CN214533286U - 一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，包括缸体、活塞、弹性件、直线电机、气缸、冷却器、回热缓冲管束、加热器及蓄热器；缸体包括第一缸体与第二缸体；弹性件、直线电机、活塞、气缸及冷却器安装于第一缸体内，弹性件分别与直线电机的动子及活塞的一端连接，活塞可在气缸内滑动，以将第一缸体分隔为压缩腔与背压腔，压缩腔形成于活塞的另一端与冷却器之间；加热器与蓄热器安装于第二缸体内，加热器的一端与蓄热器连接，加热器的另一端与冷却器之间连接回热缓冲管束。本实用新型明显改善了气体在冷、热端之间的往复运动，使气体运动时实现了一定的等温膨胀、等温压缩、等容回热过程，大幅度提升了发电机的热电转换效率。

Description

一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机

技术领域

本实用新型涉及斯特林发电装置领域，尤其涉及一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机。

背景技术

能源环境问题已经成为制约当今世界各国发展的主要问题。随着社会的不断发展，传统的高品位化石燃料不仅在量上不能满足人类的需求，而且造成的环境污染问题也不符合人类新的发展理念。当今社会一方面在积极探索新的替代能源，如太阳能和核能，另一方面也在开发利用现有的低品位能源，如余热和普通燃料。然而，只有对能源实现成功转化，才能便于人类有效利用。因此，积极解决以上问题的有效途径之一就是开发一种能够对各种新的替代能源和低品位能源进行成功转化的动力机械装置。

自由活塞斯特林发电机是一种高效的外燃式热电转换机械，几乎可以利用现有的所有热源种类。区别于其它类型的自由活塞斯特林发电机，单活塞型自由活塞斯特林发电机只有一个运动部件，该运动部件能够在室温条件下做往复运动，同时活塞采用板弹簧支撑，活塞与气缸之间采用间隙密封技术，相对于常规的自由活塞斯特林发动机，其结构更加简单、寿命更长、可靠性更高。因此，单活塞型自由活塞斯特林发动机具有较为广阔的应用前景，主要用于深海长寿命低功率检测器、航天器仪表和通信、行星表面数据测量传感器等，也可用于建立由小型分布式站点组成的长寿命供电网络。

现有技术中，单活塞型自由活塞斯特林发电机包括密闭的缸体与活塞，活塞将缸体分隔为工作腔与背压腔。在背压腔内装有直线电机与板弹簧，板弹簧分别与直线电机的动子及活塞的一端连接。在工作腔内依次装有冷却器、回热器及加热器，其中，冷却器靠近活塞的另一端设置，在冷却器的中部设有调相小孔，冷却器连接回热器的一端，回热器的另一端连接加热器，且冷却器与回热器的内部均设气体通道。在工作时，由于整个发电机通过缸体形成一个完全与外界封闭的腔体，内部充满高压的氦气，当外部对发电机的加热器进行加热时，氦气受热膨胀，工作腔内的压力升高，使得工作腔内的气压大于背压腔内的气压，以推动活塞朝向背压腔运动，由于活塞运动使得工作腔体积变大，部分气体从加热器进入回热器，将热量留给回热器后温度降低，同时气体运动到冷却器时被冷却，工作腔内压力降低。当工作腔内的气压小于背压腔内的气压时，活塞又向相反的方向运动，推动气体依次沿着冷却器、回热器内的气体通道输入至加热器，在此过程中，气体吸收回热器的热量，进入加热器被加热，压力均升高。当工作腔内的气压大于背压腔内的气压时，活塞再次朝向背压腔运动，以此进行周而复始的循环运动。活塞在运动中带动直线电机的线圈切割磁感线，直线电机对外输出电，实现该发电机源源不断的把外界热能转化成电能的热电转换过程。

然而，在实际使用过程中发现，由于活塞在朝向工作腔运动时，气体只能沿着回热器内的狭小的气体通道流动，以从冷却器输送至加热器，并再从加热器向冷却器返回时，也必须通过回热器，在此过程中，气体的流动受到较大的阻力，影响到斯特林发电机的热电转换效率。

