CN114458473B - 自由活塞斯特林发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发电技术领域，提供一种自由活塞斯特林发电机，包括：缸体和动力活塞，缸体一端形成膨胀腔，缸体内设有定位法兰和调相器，调相器设于定位法兰靠近膨胀腔一侧，定位法兰与调相器相连接，调相器外周侧设有热声单元，热声单元用于产生声功，定位法兰远离膨胀腔一侧形成安装腔；动力活塞设于安装腔内，动力活塞远离热声单元一侧连接有发电单元，动力活塞在声功作用下相对定位法兰往复移动；定位法兰与缸体形成动力活塞弹簧腔，动力弹簧腔位于热声单元和发电单元之间且与安装腔连通，动力活塞弹簧腔内设有第一电机冷却器，第一电机冷却器用于冷却热声单元侧流至发电单元侧的热量。由此，发电单元可以不受到热声单元侧较高温度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种自由活塞斯特林发电机。
背景技术
现阶段，对于某些散热条件较差的特定场合，要求自由活塞斯特林发电机的冷端排热温度尽可能地提高。然而现有的发电机，压缩腔与直线电机之间通过动力活塞与气缸进行隔离，结构十分紧凑，但压缩腔的热气会有一小部分穿过动力活塞间隙密封面进入直线电机，同时气缸也会将热量导入直线电机。在这一结构下，如果将直线电机冷却到显著低于压缩腔的温度，容易造成活塞、气缸上存在较大温度梯度产生热应力变形，从而导致间隙被破坏，电机动子无法正常工作。为了消除这一温度梯度，一般直线电机的冷却环境与发动机侧冷却器相同。因此提高排热温度意味着电机也需要工作在高温环境中，再加上电机自身的发热，永磁体温度还要高于电机外冷却温度，可能出现性能下降甚至退磁。此外，调相器的回中磁路也需要工作在高温下，失效风险较大。
发明内容
本发明实施例提供一种自由活塞斯特林发电机，用以解决现有技术中发电机无法应用在散热条件差的环境中的技术问题。
本发明实施例提供一种自由活塞斯特林发电机，包括：
缸体，一端形成膨胀腔，所述缸体内设有定位法兰和调相器，所述调相器设于所述定位法兰靠近所述膨胀腔一侧，所述定位法兰与所述调相器相连接，所述调相器外周侧设有热声单元，所述热声单元用于产生声功，所述定位法兰远离所述膨胀腔一侧形成安装腔；
动力活塞，设于所述安装腔内，所述动力活塞远离所述热声单元一侧连接有发电单元，所述动力活塞在所述声功作用下相对所述定位法兰往复移动；其中，
所述定位法兰与所述缸体形成动力活塞弹簧腔，所述动力弹簧腔位于所述热声单元和所述发电单元之间且与所述安装腔连通，所述动力活塞弹簧腔内设有第一电机冷却器，所述第一电机冷却器用于冷却所述热声单元侧流至所述发电单元侧的热量。
根据本发明一个实施例的自由活塞斯特林发电机，所述调相器包括调相器活塞，所述定位法兰远离所述动力活塞一侧构成气体弹簧活塞，所述调相器活塞内部设有与所述气体弹簧活塞对应设置的凸起部，所述凸起部与所述气体弹簧活塞间隙密封并将所述调相器内部空间分为热端气体弹簧腔和冷端气体弹簧腔。
根据本发明一个实施例的自由活塞斯特林发电机，所述调相器内还设有板弹簧，所述气体弹簧活塞一端与所述板弹簧相连接。
根据本发明一个实施例的自由活塞斯特林发电机，所述热声单元包括依次连接的高温换热器、回热器以及低温换热器，所述高温换热器靠近所述膨胀腔一侧设置；
所述定位法兰上设有连接孔，用于将所述热声单元侧产生的声功传输至所述动力活塞。
根据本发明一个实施例的自由活塞斯特林发电机，所述动力活塞顶部与所述定位法兰之间形成压缩腔，所述压缩腔与所述连接孔连通。
根据本发明一个实施例的自由活塞斯特林发电机，所述动力活塞与所述定位法兰间隙密封，所述动力活塞远离所述压缩腔一侧形成连通腔室，所述连通腔室与所述动力活塞弹簧腔连通。
根据本发明一个实施例的自由活塞斯特林发电机，所述缸体内还设有连接件，所述连接件中部形成有配合腔室，所述连接件设于所述定位法兰远离所述膨胀腔一侧；
所述动力活塞设于所述连接件与所述定位法兰之间，且所述连接件与所述定位法兰之间形成所述连通腔室。
根据本发明一个实施例的自由活塞斯特林发电机，所述发电单元包括连接杆，所述连接杆穿设于所述配合腔室并与所述动力活塞相连接，所述连接杆上设有永磁体，所述连接杆外周侧围设有内定子，所述缸体内还设有与所述内定子相对设置的外定子，所述外定子内部朝向所述永磁体一侧围设有铜线圈。
根据本发明一个实施例的自由活塞斯特林发电机，所述缸体内侧设有第二电机冷却器，所述第二电机冷却器设于所述连接件背离所述定位法兰一侧设置。
根据本发明一个实施例的自由活塞斯特林发电机，所述缸体外侧套设有第三电机冷却器，所述第三电机冷却器靠近所述发电单元外周侧设置。
