CN218062486U - 自由活塞热声斯特林发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种自由活塞热声斯特林发电机，包括壳体，以及位于所述壳体内的直线电机、第一热功转换器和第二热功转换器；所述直线电机包括动力活塞，所述动力活塞能够沿自身长度方向运动，所述第一热功转换器和所述第二热功转换器相对布设于所述动力活塞长度方向上的两端；所述第一热功转换器和所述动力活塞的第一端构建形成第一压缩腔，所述第二热功转换器和所述直线电机的第二端构建形成第二压缩腔。本实用新型提供的自由活塞热声斯特林发电机，气体波动压力较高的第一压缩腔和第二压缩腔能够同时对动力活塞施加足够的驱动力，保证了大功率应用场合动力活塞的谐振运动和自由活塞热声斯特林发电机的高效工作效果。

Description

自由活塞热声斯特林发电机

技术领域

本实用新型涉及发电机技术领域，尤其涉及一种自由活塞热声斯特林发电机。

背景技术

热声斯特林技术是基于热声效应实现声能和热能之间产生相互转换的技术，热声斯特林发电机主要由直线电机和热功转换器组成，热功转换器可以正循环作为发动机工作，亦可以逆循环作为制冷机或热泵工作。在实际操作中，当该系统处于发电机工作模式时，通过向热功转换器的换热器输入高温热量，热功转换器能够将热能转化为声波形式的机械能，直线电机再进一步将机械能转化为电能输出；当该系统处于制冷机或者热泵工作模式时，输入电能，直线电机将电能转化为声波形式的机械能，声波进一步在热功转换器内被消耗，在两个换热器之间进行热量的搬运，获得制冷或者泵热的效果。

在自由活塞热声斯特林发电机中，动力活塞需要足够的驱动力满足机械谐振条件，从而实现整机高效能量转换。现有技术中，动力活塞的两端分别为压缩腔和背腔，而背腔气体波动压力较小，能为动力活塞提供的驱动力有限，在大功率应用场合时难以为动力活塞的运动提供足够的动力，影响了自由活塞热声斯特林发电机的工作效果。

实用新型内容

本实用新型提供一种自由活塞热声斯特林发电机，用以解决现有技术中的自由活塞热声斯特林发电机在大功率应用场合难以为动力活塞提供足够的驱动力的技术问题。

本实用新型提供一种自由活塞热声斯特林发电机，包括壳体，以及位于所述壳体内的直线电机、第一热功转换器和第二热功转换器；

所述直线电机包括动力活塞，所述动力活塞能够沿自身长度方向运动，所述第一热功转换器和所述第二热功转换器相对布设于所述动力活塞长度方向上的两端；

所述第一热功转换器和所述动力活塞的第一端构建形成第一压缩腔，所述第二热功转换器和所述直线电机的第二端构建形成第二压缩腔。

根据本实用新型提供的一种自由活塞热声斯特林发电机，所述第一热功转换器包括第一调相器，所述第二热功转换器包括第二调相器，所述第一调相器和所述第二调相器同轴设置。

根据本实用新型提供的一种自由活塞热声斯特林发电机，所述第一热功转换器还包括第一膨胀腔，所述第一膨胀腔位于所述第一调相器背离所述第一压缩腔的一侧；

所述第二热功转换器还包括第二膨胀腔，所述第二膨胀腔位于所述第二调相器背离所述第二压缩腔的一侧。

根据本实用新型提供的一种自由活塞热声斯特林发电机，所述自由活塞热声斯特林发电机还包括连杆，所述连杆的一端与所述第一调相器相连，另一端与所述第二调相器相连，以实现所述第一调相器和所述第二调相器的同步运动，所述连杆可活动地穿设于所述动力活塞。

根据本实用新型提供的一种自由活塞热声斯特林发电机，所述第一热功转换器还包括依次同轴连接的第一换热器、第一回热器和第二换热器，所述第一换热器、所述第一回热器和所述第二换热器构建形成第一活动通道，所述第一调相器能够在所述第一活动通道中运动；

所述第二热功转换器还包括依次同轴连接的第三换热器、第二回热器和第四换热器，所述第三换热器、所述第二回热器和所述第四换热器构建形成第二活动通道，所述第二调相器能够在所述第二活动通道中运动。

