CN103225570B - 一种发电机与制冷机耦合的双斯特林机 - Google Patents

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Abstract

一种发电机与制冷机耦合的双斯特林机，主要由斯特林热机、配气活塞、耦合机壳、功率活塞、板弹簧、压缩活塞、推移活塞、斯特林制冷机组成，其原理是通过耦合斯特林热机和斯特林制冷机，将斯特林热机的功率活塞作为斯特林制冷机的压缩活塞，将热能直接转换成压缩功，进而推动斯特林制冷机制冷。本发明减少了热-电-机-热过程中的两个环节，省去了线***流发电机和直线电机，从而能够大幅提高空间热源的利用效率，减少了***的重量，提高了***的可靠性。同时本发明将斯特林热机和斯特林制冷机在同一轴线布置，实现了自主减振，能够应用于深空探测等多项空间任务中。

Description

一种发电机与制冷机耦合的双斯特林机
技术领域
本发明涉及一种发电机与制冷机耦合的双斯特林机，属于低温制冷技术领域。
背景技术
斯特林循环是由两个等温过程和两个等容过程组成的闭式热力学循环。斯特林发电技术采用斯特林正循环，利用斯特林热机，将热能转化为机械能，通过耦合在斯特林热机上的线***流发电机输出电能，该技术在热电转换技术中效率最高。而斯特林制冷机则是采用斯特林逆向循环，将其中的回热过程变成制冷过程，利用电机带动压缩活塞往复运动，使工质气体在压缩空间、蓄冷器(回热器)和膨胀空间等部分交替流动，工质气体膨胀吸热制冷。
目前国内对斯特林制冷机的研究已经成熟，但是对斯特林热电转换技术的研究刚刚开始起步，而对于将斯特林发电机与制冷机耦合的双斯特林技术，更是没有涉及。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：填补现有技术空白，提供一种发电机与制冷机耦合的双斯特林机，提高空间热源利用效率，减少***质量，提高***可靠性。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种发电机与制冷机耦合的双斯特林机，包括斯特林热机、配气活塞、功率气缸、功率活塞、板弹簧、内垫环、耦合机壳、压缩活塞、压缩气缸、推移活塞、斯特林制冷机、冷机膨胀腔、冷机压缩腔、热机压缩腔和热机膨胀腔；
其中，所述耦合机壳两端开口，内壁中间位置沿径向设有一***结构，该结构左右两侧形成突台；其总体连接关系如下：
所述双斯特林机从左向右依次为斯特林热机、功率气缸、耦合机壳、压缩气缸和斯特林制冷机，上述各部件之间通过法兰同轴固定连接；
配气活塞位于斯特林热机与功率气缸连接处的内腔中，形成径向间隙密封结构，配气活塞和斯特林热机之间的空间形成热机膨胀腔；
功率活塞位于功率气缸内腔左端，功率活塞和配气活塞之间的空间形成热机压缩腔；
推移活塞位于斯特林制冷机与压缩气缸连接处的内腔中，形成径向间隙密封结构，推移活塞和斯特林制冷机之间的空间形成冷机膨胀腔；
压缩活塞位于压缩气缸内腔右端，压缩活塞和推移活塞之间的空间形成冷机压缩腔；
所述功率活塞和压缩活塞的轴线位于同一直线上，功率活塞的活塞杆右端和压缩活塞的活塞杆左端固定连接在一起；
功率活塞和压缩活塞之间安装有两组柔性板弹簧，左侧一组板弹簧的外圆右侧和耦合机壳内壁的左侧凸台抵触连接，右侧一组板弹簧的外圆左侧和耦合机壳内壁的右侧凸台抵触连接；左侧一组板弹簧的内孔套装在功率活塞的活塞杆上，右侧一组板弹簧的内孔套装在压缩活塞的活塞杆上；在功率活塞和左侧一组板弹簧之间、左右两组板弹簧之间，以及压缩活塞和右侧一组板弹簧之间分别设有内垫环进行压紧和定位；由此使功率活塞和功率气缸之间，以及压缩活塞和压缩气缸之间在径向上形成间隙密封结构，优选所述间隙为8μm～20μm。
有益效果
本发明通过耦合斯特林热机和斯特林制冷机，将斯特林热机的功率活塞作为斯特林制冷机的压缩活塞，将热能直接转换成压缩功，进而推动斯特林制冷机制冷，减少了热-电-机-热过程中的两个环节，省去了线***流发电机和直线电机，从而能够大幅提高空间热源的利用效率(提高20％以上)，减少了***的重量，提高了***的可靠性。同时本发明将斯特林热机和斯特林制冷机在同一轴线布置，实现了自主减振，是一种创新的制冷技术，能够应用于空间低温液体长期在轨存储中的主动制冷，空间天文台制冷，深空探测和月球基地氧气液化、金星探测等任务中。
附图说明
图1为本发明的一种发电机与制冷机耦合的双斯特林机的结构示意图；
其中，1—斯特林热机、2—配气活塞、3—功率气缸、4—功率活塞、5—板弹簧、6—开槽螺钉、7—内垫环、8—耦合机壳、9—压缩活塞、10—压缩气缸、11—推移活塞、12—斯特林制冷机、13—冷机膨胀腔、14—冷机压缩腔、15—热机压缩腔、16—热机膨胀腔。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明进一步说明。
实施例