本发明实施例提供的自由活塞斯特林发电机，通过定位法兰与缸体形成动力活塞弹簧腔，并通过在动力弹簧腔内设置第一电机冷却器进而避免热声单元侧的高温热量传输至发电单元侧，如此在外界散热环境较差的情况下，发电单元一侧不会受到热声单元侧较高温度的影响，保证发电单元高效、稳定地运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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发明的一些实施例，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为本发明实施例自由活塞斯特林发电机的结构示意图；
图2为图1所示的另一实施例的结构示意图；
图3为图1所示的调相机构与定位法兰的配合结构示意图；
附图标记：
10、缸体；110、膨胀腔；120、定位法兰；1210、安装腔；1220、气体弹簧活塞；1230、连接孔；130、调相器；1310、调相器活塞；1320、凸起部；1330、热端气体弹簧腔；1340、冷端气体弹簧腔；1350、板弹簧；140、热声单元；1410、高温换热器；1420、回热器；1430、低温换热器；160、动力活塞弹簧腔；170、第一电机冷却器；180、压缩腔；190、连通腔室；1910、连接件；1911、配合腔室；1920、第二电机冷却器；1930、第三电机冷却器；
20、动力活塞；210、发电单元；2110、连接杆；2120、永磁体；2130、内定子；2140、外定子；2150、铜线圈。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明实施例和简化描述，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发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
下面结合图1至图3，本发明实施例提出保护一种自由活塞斯特林发电机，包括：缸体10和动力活塞20，缸体10一端形成膨胀腔110，缸体10内设有定位法兰120和调相器130，调相器130设于定位法兰120靠近膨胀腔110一侧，定位法兰120与调相器130相连接，调相器130外周侧设有热声单元140，热声单元140用于产生声功，定位法兰120远离膨胀腔110一侧形成安装腔1210；动力活塞20设于安装腔1210内，动力活塞20远离热声单元140一侧连接用发电单元210，动力活塞20在声功作用下相对定位法兰120往复移动；其中，定位法兰120与缸体10形成动力活塞弹簧腔160，动力弹簧腔160位于热声单元140和发电单元210之间且与安装腔1210连通，动力活塞弹簧腔160内设有第一电机冷却器170，第一电机冷却器170用于冷却热声单元140侧流至发电单元210侧的热量。
需要说明的是，通过定位法兰120将热声单元140与发电单元210之间另分出分一部分空间，并通过在动力弹簧腔内设置第一电机冷却器170进而避免热声单元140侧的高温热量传输至发电单元210侧，如此在外界散热环境较差的情况下，发电单元210一侧不会受到热声单元140侧较高温度的影响，保证发电单元210高效、稳定地运行。
在本发明的一些实施例中，调相器130包括调相器活塞1310，定位法兰120远离动力活塞20一侧构成气体弹簧活塞1220，调相器活塞1310内部设有与气体弹簧活塞1220对应设置的凸起部1320，凸起部1320与气体弹簧活塞1220间隙密封并将调相器130内部空间分为热端气体弹簧腔1330和冷端气体弹簧腔1340。定位法兰120与缸体10固定连接，定位法兰120顶部形成气体弹簧活塞1220，调相器130与气体弹簧活塞1220之间间隙密封，并可在声功的作用下相对定位法兰120往复运动。进一步地，调相器130内还设有板弹簧1350，气体弹簧活塞1220一端与板弹簧1350相连接。板弹簧1350的作用为调相器130提供往复运动的力，以便于调相器130稳定运行。
对于热声单元140，热声单元140包括依次连接的高温换热器1410、回热器1420以及低温换热器1430，高温换热器1410靠近膨胀腔110一侧设置；定位法兰120上设有连接孔1230，用于将热声单元140侧产生的声功传输至动力活塞20。也即，热声单元140主要通过热制声。具体地，热声单元140设于定位法兰120靠近膨胀腔110一侧，高温换热器1410一侧接收外界的高温，进而与低温换热侧之间形成温度梯度，当温度梯度大于阈值状态下产生声功，声功推动调相器130和动力活塞20运动。连接孔1230的设置便于热声单元140侧产生的声功传输至动力活塞20。