根据本实用新型提供的一种自由活塞热声斯特林发电机，所述直线电机还包括缸筒，所述动力活塞至少部分位于所述缸筒内且能够在所述缸筒内运动。

根据本实用新型提供的一种自由活塞热声斯特林发电机，所述直线电机还包括背腔，所述缸筒和/或所述动力活塞的外壁面与所述壳体的内壁面之间的空间形成所述背腔。

根据本实用新型提供的一种自由活塞热声斯特林发电机，所述直线电机还包括设置于所述背腔中的永磁体、线圈和外定子；

所述永磁体与所述动力活塞相连，所述外定子固定于所述壳体，所述线圈设置于所述外定子内。

根据本实用新型提供的一种自由活塞热声斯特林发电机，所述直线电机还包括支架和内定子，所述内定子固定于所述缸筒的外壁面且所述内定子与所述外定子之间设有第一间隙；

所述支架的一端固定于所述动力活塞，所述支架的另一端与所述永磁体相连，所述永磁体可活动地穿设于所述第一间隙。

根据本实用新型提供的一种自由活塞热声斯特林发电机，所述直线电机还包括内导磁体，所述内导磁体固定于所述动力活塞的外壁面，所述永磁体安装于所述内导磁体上，所述永磁体与所述外定子之间具有第二间隙。

本实用新型提供的自由活塞热声斯特林发电机，通过设置第一热功转换器和第二热功转换器，将第一热功转换器和第二热功转换器相对布设于动力活塞长度方向上的两端，以构建形成第一压缩腔和第二压缩腔，使气体波动压力较高的第一压缩腔和第二压缩腔能够同时对动力活塞施加足够的驱动力，保证了在大功率应用场合动力活塞的谐振运动和自由活塞热声斯特林发电机的工作效果；在发动机模式下，第一热功转换器和第二热功转换器均能对动力活塞做功，使直线电机输出电能，提高了自由活塞热声斯特林发电机的工作效率和最大输出功率。

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作一简单地介绍，显而易见地，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是本实用新型一个实施例提供的自由活塞热声斯特林发电机的结构示意图；

图2是本实用新型另一个实施例提供的自由活塞热声斯特林发电机的结构示意图。

附图标记：

100：壳体；1：直线电机；10：动力活塞；11：缸筒；12：背腔；13：永磁体；14：线圈；15：外定子；16：支架；17：内定子；18：内导磁体；2：第一热功转换器；21：第一调相器；22：第一膨胀腔；23：第一换热器；24：第一回热器；25：第二换热器；3：第二热功转换器；31：第二调相器；32：第二膨胀腔；33：第三换热器；34：第二回热器；35：第四换热器；4：第一压缩腔；5：第二压缩腔；6：连杆。

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。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

现有技术中的自由活塞热声斯特林发电机，通常包括直线电机和位于直线电机一侧的热功转换器。直线电机的动力活塞与热功转换器之间为压缩腔，动力活塞远离热功转换器的一端与外壳的内壁面之间形成的空间为背腔，动力活塞在压缩腔与背腔之间直线往复运动。

通常情况下，由于压缩腔的平均气体波动压力大于背腔的平均气体波动压力，因此动力活塞两端的压力波动不同，背腔为动力活塞提供的驱动力较小，在大功率应用场合下会影响动力活塞的轴向刚度。由于自由活塞热声斯特林发电机的最大输出功率越大，动力活塞的动质量就相应增大，其所需的轴向刚度也会随着动质量和角频率平方的乘积的倍数增大，因此动力活塞的轴向刚度为制约自由活塞热声斯特林发电机的最大输出功率的主要因素。现有技术中的自由活塞热声斯特林发电机，为了提高最大输出功率，需要增大动力活塞的直径，但动力活塞的长度基本不变，由此会带来热功转换器的结构应力问题，影响自由活塞热声斯特林发电机的使用寿命和可靠性。

如图1或图2所示，本实用新型提供的自由活塞热声斯特林发电机，包括壳体100，以及位于壳体100内的直线电机1、第一热功转换器2和第二热功转换器3。

直线电机1包括动力活塞10，动力活塞10能够沿自身长度方向运动，第一热功转换器2和第二热功转换器3相对布设于动力活塞10长度方向上的两端。

第一热功转换器2和动力活塞10的第一端构建形成第一压缩腔4，第二热功转换器3和直线电机1的第二端构建形成第二压缩腔5。

壳体100具有腔体，直线电机1、第一热功转换器2和第二热功转换器3均位于腔体中，直线电机1的动力活塞10在腔体内沿自身中心轴往复运动。其中，第一热功转换器2和第二热功转换器3的结构和尺寸可以相同，也可以不同。例如，在一个实施例中，如图1所示，第一热功转换器2和第二热功转换器3的结构和尺寸相同，第一热功转换器2和第二热功转换器3关于直线电机1的垂直于中心轴的中心线对称设置。

