CN104895697B - 一种自由活塞式斯特林机器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自由活塞式斯特林机器，降低排出器板簧设计与制造难度的自由活塞式斯特林机器，在排出器活塞杆的两个端部分别紧固一大一小两个活塞，背压腔内包含一个由移相变压器供电的直线往复电机(称之为移相驱动电机)。排出器活塞杆上紧固的大活塞即为排出器，置于膨胀腔；小活塞和排出器板簧被紧固于排出器活塞杆位于背压腔的另一端，小活塞置于移相驱动电机动子上开辟出的气缸内。由动力活塞带动的直线往复电机通过移相变压器与移相驱动电机实现电器连接。本发明以低制造成本实现排出器的高频、大振幅工况，能提高自由活塞式斯特林的功率密度及单机容量，在斯特林发电机与制冷机中均能应用。

Description

一种自由活塞式斯特林机器

技术领域

本发明涉及热能动力技术，具体涉及一种基于斯特林循环进行发电、制冷等用途的自由活塞式斯特林机器。

背景技术

斯特林装置基于斯特林循环，按用途分为两大类：采用正向斯特林循环的被称作斯特林发动机，装置内工作气体在高温下吸热膨胀、常温下放热压缩，获取的膨胀功大于压缩功，从而将热能转化为机械能，其理论效率等于卡诺循环效率；采用逆向斯特林循环的被称作斯特林制冷机，装置需要消耗机械能实现工作气体在常温下放热压缩，低温下吸热膨胀产生制冷效果，其理论效率也等于卡诺循环效率。逆向运行的斯特林装置依据工作温度也可以设计成热泵，通过外界补偿机械能实现热能品位提升。斯特林机器与外部热源之间实现了间壁式换热，为闭式循环热机，工作气体通常为氦气、氢气等环保气体，因此具有适用性广、高效、环保等优点；在水下动力、太阳能光热发电、移动式分布式发电，电子器件、超导器件等的冷却，生物冷藏等领域均有应用。

斯特林机器至少包括两个运动部件来实现膨胀腔与压缩腔容积的变化，毗邻压缩腔的运动部件称为动力活塞或压缩活塞，毗邻膨胀腔的运动部件称为配气活塞或排出器；两个活塞的运动会驱动工作气体通过相互毗邻的换热器、回热器流道在两个腔间往复穿梭。工作气体的压力在流动换热过程中会经历与活塞运动时间上不同步的变化，由此产生热功转换；两活塞运动相位关系不同，热功转换的效果也不同。

作为在本领域公知的技术，现存三种主要的斯特林机器的配置。α(Alpha)型的配置具有至少两个在不同的汽缸内的活塞，动力活塞与配气活塞均要承受工作腔压力到背压的压力差；β(Beta)型的配置具有单一动力活塞，所述动力活塞被布置在有配气置换器活塞的同一个汽缸内，其中的动力活塞仍需承受工作腔压力到背压的压力差，而配气活塞需承受的压力差要小得多，只是膨胀腔与压缩腔之间的压力差。γ型的配置和β型的相似，只是γ型动力活塞装在与配气活塞汽缸毗邻的另一个汽缸内。早期的斯特林机器一直是以机械运动学原理驱动的机器，即所述动力活塞与配气活塞是通过机械机构互相连接，典型的是通过接杆和曲轴实现运动幅度及相位关系。自WilliamBeale发明了自由活塞式斯特林机器后，自由活塞式斯特林机器多采用β型和γ型配置。

