体应力，但壳体的增厚大幅增大了热损失，降低发电机的效率。目前自由活塞斯特林发电机向高温区发展，这意味着发电机的热端温度需进一步提升。同时降低发电机热端温度对发电机的效率产生负面作用，综上所述，上述方法均不可行。

发明内容

本发明提供一种斯特林发电机，用以解决现有技术中存在的技术问题之一，实现在保障发电机性能的前提下，降低前端壳体的热应力的效果，有效缓解热应力集中的问题。

本发明提供一种斯特林发电机，包括斯特林发动机，所述斯特林发动机包括前端壳体、加热组件、回热器和冷却组件，所述前端壳体的内部设有活塞腔，所述加热组件、所述回热器和所述冷却组件沿所述活塞腔的轴向依次设置于所述活塞腔的外侧，所述加热组件和所述冷却组件中的至少一个包括换热管，多根所述换热管环绕所述活塞腔排列设置，且每根所述换热管沿所述活塞腔的轴向延伸，所述活塞腔与所述换热管连通，所述加热组件、所述回热器和所述冷却组件依次连通。

根据本发明提供的一种斯特林发电机，所述换热管为狭缝式换热器。

根据本发明提供的一种斯特林发电机，所述前端壳体包括外壳体和内壳体，所述外壳体套设于所述内壳体的外侧，所述内壳体的内部围设出所述活塞腔，所述内壳体与所述前端壳体之间围设出换热通道，所述活塞腔的两端分别与所述换热通道的两端连通，所述加热组件、所述回热器和所述冷却组件设置于所述换热通道内。

根据本发明提供的一种斯特林发电机，所述加热组件还包括热源，在所述加热组件包括所述换热管的情况下，所述热源套设于所述换热管外侧。

根据本发明提供的一种斯特林发电机，所述热源为流体热源，所述外壳体在对应所述换热管的位置设有第一腔室，所述流体热源设置于所述第一腔室内。

根据本发明提供的一种斯特林发电机，所述冷却组件还包括冷源，在所述冷却组件包括所述换热管的情况下，所述冷源套设于所述换热管外侧。

根据本发明提供的一种斯特林发电机，所述冷源为流体冷源，所述外壳体在对应所述换热管的位置设有第二腔室，所述流体冷源设置于所述第二腔室内。

根据本发明提供的一种斯特林发电机，所述外壳体靠近所述加热组件的一端为封闭端，所述活塞腔在所述封闭端通过流道与所述换热通道连通。

根据本发明提供的一种斯特林发电机，所述斯特林发动机还包括后端壳体、活塞装置和弹簧组件，所述活塞装置设置于所述活塞腔内，所述后端壳体与所述前端壳体连接，所述弹簧组件设置于所述后端壳体内，所述活塞装置与所述弹簧组件连接。

根据本发明提供的一种斯特林发电机，还包括直线电机，所述直线电机设置于所述后端壳体内，且位于所述冷却组件与所述弹簧组件之间。

本发明提供的斯特林发电机，加热组件和冷却组件中的至少一个包括换热管，多个换热管轴向延伸，且紧密排列环绕设置在活塞腔的外侧，即通过使用若干个直径较小的换热管环绕排列成一个环形整体替代一个直径较大的一体式换热器，使本发明的换热结构与气体工质的换热面积相较于一体式的换热器大幅提升，冷热端换热能力更强。同时该结构有助于减小前端壳体的直径，降低前端壳体的热应力，热应力集中的情况得到缓解，在保障发电机性能的同时，能够有效改善发电机结构中前端壳体应力集中的问题，增强发电机前端壳体材料的寿命，进而推动大功率空间电源的建设。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。

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地介绍，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是本发明提供的斯特林发电机的结构示意图之一；

图2是本发明提供的斯特林发电机的结构示意图之二；

图3是本发明提供的斯特林发电机的换热管的横截面结构示意图；

附图标记：

100、前端壳体；110、活塞腔；120、外壳体；130、内壳体；140、换热通道；150、流道；111、膨胀区；112、压缩区；121、第一腔室；122、第二腔室；