由于第一压缩腔4和第二压缩腔5的气体波动压力较高，因此第一压缩腔4和第二压缩腔5均能对动力活塞10提供足够的驱动力，保证动力活塞10的轴向刚度。在不改变动力活塞10的直径的基础上，本实用新型提供的自由活塞热声斯特林发电机可以提升最大输出功率；在最大输出功率相同的基础上，本实用新型提供的自由活塞热声斯特林发电机的动力活塞10直径较小，能够有效降低结构应力，提高系统整体的可靠性。

在自由活塞热声斯特林发电机处于发电机模式时，第一热功转换器2和第二热功转换器3均为发动机，将热能转化为声波形式的机械能，驱动动力活塞10沿自身中心轴往复运动，从而将机械能转化为电能输出。

在自由活塞热声斯特林发电机处于制冷机或热泵模式时，直线电机1将电能转化为声波形式的机械能，声波进一步在第一热功转换器2和第二热功转换器3内被消耗，第一热功转换器2和第二热功转换器3进行热量的搬运，获得制冷或者泵热的效果。

本实用新型提供的自由活塞热声斯特林发电机还可以包括热驱动冷电模式，第一热功转换器2和第二热功转换器3中的一者运行发动机模式，另一者运行制冷机或热泵模式，运行发动机模式的热功转换器吸收热能转换为机械能，将一部分机械能传递给另一侧的热功转换器实现泵热，另一部分机械能传递给动力活塞10，驱动动力活塞10沿自身中心轴往复运动，将机械能转化为电能输出。

本实用新型提供的自由活塞热声斯特林发电机，通过设置第一热功转换器2和第二热功转换器3，将第一热功转换器2和第二热功转换器3相对布设于动力活塞10长度方向上的两端，以构建形成第一压缩腔4和第二压缩腔5，使气体波动压力较高的第一压缩腔4和第二压缩腔5能够同时对动力活塞10施加足够的驱动力，保证了在大功率应用场合动力活塞10的谐振运动和自由活塞热声斯特林发电机的工作效果；在发动机模式下，第一热功转换器2和第二热功转换器3均能对动力活塞10做功，使直线电机1输出电能，提高了自由活塞热声斯特林发电机的工作效率和最大输出功率。

进一步地，第一热功转换器2包括第一调相器21，第二热功转换器3包括第二调相器31，第一调相器21和第二调相器31同轴设置。

第一调相器21和第二调相器31用于调节自由活塞热声斯特林发电机的系统声场分布并传递膨胀功，使得第一热功转换器2和第二热功转换器3内部的气体微团经历行波热声转换循环，以实现更高的热声转换效率。

第一调相器21和第二调相器31分布于动力活塞10的两侧，第一调相器21和第二调相器31均与动力活塞10同轴设置，第一调相器21和第二调相器31均能沿自身中心轴所在直线往复运动。第一调相器21和第二调相器31在停机状态下的位置可以相对于直线电机1的垂直于中心轴的中心线对称，也可以不对称，本实用新型不做具体限定。

第一热功转换器2还包括第一膨胀腔22，第一膨胀腔22位于第一调相器21背离第一压缩腔4的一侧；第二热功转换器3还包括第二膨胀腔32，第二膨胀腔32位于第二调相器31背离第二压缩腔5的一侧。调相器回收膨胀腔处的声功并传递至压缩腔，驱动动力活塞10运动，从而向外输出电能。

在一个可选的实施例中，第一热功转换器2包括第一板簧，第一板簧设置于第一热功转换器2靠近直线电机1的端面，第一板簧与第一调相器21相连；第二热功转换器包括第二板簧，第二板簧设置于第二热功转换器3靠近直线电机1的端面，第二板簧与第二调相器31相连。

第一板簧和第二板簧能够为第一调相器21和第二调相器31提供轴向刚度，使第一调相器21和第二调相器31沿自身轴向直线往复运动。第一板簧和第二板簧还能为第一调相器21和第二调相器31提供较大的径向刚度，保证第一调相器21和第二调相器31在运动的过程中不发生径向运动。第一板簧和第二板簧还能保证第一调相器21和第二调相器31的支撑和回中效果。

在该实施例中，第一板簧密封连接于第一热功转换器2的内壁，第一膨胀腔22和第一压缩腔4相互分隔于第一板簧的两侧；第二板簧密封连接于第二热功转换器3的内壁，第二膨胀腔32和第二压缩腔5相互分隔于二板簧的两侧。

在另一个可选的实施例中，自由活塞热声斯特林发电机还包括连杆6，连杆6的一端与第一调相器21相连，另一端与第二调相器31相连，以实现第一调相器21和第二调相器31的同步运动，连杆6可活动地穿设于动力活塞10。