在自由活塞式斯特林机器中，活塞间没有采用刚性机构连接，运动部件遵循动力学规律，在气体力、质量惯性力及回复力约束下往复运动；随工况不同，各活塞的振幅及其相位差均可变化，“自由活塞”也由此得名。活塞往复运动所需的回复力可以由相应容积的“气体弹簧”提供，也可由相应刚度的弹簧提供(典型的为平面弹簧，也称板簧)。早期的自由活塞斯特林采用气体弹簧作为活塞的回复力，但因工作腔压力幅度不对称，使得单纯通过气体弹簧作用的活塞因没有任何机械约束而产生“漂移”，需要相应的控制结构及方法才能避免两活塞相撞或撞缸，增加了机器的复杂性。而后STC公司采用板簧代替气体弹簧的自由活塞式斯特林γ型配置逐步成熟，开发出3KW等规格的机器。Microgen公司以Sunpower公司技术开发的β型1KW微型家用热电联供***，不仅综合采用了板簧和气体弹簧，还在动力活塞上采用了由单向阀泵气的气体轴承，实现了无板簧支撑的“悬浮式”动力活塞。现代自由活塞式斯特林机采用间隙密封、柔性支撑，集成直线电机(典型包括动圈、动磁、动铁三大类型式)的设计减小了机械摩擦，实现了无油润滑、高效、长寿命、高可靠性，另一方面，通过对置或附加吸振器使振动、噪声水平也大幅降低；在诸多指标上优于机械式斯特林机器。

图1为公知的采用动磁直线电机的β型自由活塞式斯特林机结构示意图。如图1所示，现有的β型自由活塞式斯特林机配置包括：动力活塞16、排出器12、气缸体5、排出器板簧19、动力活塞板簧18，永磁动子10通过刚性支架11固定于动力活塞杆17，紧固件20将板簧18紧固在动力活塞杆17的尾部。排出器活塞杆13同轴穿进动力活塞16，排出器活塞细杆14同轴穿过动力活塞16与动力活塞杆17，其两端各有紧固件24、15分别将板簧19、排出器12紧固。动力活塞16与排出器12的相对运动引起压缩腔22、膨胀腔21的容积变化，驱动工作介质通过毗邻布置的第二换热器4、回热器3、第一换热器2中的流道在两个腔间来回穿梭。作为发电机设计时，第一换热器2温度高、第二换热器4温度低，膨胀功大于压缩功实现热功转换，气体力驱动动力活塞16带动永磁动子10在环形气隙中往复运动，该气隙由同轴布置的内磁轭9与外磁轭7围成，电磁效应将在线圈8中感生出电压驱动外界负载。作为制冷机设计时，第一换热器2温度低、第二换热器4温度高，外部电源对线圈8供电，电磁效应将产生电磁力驱动动力活塞16做往复运动，排出器12在动力学规律支配下往复运动，并在第一换热器2、膨胀腔21产生冷却效果。上述所有部件被密封于压力壳1内，直线电机安装于背压腔23内。

现有的γ型自由活塞斯特林机如图2所示，其与β型的主要区别在于两点：(1)γ型动力活塞16与排出器12分别位于两个直径不相等的气缸内，排出器12的直径大于动力活塞16的直径，压缩腔22内布置有带有通气孔的刚性支架33；(2)γ型排出器板簧19不像β型那样临近背压腔最端部，而是通过带有通气孔的刚性支架33封装在排出器12内部。γ型的配置将排出器12和活塞16布置在不同的汽缸内，使它们对加工及装配精度的要求不会如β型的配置那般严格，但是γ型的配置的死容积及振动转矩会比β型的配置大。针对振动抑制，可采用的方案是将一个大直径动力活塞替代为两个对置的、小直径动力活塞。

自由活塞式斯特林机有诸多优点，但在功率密度以及单机容量两方面要明显劣于机械式斯特林。基于机构传动和接触密封，机械式斯特林可以实现高充气压力(典型的可至10MPa)、大扫气容积(典型的为数升)。

自由活塞式斯特林采用无油润滑动密封，活塞与气缸间一般存在0.02mm-0.04mm的间隙，难以达到机械式斯特林的密封水平。因此，改善两项指标的有效途径在于设计尽可能紧凑的机器工作于更高的频率、更大的振幅，以获得尽可能多的膨胀功。自由活塞式斯特林的板簧典型的采用弹簧钢制作，其材料力学特性决定了对给定尺寸及型线的板簧：随着材料厚度减小，刚度下降趋势快于应力下降趋势；而随着厚度增加，应力上升趋势又快于刚度上升趋势。

要实现更高频率运行，需要轻盈的排除器组件及大刚度的排除器板簧，而在紧凑尺寸下实现大振幅需要更薄的排除器板簧以避免其超过许用应力而断裂；采用更多片薄板簧可在许用应力下实现大刚度，但因其等效质量也同时加大而无法有效提高运行频率。