200、加热组件；300、回热器；400、冷却组件；500、换热管；

600、活塞装置；610、配气活塞；620、动力活塞；

700、后端壳体；710、缓冲区；

800、直线电机；

900、弹簧组件；910、配气活塞板弹簧；920、动力活塞板弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

此外，在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供的斯特林发电机，包括斯特林发动机，斯特林发动机包括前端壳体100、加热组件200、回热器300和冷却组件400，前端壳体100的内部设有活塞腔110，加热组件200、回热器300和冷却组件400沿活塞腔110的轴向依次设置于活塞腔110的外侧，加热组件200和冷却组件400中的至少一个包括换热管500，多根换热管500环绕活塞腔110排列设置，且每根换热管500沿活塞腔110的轴向延伸，活塞腔110与换热管500连通，加热组件200、回热器300和冷却组件400依次连通。

本发明实施例的斯特林发电机，前端壳体100的内部构造出活塞腔110，活塞装置600在活塞腔110内可往复移动，在活塞腔110内形成气体工质的膨胀区111和压缩区112，加热组件200、冷却组件400和回热器300设置在前端壳体100内部，且加热组件200对应设置在膨胀区111外侧，冷却组件400对应设置在压缩区112外侧，加热组件200与冷却组件400之间设置回热器300。

首先，动力活塞620从下止点开始与配气活塞610同时向膨胀区111方向运行，使气体在压缩区112内被压缩，并通过冷却组件400向外界放热。

动力活塞620继续向膨胀区111方向运行，配气活塞610向缓冲区710方向运行，气体从压缩区112流经回热器300进入膨胀区111，流经回热器300时将热量释放给回热器300，流经加热组件200时吸收热量。

气体吸收加热组件200的热量在膨胀区111内膨胀，使配气活塞610继续向缓冲区710方向运行，并推动动力活塞620向缓冲区710方向运行。

最后，动力活塞620继续向缓冲区710方向运行，配气活塞610向膨胀区111方向运行，气体从膨胀区111流经回热器300进入压缩区112，途中将热量释放给回热器300，降温后的气体工质进入冷却组件400，气体温度进一步降低后进入压缩区112。

完成上述一个循环过程后，热能被转化为机械能，并由动力活塞620带动直线电机800的动子切割磁感线，向外输出电能。动力活塞620与配气活塞610做简谐振动，并且配气活塞610的相位超前于动力活塞620。

本发明的加热组件200和冷却组件400中的至少一个包括换热管500，多个换热管500轴向延伸，且紧密排列环绕设置在活塞腔110的外侧，即通过使用若干个直径较小的换热管500环绕排列成一个环形整体替代一个直径较大的一体式换热器，使本发明的换热结构与气体工质的换热面积相较于一体式的换热器大幅提升，冷热端换热能力更强。该结构有助于减小前端壳体100的直径，降低前端壳体100的热应力，热应力集中的情况得到缓解，在保障发电机性能的同时，能够有效改善发电机结构中前端壳体100应力集中的问题，增强发电机前端壳体100材料的寿命，进而推动大功率空间电源的建设。

本实施例中，回热器300和加热组件200、冷却组件400同轴设置，且回热器300的内部填充有圆形的金属填料，随着活塞装置600的往复运动能够起周期性吸收释放气体工质热量的作用。

根据本发明提供的一个实施例，换热管500为狭缝式换热器。本实施例中，可仅加热组件200包括狭缝式换热器，也可仅冷却组件400包括狭缝式换热器，还可加热组件200与冷却组件400均包括狭缝式换热器。狭缝式换热器采用导热性能高的无氧铜作为材料，气体与换热管500充分接触换热，狭缝式换热器可以根据换热需求自行设计，满足换热面积即可。

加热组件200由多个小直径的狭缝式换热器组成，安装在前端壳体100内活塞腔110外侧，活塞腔110的膨胀区111内的气体工质通过狭缝式换热器进入回热器300中。冷却器由多个小直径的狭缝式换热器组成，安装在前端壳体100内活塞腔110外侧，回热器300内的气体工质流经狭缝式换热器进入压缩区112中。