在该实施例中，动力活塞10沿自身中心轴贯穿开设有一通孔，连杆6穿设于通孔内且与通孔存在间隙，以保证动力活塞10和连杆6互不影响、各自自由运动。

第一调相器21和第二调相器31通过连杆6实现刚性连接，第一调相器21和第二调相器31同步运动，锁定了两侧膨胀腔的膨胀与动力活塞10两侧压缩腔的压缩的相位关系，平衡了第一调相器21和第二调相器31的调相效果，同时降低了对第一调相器21和第二调相器31的调节难度。

第一热功转换器2还包括依次同轴连接的第一换热器23、第一回热器24和第二换热器25，第一换热器23、第一回热器24和第二换热器25构建形成第一活动通道，第一调相器21能够在第一活动通道中运动。

第二热功转换器还包括依次同轴连接的第三换热器33、第二回热器34和第四换热器35，第三换热器33、第二回热器34和第四换热器35构建形成第二活动通道，第二调相器31能够在第二活动通道中运动。

在第一热功转换器2中，第一换热器23、第一回热器24和第二换热器25呈环状沿第一调相器21的轴向依次安装在壳体100中，第一换热器23位于靠近第一膨胀腔22的一侧，第一换热器23、第一回热器24、第二换热器25和第一调相器21的中心轴位于同一直线上。第一换热器23、第一回热器24和第二换热器25的中空区域形成了第一活动通道，第一调相器21在第一活动通道中沿自身中心轴直线往复运动。第一换热器23、第一回热器24和第二换热器25形成温度梯度。其中，第一调相器21与第一活动通道的内壁间隙密封配合。第二热功转换器3的结构与第一热功转换器2的结构大致相同，在此不再赘述。

在自由活塞热声斯特林发电机处于发电机模式时，第一热功转换器2和第二热功转换器3均为发动机，第一换热器23和第三换热器33作为加热器吸收热能，第二换热器25和第四换热器35为冷却器，第一换热器23、第一回热器24和第二换热器25形成递减的温度梯度。第一热功转换器2和第二热功转换器3将吸收的热能转化为声波形式的机械能，驱动动力活塞10沿自身中心轴往复运动，从而将机械能转化为电能输出。

在自由活塞热声斯特林发电机处于制冷机或热泵模式时，直线电机1将电能转化为声波形式的机械能，声波进一步在第一热功转换器2和第二热功转换器3内被消耗，第一换热器23和第三换热器33作为低温换热器运行，第二换热器25和第四换热器35为高温换热器，第一换热器23、第一回热器24和第二换热器25形成递增的温度梯度。在第一热功转换器2内热量从第一换热器23搬运至第二换热器25，在第二热功转换器3内热量从第三换热器33搬运至第四换热器35，以此通过第一换热器23和第三换热器33实现制冷效果，或者通过第二换热器25和第四换热器35实现热泵的效果。

直线电机1还包括缸筒11，动力活塞10至少部分位于缸筒11内且能够在缸筒11内运动。缸筒11固定于壳体100内，动力活塞10与缸筒11的内壁间隙密封配合。

直线电机1还包括背腔12，缸筒11和/或动力活塞10的外壁面与壳体100的内壁面之间的空间形成背腔12。

直线电机1还包括设置于背腔12中的永磁体13、线圈14和外定子15。永磁体13与动力活塞10相连，外定子15固定于壳体100，线圈14设置于外定子15内。在自由活塞热声斯特林发电机处于发电机模式时，第一压缩腔4和第二压缩腔5内的气体压力推动动力活塞10并带动永磁体13做往复运动。在自由活塞热声斯特林发电机处于制冷机或热泵模式时，直线电机1为电动机，线圈14通入交变电流后后产生磁场，永磁体13在磁场中受到安培力的作用，带动动力活塞10直线往复运动。

在一个可选的实施例中，如图1所示，直线电机1还包括支架16和内定子17，内定子17固定于缸筒11的外壁面且内定子17与外定子15之间设有第一间隙。支架16的一端固定于动力活塞10，支架16的另一端与永磁体13相连，永磁体13可活动地穿设于第一间隙。

在该实施例中，永磁体13通过支架16与动力活塞10刚性连接，永磁体13和动力活塞10同步运动，缸筒11固定于壳体100内且外壁面开设有用于避让支架16的避让孔，内定子17与外定子15设置于直线电机1的垂直于中心轴的中心线上。永磁体13在内定子17和外定子15之间的第一间隙中，沿动力活塞10的轴向直线往复运动。