实用新型内容

本实用新型提供一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，用以解决现有的单活塞型自由活塞斯特林发电机在使用中由于气体的流动受到较大的阻力，导致热电转换效率低下的问题。

本实用新型提供一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，包括：一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，包括：缸体、活塞、弹性件、直线电机、气缸、冷却器、回热缓冲管束、加热器及蓄热器；所述缸体包括第一缸体与第二缸体；所述弹性件、所述直线电机、所述活塞、所述气缸及所述冷却器安装于所述第一缸体内，所述弹性件分别与所述直线电机的动子及所述活塞的一端连接，所述活塞可在所述气缸内滑动，以将所述第一缸体分隔为压缩腔与背压腔，所述压缩腔形成于所述活塞的另一端与所述冷却器之间；所述加热器与所述蓄热器安装于所述第二缸体内，所述加热器的一端与所述蓄热器连接，所述加热器的另一端与所述冷却器之间连接所述回热缓冲管束。

根据本实用新型提供的一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，所述第一缸体与所述第二缸体同轴设置，所述第一缸体的敞口端与所述第二缸体的敞口端相对设置；所述冷却器安装于所述第一缸体的敞口端；所述加热器安装于所述第二缸体的敞口端，以在所述第二缸体内形成用于安装所述蓄热器的蓄热腔。

根据本实用新型提供的一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，所述冷却器与所述加热器均包括铜换热器，所述蓄热器包括填充于所述蓄热腔内的填充体，所述填充体由金属丝网材质制成。

根据本实用新型提供的一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，所述活塞与所述第一缸体上的底端之间形成所述背压腔，所述弹性件为板弹簧，所述板弹簧靠近所述第一缸体的底端设置，所述板弹簧的外边缘通过所述弹性件支座与所述回铁连接，所述板弹簧的中部与设置于所述活塞的一端的活塞杆连接。

根据本实用新型提供的一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，所述直线电机包括回铁与移动支架；所述直线电机的定子通过所述回铁安装于所述第一缸体上；所述回铁上构造有与所述活塞同轴设置的环形开口，所述环形开口的开口端朝向所述第一缸体的底端，所述移动支架的一端与所述板弹簧的中部连接，所述移动支架的另一端与所述动子连接且伸入至所述环形开口内。

根据本实用新型提供的一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，所述回铁朝向所述第一缸体的底端的一侧还装有弹性件支座，所述弹性件支座与所述板弹簧的外边缘连接。

根据本实用新型提供的一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，所述直线电机的定子为永磁体，所述直线电机的动子为励磁绕组。

根据本实用新型提供的一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，所述缸体内充入的气体介质为氦气或氢气等。

本实用新型提供的一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，基于缸体、活塞、弹性件、直线电机、气缸、冷却器、回热缓冲管束、加热器及蓄热器的布置结构，便于提供缸体内气体压力波与质量流相位的延迟，使发动机实现斯特林热力循环，可以将热转化为功，并通过直线电机以电能的形式输出。加热器单独与蓄热器连接，并在加热器与冷却器之间设置回热缓冲管束，回热缓冲管束具有一定的温度梯度，能够明显改善气体在发电机的冷、热端之间的往复运动，使得气体运动时实现了一定的等温膨胀、等温压缩、等容回热过程，大幅度提升了发电机的热电转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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进行简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型提供的一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机的剖面结构示意图；

附图标记：

1：缸体； 2：活塞； 3：弹性件；

4：直线电机； 5：冷却器； 6：加热器；

7：蓄热器； 8：环形开口； 41：定子；

42：动子； 43：回铁； 44：移动支架；

10：压缩腔； 11：背压腔； 12：蓄热腔；

9：回热缓冲管束； 31：弹性件支座； 13：气缸。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合图1描述本实用新型的一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机。

