[发明专利]三活塞式自由活塞斯特林发动机

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种三活塞式自由活塞斯特林发动机，属于热气机利用领域。

背景技术

斯特林发动机(Stirling Engine)，是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机。在这类机器中，工质(一般为氢气、氦气或空气)被封闭在循环回路中，通过气缸容积的变比控制工质在闭式循环回路中的流动方向；在较低的温度和压力下压缩工质，在较高的温度和压力下膨胀，从而获得正的循环功。其热力过程是按斯特林循环进行的。

自由活塞式斯特林发动机是斯特林发动机的一个重要分支，是一种靠活塞往复运动实现热力循环的动力装置。这种运动是由于气体力以及部件间气体力和动力的相互作用产生的。其工作原理如下：

自由活塞式斯特林发动机基本上由三部分组成：较重的动力活塞、轻的配气活塞以及两端密封的气缸。普通的自由活塞式斯特林发动机是配气活塞杆穿过动力活塞构成。由于配气活塞和配气活塞杆是空心的，杆的下端敞开，所以配气活塞内部与动力活塞下方的气缸容积一起形成缓冲腔，成为一气体弹簧，使配气活塞回位。配气活塞头部是膨胀腔，配气活塞和动力活塞之间为压缩腔，膨胀腔和压缩腔又统称为工作腔。配气活塞气缸的内缸和外缸之间狭长的缝隙从右到左分别为加热腔、回热器和冷却器组成。加热器和冷却器分别与膨胀腔和压缩腔联通。

传统的自由活塞斯特林发动机采用气体弹簧作为活塞的恢复力，不但体积大，且气体弹簧作用的活塞因没有任何机械固定会产生飘移，使配气活塞和动力活塞靠在一起或分别靠在两端，从而失去动力。为克服这个问题，荷兰的斯特林公司等采用了许多复杂的控制方法。Infinia公司采用板簧代替气体弹簧的自由活塞式斯特林发动机的技术已较为成熟，第一台原理样机在2007年10月份开始试验。Microgen公司以Sunpower公司1kW带板簧自由活塞式斯特林发动机的技术为基础，开发出微型家用热电联供系统（MCHP）。然而，目前这些以气体弹簧的自由活塞式斯特林发动机控制、结构复杂；采用配气活塞杆穿过动力活塞的结构会降低压缩腔内的密封性，且安装复杂；Infinia公司为代表的板簧自由活塞式斯特林发动机板簧系统安装复杂，特别对小型自由活塞斯特林发动机，其配气活塞气缸直径很小，板簧系统安装困难，且板簧直径比配气活塞气缸直径还要小，从而使板簧的位移小，限制了配气活塞的位移距离。

由于自由活塞斯特林发动机的工质一般使用氦气等惰性气体，其导热系数较低，而其在加热腔和冷却器内来回吸热和放热产生温差以进行热力循环驱动动力活塞做功，且频率都在50Hz左右，因而其快速吸热放热显得非常必要。为了使工质在加热腔内一个循环中能最大地吸收热量，强化换热装置就显得必要。在加热腔内使用多孔介质和旋流器是一种非常好的高效强化换热手段。旋流器再活塞运动到加热腔时，使气体产生旋流，从而使工质气体能够快速旋转产生涡流，提高气体的加热量和温度均匀性，增加发动机的功率密度和稳定性等优点。

发明内容

    本发明目的主要在于提出一种能够克服传统自由活塞式斯特林发动机气体弹簧的复杂控制、结构等问题以及Infinia公司为代表的板簧系统安装复杂，无益容积大等缺点的两截活塞式板簧系统安装及带高效加热的旋流器的加热头的新型自由活塞式斯特林发动机，该自由活塞式斯特林发动机不仅加工简单，成本低，效率高，而且运行稳定，受热源干扰小等优点。

一种三活塞式自由活塞斯特林发动机，它依次包括配气活塞气缸、配气活塞、动力活塞气缸、动力活塞及发电机组件；所述配气活塞气缸包括外气和内气缸，外气缸和内气缸之间的夹层由顶部向底部依次由加热腔、回热器和冷却腔及冷却介质通道组成；内气缸顶部为开口结构；配气活塞顶部与外气缸之间的空间为膨胀腔；其特征在于：上述配气活塞气缸外面的加热头部有一填充相变温度与热源温度相当的液态金属的液态金属加热帽，配气活塞气缸内还安装有旋流加热器；所述配气活塞密封安装于内气缸内，分为第一配气活塞和第二配气活塞；第一配气活塞和第二配气活塞被配气活塞板簧分开，并通过穿过配气活塞板簧的配气活塞连杆相连。

本发明的配气活塞外气缸外面的加热头部为一填充相变温度与热源温度相当的液态金属加热帽，使发动机不受热源温度的波动而稳定运行，配气活塞气缸内部有旋流加热器，强化气缸内气体加热，提高了发动机的热效率。。所述配气活塞分为两截，配气活塞板簧在两截配气活塞之间，提供配气活塞的回复力。该方法克服了传统气体弹簧体积大，配气活塞易漂移，且配气活塞杆需穿过动力活塞及板簧安装复杂，对加工精度要求高等缺点。