图1中β型机器采用同轴布置的排出器活塞杆13和排出器活塞细杆14一粗一细的组合就是一种排出器组件减重设计方案，即保证了受力面积又减轻了重量；而图2中γ型机器将排除器12直径较动力活塞16大也旨在降低排出器板簧19的应力水平。随着自由活塞式斯特林技术的逐步成熟，采用公知结构，力图再进一步提升功率密度面临瓶颈：为避免板簧超过许用应力而断裂，典型的需采用贵金属铍制作轻质排除器，代价高昂，单机容量也难以突破几十千瓦。

发明内容

本发明需集成“移相变压器”这种在电力电子领域中的常见装置，通常用于变频器及直流电源的输入侧，在这些场合采用移相变压器的目的是通过其移相能力增加整流器的脉数、减小输入电流谐波，以减轻对电网的谐波污染。在本发明中，集成“移相变压器”是利用其最本质的功能：延边三角形连接可在第二绕组上得到与第一绕组电压相位成任意角度的电压。按照具体的移相角度，采用延边三角形设计移相变压器属公知技术。

本发明的目的在于提供一种自由活塞式斯特林机器，在使用常规材料制作排除器的前提下，降低对排除器板簧刚度的要求，可以采用较薄的排出器板簧实现较传统结构更高的频率、更大的振幅，以低廉成本提高自由活塞式斯特林的功率密度及单机容量。

实现上述目的所采用的技术方案是：在排出器活塞杆的两个端部分别紧固一大一小两个活塞，并在背压腔内增加一个由“移相变压器”供电的直线往复电机(称之为“移相驱动电机”)。排出器活塞杆上紧固的大活塞即为排出器，其功用与公知排出器相同，置于膨胀腔；小活塞(称之为“背压腔活塞”)和排出器板簧被紧固于排出器活塞杆的另一端，背压腔活塞置于移相驱动电机动子上开辟出的气缸内。移相驱动电机通过移相变压器或者具有相同功能的电力变换模组与公知的、由动力活塞带动的直线电机实现电器连接。

移相变压器的第一绕组连接到由动力活塞带动的直线电机，第二绕组连接“移相驱动电机”，移相后的电压实现移相驱动电机动子运动相位与排除器活塞运动相位“反相”(相位差180度)。

背压腔活塞工作于常温区，可采用常见轻质金属或陶瓷(典型的可选择铝合金、钛合金等)制作。为尽量减轻其重量，典型的做成薄壁中空的型式，活塞上不能附有永磁材料(避免与移向驱动电机动子间产生磁力)。

移相驱动电机是一个振动***，其动子气缸中的气体同样起到“气体弹簧”的功能，将该振动***的“谐振点”设计为机器的运行频率，可以显著降低移相驱动电机的电能消耗。

采用上述技术方案后，排出器组件往复振动所需的回复力由排出器板簧弹性回复力与背压腔活塞端部受到的气体力共同提供。移相驱动电机动子气缸中的气体被两个“反相”运动的部件周期性的压缩与舒张；若背压腔活塞振幅为X，移相驱动电机动子的振幅为Y，则移相驱动电机动子气缸中气体的等效刚度相当于一端振动、另一端封闭的“气体弹簧”在X+Y振幅下的等效刚度，即“反相”运动是一种高效增益气体弹簧等效刚度的途径。这种结构显著降低了对排出器板簧弹性力的要求，应用更薄的板簧也能有效提高工作频率，低应力水平使其能实现的振幅更大。本发明以常规材料、低廉的代价实现了在高频下大的排出器振幅，能提高自由活塞式斯特林的功率密度及单机容量，在自由活塞式斯特林发电机与制冷机中均能应用。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种自由活塞式斯特林机器，包括压力壳、气缸体、永磁动子、排出器、动力活塞、动力活塞板簧、排出器板簧、移相变压器，所述压力壳为密闭壳体，所述压力壳内中部设有所述气缸体，所述动力活塞、所述排出器可往复运动的处于所述气缸体内，所述气缸体，所述动力活塞和所述排出器同轴布置，所述压力壳与所述气缸体围成的环形空间内毗邻同轴布置有第一换热器、回热器和第二换热器，所述气缸体、所述动力活塞的端面与所述排出器的底面围成的空间形成压缩腔，所述排出器的端面与所述压力壳端部围成的空间形成膨胀腔，所述气缸体、所述压力壳尾部与所述动力活塞的底面围成的空间或者所述气缸体与所述压力壳尾部围成的空间为背压腔，在所述背压腔内从靠近所述气缸体处依次设有动力活塞板簧、排出器板簧和钢性支架，在所述背压腔内还设有直线电机的永磁动子以及同轴布置且相互留有间隙的内磁轭与外磁轭，所述永磁动子处于所述内磁轭和所述外磁轭之间的气隙内，所述动力活塞和所述永磁动子一方运动可以带动另外一方运动，在所述外磁轭内设有直线电机定子线圈，所述线圈连接外部负载或电源；