本实施例提供一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机(简称发电机)，该发电机包括：缸体1、活塞2、弹性件3、直线电机4、气缸13、冷却器5、加热器6、蓄热器7及回热缓冲管束9；缸体包括第一缸体与第二缸体；弹性件3、直线电机4、活塞2、气缸13及冷却器5安装于第一缸体内，弹性件3分别与直线电机4的动子及活塞2的一端连接，活塞2可在气缸13内滑动，以将第一缸体分隔为压缩腔10与背压腔11，压缩腔10形成于活塞2的另一端与冷却器5之间，背压腔11形成于第一缸体上的远离冷却器5的一端与活塞2的一端之间；加热器6与蓄热器7安装于第二缸体内，加热器6的一端与蓄热器7连接，加热器6的另一端与冷却器5之间连接回热缓冲管束9，以通过回热缓冲管束9实现压缩腔10与第二缸体的内部腔体之间的连通，并构成发电机的工作腔。

其中，本实施例所示的回热缓冲管束9既可以为一根回热缓冲管，又可以根据实际需求设计多根回热缓冲管。

如图1所示，本实施例所示的活塞2能够在气缸13内做往复运动，设定活塞2运动至最右端的位置为右止点，活塞2运动至最左端的位置为左止点，其中，左止点与右止点具体为活塞2在气缸13内做往复运动时，活塞2的右端所处的左、右极限位置，显然，右止点靠近冷却器5所在的位置。

在活塞2开始处于最右端时，工作腔内部的压力高于背压腔气体压力，工作腔内气体膨胀，工作腔内气体的压力与弹性件3的弹性力共同作用，克服活塞2所受到的阻尼力，推动活塞2朝向背压腔11的一侧移动，即活塞2朝向图1所示的左侧移动。由于外部热源通过加热器6对气体进行加热，气体不断吸收外部热量，实现等温膨胀过程，气体压力降低。由于活塞2运动使得工作腔的体积变大，同时一部分气体流经回热缓冲管束9，放热后运动到冷却器5再进入至压缩腔10内，这部分进入压缩腔10内的气体更多的是推动活塞2的运动，使得工作腔压力继续下降，直至工作腔内的气压与背压腔11内的气压相等。此时，活塞2由于惯性作用，克服弹性力和阻尼力，继续向左移动，工作腔内的气压继续降低，直至活塞2运动到最左端。在活塞2从接近左止点到完成换向，直至再次离开左止点的一段时间内，由于活塞2的运动所引起的容积变化近似为零，但是，此时回热缓冲管束9内的气体在惯性作用下仍然往左流动，实现等容放热后进入冷却器5。

在活塞2运动至最左端时，由于背压腔11内的气压大于工作腔内的气压，背压腔11内气体的压力与弹性件3的弹性力共同作用，克服活塞2上的阻尼力，推动活塞2向右运动，低压气体在压缩腔10内被压缩，工作腔内的气压逐渐升高，直至工作腔内的气压与背压腔11内的气压相等。此时，活塞2由于惯性作用，克服弹性力和阻尼力，继续向右运动，工作腔内的气压继续升高，直至活塞2运动至最右端。压缩过程产生的压缩热被冷却器5带走，实现等温压缩过程。在活塞2接近右止点至换向，再到离开右止点的一段时间内，由于活塞2的运动引起的容积变化近似为零，但是，此时回热缓冲管束9内的气体在惯性作用下仍然往右流动，在实现等容吸热过程后，进入加热器6和蓄热器7，压力继续升高。此时，发电机完成一次热力循环，然后再进行第二次热力循环，以此周而复始地循环下去。

区别于双活塞斯特林发动机，本实施例所示的发电机没有用于压力波动和质量流之间提供相位延迟的配气活塞，但是，本实施例所示的回热缓冲管束9与蓄热器7中的气体动力学和传热条件可产生一定的相位延迟，实现等温膨胀、等温压缩与等容回热过程。在此，本实施例所示的回热缓冲管束9相当于一个回热器，在膨胀结束时吸收气体中的热量，并在压缩结束时将热量释放给气体。活塞2在左、右止点进行换向的前后过程近似认为是等容过程，而活塞2在换向运动后的短时间内，气体在惯性作用下(相位差)仍然会继续往左或往右运动，因而在回热缓冲管束9中完成等容放热或吸热过程。在部分气体被压缩至热端的过程中，本实施例所示的蓄热器7从工作气体中吸收热量，蓄热器7的热容足够高，不会出现明显的温度波动。在气体膨胀时，蓄热器7将压缩阶段中存储的热量送回给气体，实现了热端足够的换热。由于本实施例所示的活塞2与直线电机4的动子42连接，则直线电机4的动子42会随同活塞2一起做往复移动，通过往复运动，使得直线电机4的定子41与动子42之间沿着缸体1的轴向发生相对移动，并切割磁感线输出电能。整个过程经历了热能-动能-电能的转换，即发电机源源不断地把外界热能转化成电能。

