[发明专利]一种自由活塞斯特林热机

说明书

技术领域

本发明涉及热能动力技术，尤其涉及一种自由活塞斯特林热机。

背景技术

自由活塞斯特林热机是热声热机的一种结构形式。它使用排出器代替了传统斯特林热机中的曲轴结构，通过控制排出器的动质量和板簧刚度等调节其声场相位分布实现高效的热声或者声热的转换，并通过阻抗匹配和声场耦合方式实现与直线电机或直线压缩机之间的高效耦合，构建自由活塞斯特林发电机或电驱动自由活塞斯特林制冷机。采用正向斯特林循环的斯特林发动机通过高温换热器吸热，室温换热器放热，在回热器中基于热声效应实现热能向声功的转化。采用逆向斯特林循环的斯特林制冷机在回热器内消耗声功，从而实现熵流从冷端向室温端的输运，实现制冷效应。其理论效率均为卡诺效率。由于取消了机械传动结构，自由活塞斯特林热机内部无油润滑装置，因此具有振动小，结构简单和高可靠性的优点；其采用氦气或氢气等为工质，绿色环保；此外，作为外燃式热机，其能源利用形式多样，可采用太阳能、地热、生物质等清洁能源和工业余热等作为热源。基于以上特点，自由活塞斯特林热机在太阳能发电、余热发电和高温强电超导冷却等领域具有广阔的应用前景。

虽然自由活塞斯特林热机优点突出，应用潜力巨大，但是其排出器加工、装配精度要求较高，排出器间隙密封的加工装配难度和可靠性是自由活塞斯特林热机大规模应用的主要限制因素之一。现有自由活塞斯特林热机主要有两种结构形式，分别如图1、图2所示。现有的自由活塞斯特林热机主要包括膨胀腔1、热端(冷端)换热器2、回热器3、排出器4、室温换热器5、压缩腔6、定子7、动力活塞8、动力活塞支撑9、直线电机背腔10。图1所示结构中，排出器的隼部与直线电机耦合，动力活塞支撑板簧置于电机背腔，这种结构降低了平面板簧的设计难度，容易实现较大的径轴刚度比，但是排出器的隼部为细长杆，因其与动力活塞之间为间隙密封，所以对设计、加工和装配精度要求较高，且因其两侧受力不平衡而存在结构失稳因素。图2所示结构中，其排出器支撑板簧11置于排出器内部，排出器的隼部与排出器底座12一体，这种结构消除了排出器的隼部较长易变形失稳的缺点，但是排出器支撑板簧尺寸受排出器尺寸的制约，显著增加了设计、材料、和加工工艺的难度，其可靠性也受影响。

发明内容

本发明提供一种自由活塞斯特林热机，用于克服现有技术中的缺陷，增强排出器运动的平稳性和可靠性，提高系统的使用寿命，同时特降低了工艺和装配难度，提高了其实用性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种自由活塞斯特林热机，所述斯特林热机包括若干个斯特林发动机和若干个直线振荡电机，所述任一斯特林发动机包括排出器4，所述排出器4包括上塞体4-1、下塞体4-2、隼部4-3、平面支撑板簧4-4、高温筒4-5、腔体4-6和底座4-7；

所述底座4-7固定在室温换热器5的底部，底座4-7上设置阶梯式气缸4-8，阶梯式气缸4-8的内侧壁上设置台阶4-9，台阶4-9上部的阶梯式气缸4-8内壁间隙密封设置上塞体4-1，台阶4-9下部的阶梯式气缸4-8内壁间隙密封设置下塞体4-2，所述上塞体4-1与下塞体4-2之间空腔形成间隙密封的腔体4-6；所述隼部4-3设置在腔体4-6内且两端分别固定在上塞体4-1和下塞体4-2上，隼部4-3穿过平面支撑弹簧4-4并固定在平面支撑弹簧4-4上，平面支撑弹簧4-4固定在台阶4-9上，上塞体4-1上部设置高温筒4-5。

本发明中，所述上塞体4-1和下塞体4-2均为圆筒形结构。

本发明中，所述上塞体4-1直径大于下塞体4-2直径。

本发明中，所述平面支撑弹簧4-4包括两组呈平行状设置的弹簧。

本发明中，所述直线振荡电机包括定子7、动力活塞8和动力活塞支撑9。

本发明中，所述动力活塞支撑9为板簧支撑或气浮轴承支撑。

在本发明中，腔体4-6中工质压力(高压氦气)与其他部件(如膨胀腔、压缩腔、回热器、电机等充满工质的空间)的工质压力相同。其含义为：腔体4-6与其他部件空间相连通，因而各个工质空间中工质具有相同的平均工作压力。但排出器运动时则为动态密封，其他部件中的压力波动不会影响到腔体4-6中的压力。

本发明中，所述斯特林发动机的数量为一个或两个。所述直线振荡电机的数量为一个或两个。当斯特林发动机的数量为一个，直线振荡电机的数量为两个时，直线振荡电机呈对称设置。当斯特林发动机的数量为两个，直线振荡电机的数量为两个时，斯特林发动机和直线振荡电机分别呈对称设置。