所述排出器通过排出器活塞细杆连接所述排出器板簧，所述动力活塞通过动力活塞杆连接所述动力活塞板簧；

在所述钢性支架上设有移相驱动电机定子和板簧，所述板簧连接移相驱动电机轴的尾部，在所述移相驱动电机轴上设有移相驱动电机动子，在所述移相驱动电机动子上开辟有气缸，在所述气缸内设有可往复运动的背压腔活塞，所述排出器还通过所述排出器活塞细杆连接所述背压腔活塞；

所述移相变压器的第一绕组连接到所述线圈，所述移相变压器的第二绕组连接到相驱动电机的定子上的线圈。

进一步，所述排出器活塞细杆依次同轴穿过所述排出器活塞杆和所述动力活塞杆后连接所述排出器板簧。

进一步，所述移相驱动电机的动子外周附有永磁磁钢。

进一步，所述背压腔活塞为轻质金属或陶瓷材料制成的薄壁中空型式。

进一步，所述排出器与所述移相驱动电机动子的运动频率相同且相位差在150度至210度之间。

进一步，所述排出器与所述移相驱动电机动子的运动频率相同且相位差为180度。

进一步，所述移相驱动电机在自由活塞式斯特林机器的工作频率下谐振。

本发明的有益效果是：在使用常规材料制作排除器的前提下，降低对排除器板簧刚度的要求，可以采用较薄的排出器板簧实现较传统结构更高的频率、更大的振幅，以低廉成本提高自由活塞式斯特林的功率密度及单机容量。

附图说明

图1是现有技术中的β型配置的自由活塞式斯特林机器的轴向示意图；

图2是现有技术中的γ型配置的自由活塞式斯特林机器的轴向示意图；

图3是本发明轴向示意图；

图4是具有三个背压腔的自由活塞式斯特林机器的轴向示意图；

图5是移相驱动电机动子与背压腔活塞的位置示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、压力壳，2、第一换热器，3、回热器，4、第二换热器，5、气缸体，6、移相变压器，7、外磁轭，8、线圈，9、内磁轭，10、永磁动子，11、支架，12、排出器，13、排出器活塞杆，14、排出器活塞细杆，15、紧固件Ⅰ，16、动力活塞，17、动力活塞杆，18、动力活塞板簧，19、排出器板簧，20、紧固件Ⅱ，21、膨胀腔，22、压缩腔，23、背压腔，24、背压腔活塞，25、气缸，26、钢性支架，27、移相驱动电机定子，28、永磁磁钢，29、移相驱动电机动子，30、移相驱动电机轴，31、板簧，32、紧固件Ⅲ，33、带有通气孔的刚性支架，34、中心孔，35、容积，36、对置容积，38、气缸Ⅱ，39、气路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