基于上述描述，本实施例所示的发电机的热力学循环主要分为如下四个阶段：

阶段1：由于背压腔11内的气压高于发动机的工作腔内的气压，背压腔11内气体的气压与弹性件3的弹性力共同作用，克服活塞2上的阻尼力，推动活塞2往右止点方向运动，工作气体在压缩腔10被等温压缩，压缩热被冷却器5带走。当背压腔11内气体的压力与工作腔内气体的压力相等时，活塞2在惯性作用下，克服弹性件3的弹性力和阻尼力，仍然往右止点运动，继续完成等温压缩过程，直至到达右止点。

阶段2：在活塞2到达右止点，并执行换向运动前后的一段时间内，工作腔的容积近似不变，但是，回热缓冲管束9内的气体仍然由冷却器5向加热器6流动，在完成定容吸热后，进入加热器6和蓄热器7，气体压力继续升高。

阶段3：在发动机的工作腔内的气压高于背压腔11内的气压时，工作腔内的气压与弹性件3的弹性力共同作用，克服活塞2上的阻尼力，推动活塞2往左止点方向运动，工作气体在蓄热腔12内等温膨胀，同时在加热器6中吸收热量。当工作腔内气体的压力与背压腔11内气体的压力相同时，活塞2在惯性作用下，克服弹性件3的弹性力和阻尼力，继续往左止点运动，并完成等温膨胀过程，直至到达左止点，气体压力降低。

阶段4：在活塞2到达左止点，并执行换向运动前后的一段时间内，工作腔的容积近似不变，但是，回热缓冲管束9内的气体仍然由加热器6向冷却器5流动，在完成定容放热后，进入冷却器5和压缩腔10，气体压力继续降低。

以此四个阶段组成一个循环，将从加热器6输入的热量转化为功，通过直线电机4转化为电能输出，多余的热量通过冷却器5带走。加热器6单独与蓄热器7连接，并在加热器6与冷却器5之间设置回热缓冲管束9，回热缓冲管束9具有一定的温度梯度，并明显改善了气体在发电机的冷、热端之间的往复运动，使得气体运动时实现了一定的等温膨胀、等温压缩与等容回热过程，大幅度提升了发电机的热电转换效率。

在此应指出的是，本实施例所示的缸体1内充入的气体介质优选为一定压力的氦气。显然，气体介质分布于上述实施例所示的背压腔11与工作腔内。

与此同时，本实施例所示的缸体1既可设计为U型，又可设计为直线型。如图1所示，本实施例所示的缸体1具体设计为直线型，且缸体1包括第一缸体与第二缸体。第一缸体与第二缸体同轴设置。第一缸体的敞口端与第二缸体的敞口端相对设置；冷却器5安装于第一缸体的敞口端；加热器6安装于第二缸体的敞口端，以在第二缸体内形成用于安装蓄热器7的蓄热腔12。

其中，本实施例所示的第一缸体与第二缸体均呈单端敞口设置，即第一缸体的一端为敞口端，第一缸体上远离其敞口端的另一端为底端；相应地，第二缸体的一端为敞口端，第二缸体上远离其敞口端的另一端为底端。

具体地，为了确保气体在工作腔内分别有效地与冷却器5及加热器6进行热交换，以提高气固换热面积，并即时带走或吸收热量，本实施例所示的冷却器5与加热器6均采用铜换热器，铜换热器内设有多个以供气体通过的气体通道或气隙，以便气体与铜换热器进行热交换。