在另一个可选的实施例中，如图2所示，直线电机1还包括内导磁体18，内导磁体18固定于动力活塞10的外壁面，永磁体13安装于内导磁体18上，永磁体13与外定子15之间具有第二间隙。

在该实施例中，直线电机1不设置内定子，而是将内导磁体18安装于动力活塞10的外壁面，实现永磁体13、内导磁体18和动力活塞10三者的刚性连接，三者同步运动。其中，缸筒11的外壁面开设有用于避让内导磁体18的避让孔。

本实用新型提供的自由活塞热声斯特林发电机，通过设置第一热功转换器2和第二热功转换器3，将第一热功转换器2和第二热功转换器3相对布设于动力活塞10长度方向上的两端，以构建形成第一压缩腔4和第二压缩腔5，使气体波动压力较高的第一压缩腔4和第二压缩腔5能够同时对动力活塞10施加足够的驱动力，保证了在大功率应用场合动力活塞10的谐振运动和自由活塞热声斯特林发电机的工作效果；在发动机模式下，第一热功转换器2和第二热功转换器3均能对动力活塞10做功，使直线电机1输出电能，提高了自由活塞热声斯特林发电机的工作效率和最大输出功率。

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 (10)

1.一种自由活塞热声斯特林发电机，其特征在于，包括壳体，以及位于所述壳体内的直线电机、第一热功转换器和第二热功转换器；

所述直线电机包括动力活塞，所述动力活塞能够沿自身长度方向运动，所述第一热功转换器和所述第二热功转换器相对布设于所述动力活塞长度方向上的两端；

所述第一热功转换器和所述动力活塞的第一端构建形成第一压缩腔，所述第二热功转换器和所述直线电机的第二端构建形成第二压缩腔。

2.根据权利要求1所述的自由活塞热声斯特林发电机，其特征在于，所述第一热功转换器包括第一调相器，所述第二热功转换器包括第二调相器，所述第一调相器和所述第二调相器同轴设置。

3.根据权利要求2所述的自由活塞热声斯特林发电机，其特征在于，所述第一热功转换器还包括第一膨胀腔，所述第一膨胀腔位于所述第一调相器背离所述第一压缩腔的一侧；

所述第二热功转换器还包括第二膨胀腔，所述第二膨胀腔位于所述第二调相器背离所述第二压缩腔的一侧。

4.根据权利要求3所述的自由活塞热声斯特林发电机，其特征在于，所述自由活塞热声斯特林发电机还包括连杆，所述连杆的一端与所述第一调相器相连，另一端与所述第二调相器相连，以实现所述第一调相器和所述第二调相器的同步运动，所述连杆可活动地穿设于所述动力活塞。

5.根据权利要求3或4所述的自由活塞热声斯特林发电机，其特征在于，所述第一热功转换器还包括依次同轴连接的第一换热器、第一回热器和第二换热器，所述第一换热器、所述第一回热器和所述第二换热器构建形成第一活动通道，所述第一调相器能够在所述第一活动通道中运动；

所述第二热功转换器还包括依次同轴连接的第三换热器、第二回热器和第四换热器，所述第三换热器、所述第二回热器和所述第四换热器构建形成第二活动通道，所述第二调相器能够在所述第二活动通道中运动。

6.根据权利要求1所述的自由活塞热声斯特林发电机，其特征在于，所述直线电机还包括缸筒，所述动力活塞至少部分位于所述缸筒内且能够在所述缸筒内运动。

7.根据权利要求6所述的自由活塞热声斯特林发电机，其特征在于，所述直线电机还包括背腔，所述缸筒和/或所述动力活塞的外壁面与所述壳体的内壁面之间的空间形成所述背腔。

8.根据权利要求7所述的自由活塞热声斯特林发电机，其特征在于，所述直线电机还包括设置于所述背腔中的永磁体、线圈和外定子；

所述永磁体与所述动力活塞相连，所述外定子固定于所述壳体，所述线圈设置于所述外定子内。

9.根据权利要求8所述的自由活塞热声斯特林发电机，其特征在于，所述直线电机还包括支架和内定子，所述内定子固定于所述缸筒的外壁面且所述内定子与所述外定子之间设有第一间隙；

所述支架的一端固定于所述动力活塞，所述支架的另一端与所述永磁体相连，所述永磁体可活动地穿设于所述第一间隙。

10.根据权利要求8所述的自由活塞热声斯特林发电机，其特征在于，所述直线电机还包括内导磁体，所述内导磁体固定于所述动力活塞的外壁面，所述永磁体安装于所述内导磁体上，所述永磁体与所述外定子之间具有第二间隙。

Images