如图3所示，自由活塞式斯特林机器包括：动力活塞16、排出器12、背压腔活塞24、气缸体5、排出器板簧19、动力活塞板簧18，直线往复电机和移向驱动电机置于背压腔23内。直线电机的永磁动子10通过支架11固定于动力活塞杆17，紧固件Ⅱ20将板簧18紧固在动力活塞杆17的尾部。排出器活塞杆13同轴穿进动力活塞16。排出器活塞细杆14同轴穿过动力活塞16与动力活塞杆17，靠近膨胀腔21的一端有紧固件Ⅰ15将排出器12紧固，位于背压腔23的另一端部上紧固了排出器板簧19和背压腔活塞24。动力活塞16与排出器12的相对运动引起压缩腔22、膨胀腔21的容积变化，驱动工作介质通过毗邻布置的第二换热器4、回热器3、第一换热器2中的流道在两个腔间来回穿梭。背压腔活塞24置于移相驱动电机的动子29上开辟出的气缸25内，动子29外周附有永磁磁钢28，动子29安装在电机轴30上，紧固件32将板簧31紧固在电机轴30的尾部，移相驱动电机的定子27和板簧31安装于刚性支架26。移相变压器6的第一绕组连接到线圈8，第二绕组连接到定子27上的线圈。作为发电机设计时，第一换热器2温度高、第二换热器4温度低，膨胀功大于压缩功实现热功转换，气体力驱动动力活塞16带动永磁动子10在环形气隙中往复运动，该气隙由同轴布置的内磁轭9与外磁轭7围成，电磁效应将在线圈8中感生出电压，所产生电能中的一小部分经移相变压器6变换后为移相驱动电机供电，剩余大部分电能用于驱动外界负载。作为制冷机设计时，第一换热器2温度低、第二换热器4温度高；外部电源对线圈8供电，并经过移相变压器6变换后为移相驱动电机供电。电磁效应将产生电磁力驱动动力活塞16和动子29做往复运动，排出器12在动力学规律支配下往复运动，并在第一换热器2、膨胀腔21产生冷却效果。上述所有部件被密封于压力壳1内。

实施例二

如图4具有三个背压腔的自由活塞式斯特林机器的轴向示意图所示，自由活塞式斯特林机器包括：对置的动力活塞16、排出器12、背压腔活塞24、气缸体5、第二气缸体38，排出器板簧19、动力活塞板簧18，直线往复电机置于背压腔23内，永磁动子10通过刚性支架11固定于动力活塞杆17，紧固件Ⅰ15将动力活塞板簧18紧固在动力活塞杆17的尾部。排出器活塞杆13同轴穿过气缸体5上的中心孔34。排出器活塞细杆14同轴穿过中心孔34，靠近膨胀腔21的一端有紧固件Ⅰ15将排出器12紧固，位于背压腔23的另一端紧固了排出器板簧19和背压腔活塞24。压缩腔22由容积35与对置容积36组成，容积35通过气缸体5内的气路39与对置容积36相通，对置的动力活塞16与排出器12的运动引起压缩腔22容积及膨胀腔21容积变化，驱动工作介质通过毗邻布置的第一换热器2、回热器3、第二换热器4中的流道在压缩腔与膨胀腔间来回穿梭。背压腔活塞24置于移相驱动电机的动子29上开辟出的气缸25内，动子29外周附有永磁磁钢28，动子29安装在电机轴30上，紧固件Ⅲ32将板簧31紧固在电机轴30尾部，移相驱动电机的定子27和板簧31安装于刚性支架26。移相变压器6的第一绕组连接到线圈8，第二绕组连接到定子27上的线圈。作为发电机设计时，第一换热器2温度高、第二换热器4温度低，膨胀功大于压缩功实现热功转换，气体力驱动动力活塞16带动永磁动子10在环形气隙中往复运动，该气隙由同轴布置的内磁轭9与外磁轭7围成，电磁效应将在线圈8中感生出电压，所产生电能中的一小部分经移相变压器6变换后为移相驱动电机供电，剩余大部分电能用于驱动外界负载。作为制冷机设计时，第一换热器2温度低、第二换热器4温度高；外部电源对线圈8供电，并经过移相变压器6变换后为移相驱动电机供电。电磁效应将产生电磁力驱动动力活塞16和动子29做往复运动，排出器12在动力学规律支配下往复运动，并在第一换热器2、膨胀腔21产生冷却效果。上述所有部件被密封于压力壳1内，两个对置背压腔内的零件结构与功能相同。与公知γ型配置不同，本实施例将排出器板簧19置于背压腔23内，因此排出器板簧19直径不受排出器12直径的约束，可大可小。