本实施例中，采用狭缝式换热器结构能够最大程度的增加气体工质的换热面积，进一步提高冷热端换热效率。在其它实施例中，还可采取其它结构类型的换热管500，保证有效的热交换面积和材质热应力满足要求即可。

根据本发明提供的一个实施例，前端壳体100包括外壳体120和内壳体130，外壳体120套设于内壳体130的外侧，内壳体130的内部围设出活塞腔110，内壳体130与前端壳体100之间围设出换热通道140，活塞腔110的两端分别与换热通道140的两端连通，加热组件200、回热器300和冷却组件400设置于换热通道140内。本实施例中，内壳体130设置于外壳体120内侧，且与外壳体120同轴设置，内壳体130内部构造成活塞腔110，内壳体130与外壳体120之间的空间构成环形换热通道140，加热组件200、回热器300和冷却组件400沿膨胀区111至压缩区112的方向依次设置于换热通道140内，活塞腔110的膨胀区111和压缩区112分别与换热通道140的两端连通，气体工质可在换热通道140内流动。

根据本发明提供的一个实施例，加热组件200还包括热源，在加热组件200包括换热管500的情况下，热源套设于换热管500外侧。本实施例中，膨胀区111内的气体工质进入换热管500，换热管500外侧套设热源，气体工质在换热管500内吸收热源的热量，热源设置在直径较小环绕排列的多个换热管500外侧，热量能有效传递至换热管500上，增强了换热管500的换热能力。

根据本发明提供的一个实施例，热源为流体热源，外壳体120在对应换热管500的位置设有第一腔室121，流体热源设置于第一腔室121内。本实施例中，外壳体120在对应加热组件200的换热管500的位置构造出环形的第一腔室121，高温的流体热源在第一腔室121内流动，即流体热源在外壳体120的外壁面流动，与换热管500充分接触，向换热管500内的气体工质传递热量进行热交换，热源的热量能有效传递至换热管500上，增强了换热管500的换热能力。

本实施例中，流体热源可为液态金属。在其它实施例中，热源还可采用钠钾流体等。

根据本发明提供的一个实施例，冷却组件400还包括冷源，在冷却组件400包括换热管500的情况下，冷源套设于换热管500外侧。本实施例中，回热器300内的气体工质进入换热管500，换热管500外侧套设冷源，在回热器300内气体工质释放热量后，进入换热管500内吸收冷源的冷量，即气体工质进一步放热，冷源吸收热量。冷源设置在直径较小环绕排列的多个换热管500外侧，冷量能有效传递至换热管500上，增强了换热管500的换热能力。

根据本发明提供的一个实施例，冷源为流体冷源，外壳体120在对应换热管500的位置设有第二腔室122，流体冷源设置于第二腔室122内。本实施例中，外壳体120在对应冷却组件400的换热管500的位置构造出环形的第二腔室122，低温的流体热源在第二腔室122内流动，即流体冷源在外壳体120的外壁面流动，与换热管500充分接触，向换热管500内的气体工质传递冷量进行热交换，冷源的冷量能有效传递至换热管500上，增强了换热管500的换热能力。

本实施例中，流体冷源可为水冷机组的冷却水。在其它实施例中，冷源还可采用液态金属、液氮等。

根据本发明提供的一个实施例，外壳体120靠近加热组件200的一端为封闭端，活塞腔110在封闭端通过流道150与换热通道140连通。本实施例中，外壳体120一端为封闭端，另一端为敞口端，内壳体130由敞口端插入至封闭端，内壳体130的端部与封闭端之间留有空隙形成流道150，膨胀区111与换热通道140内的加热组件200之间通过流道150连通。

根据本发明提供的一个实施例，斯特林发动机还包括后端壳体700、活塞装置600和弹簧组件900，活塞装置600设置于活塞腔110内，后端壳体700与前端壳体100连接，弹簧组件900设置于后端壳体700内，活塞装置600与弹簧组件900连接。