为了使气体在热端吸收足够的热量，本实施例所示的蓄热器7可设置为填充于蓄热腔12内的填充体，填充体由金属丝网材质制成。

进一步地，如图1所示，本实施例所示的活塞2与缸体1的第二端之间形成背压腔11，弹性件3安装于缸体1的第二端。为了节约布置空间，确保弹性件3能够稳定地控制活塞2在气缸13内进行往复运动，本实施例所示的弹性件3优选为板弹簧，板弹簧靠近第一缸体的底端设置，板弹簧可具体设计为均匀分布的涡旋槽旋臂状，板弹簧的外边缘通过弹性件支座31与回铁43连接，板弹簧的中部与设置于活塞2的一端的活塞杆连接。

进一步地，本实施例所示的直线电机4包括回铁43、定子41与移动支架44、动子42；直线电机4的定子41通过回铁43安装于第一缸体上，其中，回铁43安装于第一缸体的内壁面与气缸13的外侧面之间；回铁43上构造有与活塞2同轴设置的环形开口8，环形开口8的开口端朝向第一缸体的底端，移动支架44的一端与板弹簧的中部连接，移动支架44的另一端与动子42连接，且伸入至环形开口8内。

在此应指出的是，为了确保发电机结构的紧凑性，本实施例具体设置环形开口8同轴设置于活塞2所在气缸13的外侧。同时，本实施例在回铁43朝向第一缸体的底端的一侧还装有弹性件支座31，弹性件支座31与板弹簧的外边缘连接。

与此同时，本实施例所示的直线电机4的定子41为永磁体，直线电机4的动子42为励磁绕组，将励磁绕组安装于移动支架44上。如此，在励磁绕组随同移动支架44做往复运动的过程中，会相应地切割永磁体所产生的磁场的磁感线，以将动能转化为电能并对外输出。

其中，本实施例也可将励磁绕组固定安装于缸体1上，将永磁体安装于上述实施例所示的可往复移动的移动支架44上，以基于励磁绕组与永磁体之间的相对运动，将动能转换为电能，并实现电能的输出，同样可实现本实施例所示的方案，在此不做具体限定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，其特征在于，包括：缸体、活塞、弹性件、直线电机、气缸、冷却器、回热缓冲管束、加热器及蓄热器；

所述缸体包括第一缸体与第二缸体；

所述弹性件、所述直线电机、所述活塞、所述气缸及所述冷却器安装于所述第一缸体内，所述弹性件分别与所述直线电机的动子及所述活塞的一端连接，所述活塞可在所述气缸内滑动，以将所述第一缸体分隔为压缩腔与背压腔，所述压缩腔形成于所述活塞的另一端与所述冷却器之间；

所述加热器与所述蓄热器安装于所述第二缸体内，所述加热器的一端与所述蓄热器连接，所述加热器的另一端与所述冷却器之间连接所述回热缓冲管束。

2.根据权利要求1所述的回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述第一缸体与所述第二缸体同轴设置，所述第一缸体的敞口端与所述第二缸体的敞口端相对设置；所述冷却器安装于所述第一缸体的敞口端；所述加热器安装于所述第二缸体的敞口端，以在所述第二缸体内形成用于安装所述蓄热器的蓄热腔。

3.根据权利要求2所述的回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述冷却器与所述加热器均包括铜换热器，所述蓄热器包括填充于所述蓄热腔内的填充体，所述填充体由金属丝网材质制成。

4.根据权利要求2所述的回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述活塞与所述第一缸体上的底端之间形成所述背压腔，所述弹性件为板弹簧，所述板弹簧靠近所述第一缸体的底端设置，所述板弹簧的中部与设置于所述活塞的一端的活塞杆连接。

5.根据权利要求4所述的回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述直线电机包括回铁与移动支架；

所述直线电机的定子通过所述回铁安装于所述第一缸体上；

所述回铁上构造有与所述活塞同轴设置的环形开口，所述环形开口的开口端朝向所述第一缸体的底端，所述移动支架的一端与所述板弹簧的中部连接，所述移动支架的另一端与所述动子连接且伸入至所述环形开口内。

6.根据权利要求5所述的回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述回铁朝向所述第一缸体的底端的一侧还装有弹性件支座，所述弹性件支座与所述板弹簧的外边缘连接。

7.根据权利要求1所述的回热缓冲管型自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述直线电机的定子为永磁体，所述直线电机的动子为励磁绕组。

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