在实施例一和例二中，背压腔活塞置24于移相驱动电机的动子29上开辟出的气缸25内。作为另一种等效功能型式，如图5移相驱动电机动子与背压腔活塞的位置示意图所示，移相电机动子29的头部和背压腔活塞24都被置于气缸25中，气缸25内部空间中的气体功能仍如同前述实施例那样是具有两个运动边界的“气体弹簧”。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种自由活塞式斯特林机器，其特征在于，包括压力壳(1)、气缸体(5)、永磁动子(10)、排出器(12)、动力活塞(16)、动力活塞板簧(18)、排出器板簧(19)、移相变压器(6)，所述压力壳(1)为密闭壳体，所述压力壳(1)内中部设有所述气缸体(5)，所述动力活塞(16)、所述排出器(12)可往复运动的处于所述气缸体(5)内，所述气缸体(5)、所述动力活塞(16)和所述排出器(12)同轴布置，所述压力壳(1)与所述气缸体(5)围成的环形空间内毗邻同轴布置有第一换热器(2)、回热器(3)和第二换热器(4)，所述气缸体(5)内、所述动力活塞(16)的端面与所述排出器(12)的底面围成的空间形成压缩腔(22)，所述排出器(12)的端面与所述压力壳(1)端部围成的空间形成膨胀腔(21)，所述气缸体(5)、所述压力壳(1)尾部与所述动力活塞(16)的底面围成的空间或者所述气缸体(5)与所述压力壳(1)尾部围成的空间为背压腔(23)，在所述背压腔(23)内从靠近所述气缸体(5)处向远离所述气缸体(5)的方向上依次设有动力活塞板簧(18)、排出器板簧(19)和钢性支架(26)，在所述背压腔(23)内还设有移相驱动电机和直线电机的永磁动子(10)以及与所述永磁动子(10)同轴布置且相互留有间隙的内磁轭(9)与外磁轭(7)，所述永磁动子(10)处于所述内磁轭(9)和所述外磁轭(7)之间的气隙内，所述动力活塞(16)和所述永磁动子(10)一方运动可以带动另外一方运动，在所述外磁轭(7)内设有直线电机定子线圈(8)，所述线圈(8)连接外部负载或电源；

所述排出器(12)通过排出器活塞细杆(14)连接所述排出器板簧(19)，所述动力活塞(16)通过动力活塞杆(17)连接所述动力活塞板簧(18)；

在所述钢性支架(26)上设有移相驱动电机定子(27)和板簧(31)，所述板簧(31)连接移相驱动电机轴(30)的尾部，在所述移相驱动电机轴(30)上设有移相驱动电机动子(29)，在所述移相驱动电机动子(29)上开辟有气缸(25)，在所述气缸(25)内设有可往复运动的背压腔活塞(24)，所述排出器(12)还通过所述排出器活塞细杆(14)连接所述背压腔活塞(24)；

所述移相变压器(6)的第一绕组连接到所述线圈(8)，所述移相变压器(6)的第二绕组连接到移相驱动电机的定子(27)上的线圈。

2.根据权利要求1所述的一种自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述排出器活塞细杆(14)依次同轴穿过排出器活塞杆(13)和所述动力活塞杆(17)后连接所述排出器板簧(19)。

3.根据权利要求1所述的一种自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述移相驱动电机动子(29)外周附有永磁磁钢(28)。

4.根据权利要求1所述的一种自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述背压腔活塞(24)为轻质金属或陶瓷材料制成的薄壁中空型式。

5.根据权利要求1所述的一种自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述排出器(12)与所述移相驱动电机动子(29)的运动频率相同且相位差在150度至210度之间。

6.根据权利要求5所述的一种自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述排出器(12)与所述移相驱动电机动子(29)的运动频率相同且相位差为180度。

7.根据权利要求1至6任一所述的一种自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述移相驱动电机在自由活塞式斯特林机器的工作频率下谐振。