根据本发明提供的一个实施例，还包括直线电机800，直线电机800设置于后端壳体700内，且位于冷却组件400与弹簧组件900之间。

本发明实施例的斯特林发电机，为一种降低前端壳体100应力的自由活塞斯特林发电机，通过改变换热器的结构，减小了承压壳体的直径，有效降低发电机前端壳体100所受的热应力，很大程度上解决大功率发电机应力集中的问题。此外，换热管500采用了一定数量小直径的狭缝式换热器，换热面积相较于原结构大幅提升，增加了大功率发电机加热组件200和冷却组件400的换热能力。同时，该结构中高温流体流经加热组件200的外侧的前端壳体100换热，低温流体流经冷却组件400的外部的前端壳体100换热，且换热管500直径较小，换热更为充分。因此本发明的自由活塞斯特林发电机不仅能有效降低自由活塞斯特林发电机前端壳体100的热应力，而且增强了发电机换热器的换热能力。

活塞装置600包括配气活塞610和动力活塞620，斯特林发电机后端装置包括后端壳体700以及后端壳体700内设置的直线电机800和配气活塞板弹簧910和动力活塞板弹簧920，后端壳体700与前端壳体100的敞口端连接，内壳体130伸入后端壳体700内部。

配气活塞610由配气活塞头和配气活塞杆两部分组成，配气活塞杆穿过动力活塞孔布置，并固定在配气活塞板弹簧910上。配气活塞610与前端壳体100之间形成膨胀区111。

动力活塞620与配气活塞610同轴设置于内环壁中，与配气活塞610之间形成压缩区112，与后端壳体700之间形成缓冲区710，动力活塞620一端固定在动力活塞板弹簧920上，与直线电机800的动子连接，运动时驱动直线电机800发电。

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)

1.一种斯特林发电机，其特征在于：包括斯特林发动机，所述斯特林发动机包括前端壳体、加热组件、回热器和冷却组件，所述前端壳体的内部设有活塞腔，所述加热组件、所述回热器和所述冷却组件沿所述活塞腔的轴向依次设置于所述活塞腔的外侧，所述加热组件和所述冷却组件中的至少一个包括换热管，多根所述换热管环绕所述活塞腔排列设置，且每根所述换热管沿所述活塞腔的轴向延伸，所述活塞腔与所述换热管连通，所述加热组件、所述回热器和所述冷却组件依次连通。

2.根据权利要求1所述的斯特林发电机，其特征在于：所述换热管为狭缝式换热器。

3.根据权利要求1所述的斯特林发电机，其特征在于：所述前端壳体包括外壳体和内壳体，所述外壳体套设于所述内壳体的外侧，所述内壳体的内部围设出所述活塞腔，所述内壳体与所述前端壳体之间围设出换热通道，所述活塞腔的两端分别与所述换热通道的两端连通，所述加热组件、所述回热器和所述冷却组件设置于所述换热通道内。

4.根据权利要求3所述的斯特林发电机，其特征在于：所述加热组件还包括热源，在所述加热组件包括所述换热管的情况下，所述热源套设于所述换热管外侧。

5.根据权利要求4所述的斯特林发电机，其特征在于：所述热源为流体热源，所述外壳体在对应所述换热管的位置设有第一腔室，所述流体热源设置于所述第一腔室内。

6.根据权利要求3所述的斯特林发电机，其特征在于：所述冷却组件还包括冷源，在所述冷却组件包括所述换热管的情况下，所述冷源套设于所述换热管外侧。

7.根据权利要求6所述的斯特林发电机，其特征在于：所述冷源为流体冷源，所述外壳体在对应所述换热管的位置设有第二腔室，所述流体冷源设置于所述第二腔室内。

8.根据权利要求3所述的斯特林发电机，其特征在于：所述外壳体靠近所述加热组件的一端为封闭端，所述活塞腔在所述封闭端通过流道与所述换热通道连通。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的斯特林发电机，其特征在于：所述斯特林发动机还包括后端壳体、活塞装置和弹簧组件，所述活塞装置设置于所述活塞腔内，所述后端壳体与所述前端壳体连接，所述弹簧组件设置于所述后端壳体内，所述活塞装置与所述弹簧组件连接。

10.根据权利要求9所述的斯特林发电机，其特征在于：还包括直线电机，所述直线电机设置于所述后端壳体内，且位于所述冷却组件与所述弹簧组件之间。