如图1所示的一种发电机与制冷机耦合的双斯特林机，包括斯特林热机1、配气活塞2、功率气缸3、功率活塞4、板弹簧5、开槽螺钉6、内垫环7、耦合机壳8、压缩活塞9、压缩气缸10、推移活塞11、斯特林制冷机12、冷机膨胀腔13、冷机压缩腔14、热机压缩腔15和热机膨胀腔16；
其中，所述耦合机壳8两端开口，内壁中间位置沿径向设有一***结构，该结构左右两侧形成突台；其总体连接关系如下：
所述双斯特林机从左向右依次为斯特林热机1、功率气缸3、耦合机壳8、压缩气缸10和斯特林制冷机12，上述各部件之间通过法兰同轴固定连接；
配气活塞2位于斯特林热机1与功率气缸3连接处的内腔中，形成径向间隙密封结构，配气活塞2和斯特林热机1之间的空间形成热机膨胀腔16；
功率活塞4位于功率气缸3内腔左端，功率活塞4和配气活塞2之间的空间形成热机压缩腔15；
推移活塞11位于斯特林制冷机12与压缩气缸10连接处的内腔中，形成径向间隙密封结构，推移活塞11和斯特林制冷机12之间的空间形成冷机膨胀腔13；
压缩活塞9位于压缩气缸10内腔右端，压缩活塞9和推移活塞11之间的空间形成冷机压缩腔14；
所述功率活塞4和压缩活塞9的轴线位于同一直线上，功率活塞4的活塞杆右端和压缩活塞9的活塞杆左端螺接在一起；
功率活塞4和压缩活塞9之间安装有两组柔性板弹簧5，左侧一组板弹簧的外圆右侧和耦合机壳8内壁的左侧凸台抵触连接，右侧一组板弹簧的外圆左侧和耦合机壳8内壁的右侧凸台抵触连接；每组板弹簧外圆上均布有3个螺栓孔，通过开槽螺钉6将左右两组板弹簧的外圆分别固定在耦合机壳8左右两侧的凸台上；左侧一组板弹簧的内孔套装在功率活塞4的活塞杆上，右侧一组板弹簧的内孔套装在压缩活塞9的活塞杆上；在功率活塞4和左侧一组板弹簧之间、左右两组板弹簧之间，以及压缩活塞9和右侧一组板弹簧之间分别设有内垫环7进行压紧和定位；由此使功率活塞4和功率气缸3之间，以及压缩活塞9和压缩气缸10之间在径向上形成间隙密封结构，所述间隙为8μm～20μm。
上述方案的原理是：采用外部热源对斯特林热机1加热，使热机膨胀腔16内的工质气体受热膨胀，推动配气活塞2移动；工质气体进入配气活塞2和功率活塞4之间的热机压缩腔15，推动功率活塞4移动；由于功率活塞4和压缩活塞9的活塞杆连接在一起，所以带动压缩活塞9也随之移动；在板弹簧5的支撑下，实现了功率活塞4与功率气缸3之间、压缩活塞9和压缩气缸10之间的非接触往复运动，从而带动推移活塞11往复运动，进而推动斯特林制冷机12制冷。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种发电机与制冷机耦合的双斯特林机，其特征在于：包括斯特林热机(1)、配气活塞(2)、功率气缸(3)、功率活塞(4)、板弹簧(5)、内垫环(7)、耦合机壳(8)、压缩活塞(9)、压缩气缸(10)、推移活塞(11)、斯特林制冷机(12)、冷机膨胀腔(13)、冷机压缩腔(14)、热机压缩腔(15)和热机膨胀腔(16)；
其中，所述耦合机壳(8)两端开口，内壁中间位置沿径向设有一***结构，该结构左右两侧形成突台；其总体连接关系如下：
所述双斯特林机从左向右依次为斯特林热机(1)、功率气缸(3)、耦合机壳(8)、压缩气缸(10)和斯特林制冷机(12)，上述各部件之间通过法兰同轴固定连接；
配气活塞(2)位于斯特林热机(1)与功率气缸(3)连接处的内腔中，形成径向间隙密封结构，配气活塞(2)和斯特林热机(1)之间的空间形成热机膨胀腔(16)；
功率活塞(4)位于功率气缸(3)内腔左端，功率活塞(4)和配气活塞(2)之间的空间形成热机压缩腔(15)；
推移活塞(11)位于斯特林制冷机(12)与压缩气缸(10)连接处的内腔中，形成径向间隙密封结构，推移活塞(11)和斯特林制冷机(12)之间的空间形成冷机膨胀腔(13)；
压缩活塞(9)位于压缩气缸(10)内腔右端，压缩活塞(9)和推移活塞(11)之间的空间形成冷机压缩腔(14)；
所述功率活塞(4)和压缩活塞(9)的轴线位于同一直线上，功率活塞(4)的活塞杆右端和压缩活塞(9)的活塞杆左端固定连接在一起；
功率活塞(4)和压缩活塞(9)之间安装有两组柔性板弹簧(5)，左侧一组板弹簧的外圆右侧和耦合机壳(8)内壁的左侧凸台抵触连接，右侧一组板弹簧的外圆左侧和耦合机壳(8)内壁的右侧凸台抵触连接；左侧一组板弹簧的内孔套装在功率活塞(4)的活塞杆上，右侧一组板弹簧的内孔套装在压缩活塞(9)的活塞杆上；在功率活塞(4)和左侧一组板弹簧之间、左右两组板弹簧之间，以及压缩活塞(9)和右侧一组板弹簧之间分别设有内垫环(7)进行压紧和定位；由此使功率活塞(4)和功率气缸(3)之间，以及压缩活塞(9)和压缩气缸(10)之间在径向上形成间隙密封结构。
2.根据权利要求1所述的一种发电机与制冷机耦合的双斯特林机，其特征在于：功率活塞(4)和功率气缸(3)之间，以及压缩活塞(9)和压缩气缸(10)之间在径向上形成间隙密封结构，所述间隙为8μm～20μm。
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