在本发明的一些实施例中，动力活塞20顶部与定位法兰120之间形成压缩腔180，压缩腔180与连接孔1230连通。进一步地，动力活塞20与定位法兰120间隙密封，动力活塞20远离压缩腔180一侧形成连通腔室190，连通腔室190与动力活塞弹簧腔160连通。需要说明的是，动力活塞20朝向热声单元140侧的间隙较大，靠近发电单元210侧间隙尺寸变小，以隔绝压缩腔180和连通腔室190之间的压力波动。低温换热器1430侧的排热温度较高时，部分热量会经过动力活塞20与定位法兰120之间的间隙传输至连通腔室190，且连通腔室190与动力活塞弹簧腔160连通，进而在声功的作用下，热量被传输至动力活塞弹簧腔160内，被位于动力活塞弹簧腔160内的第一电机冷却器170进行降温、冷却。进而动力活塞20一侧的发电单元210不受低温换热器1430侧较高温度的影响，提高发电单元210的运行稳定性。
需要说明的是，连通腔室190属于动力活塞弹簧腔160的一部分，为便于描述引入连通腔室190，在此不做赘述。
进一步地，缸体10内还设有连接件1910，连接件1910中部形成有配合腔室1911，连接件1910设于定位法兰120远离膨胀腔110一侧；动力活塞20设于连接件1910与定位法兰120之间，且连接件1910与定位法兰120之间形成连通腔室190。也即，连接件1910与定位法兰120间隔设置，之间存留的间隙为连通腔室190，连通腔室190与动力活塞弹簧腔160连通，如此便于将热量传输至动力活塞弹簧腔160内进行降温。
对于发电单元210，发电单元210包括连接杆2110，连接杆2110穿设于配合腔室1911并与动力活塞20相连接，连接杆2110上设有永磁体2120，连接杆2110外周侧围设有内定子2130，缸体10内还设有与内定子2130相对设置的外定子2140，外定子2140内部朝向永磁体2120一侧围设有铜线圈2150。动力活塞20在声功的作用下往复运动，进而使得连接杆2110上下往复运动，连接杆2110上的永磁体2120切割磁感线以生电，具体的发电原理属于本领域技术人员所熟知的技术，在此不做赘述。
为提高发电单元210侧的散热效果，在本发明的一些实施例中，缸体10外侧套设有第二电机冷却器1920，第二电机冷却器1920靠近发电单元210外周侧设置。在本发明的再一些实施例中，缸体10内侧设有第三电机冷却器1930，第三电机冷却器1930设于连接件1910背离定位法兰120一侧设置。也即，第二电机冷却器1920和第三电机冷却器1930用于冷却发电单元210自身的发热，可以起到更好的冷却散热效果，配合第一电机冷却器170的有效热缓冲，能使发电单元210工作在高效率、高可靠的较低温区，其中第三电机冷却器1930设置于缸体10内侧的实施例更适用于更大发电功率、需要更大电机散热量的应用场景。
也即，本发明将动力活塞20和气体弹簧腔前置，当应用场景散热条件较差、要求热声单元140侧排热温度较高时，例如至少为200摄氏度以上的排热环境中，第一电机冷却器170可以对其进行热缓冲，适应温度梯度变化。同时，发电单元210侧还设有第二电机冷却器1920或第三电机冷却器1930，可以进行更低温度的独立排热，使得发电单元210在较低温度下运行，运行更加高效和稳定，同时该结构还可以有效缩小发电机构外径，合理设计后可以与热声单元140侧等直径，有利于减小整机体积和重量。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种自由活塞斯特林发电机，其特征在于，包括：
缸体，一端形成膨胀腔，所述缸体内设有定位法兰和调相器，所述调相器设于所述定位法兰靠近所述膨胀腔一侧，所述定位法兰与所述调相器相连接，所述调相器外周侧设有热声单元，所述热声单元用于产生声功，所述定位法兰远离所述膨胀腔一侧形成安装腔；
动力活塞，设于所述安装腔内，所述动力活塞远离所述热声单元一侧连接有发电单元，所述动力活塞在所述声功作用下相对所述定位法兰往复移动；其中，
所述定位法兰与所述缸体形成动力活塞弹簧腔，所述动力弹簧腔位于所述热声单元和所述发电单元之间且与所述安装腔连通，所述动力活塞弹簧腔内设有第一电机冷却器，所述第一电机冷却器用于冷却所述热声单元侧流至所述发电单元侧的热量；
所述调相器包括调相器活塞，所述定位法兰远离所述动力活塞一侧构成气体弹簧活塞，所述调相器活塞内部设有与所述气体弹簧活塞对应设置的凸起部，所述凸起部与所述气体弹簧活塞间隙密封并将所述调相器内部空间分为热端气体弹簧腔和冷端气体弹簧腔。
2.根据权利要求1所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述调相器内还设有板弹簧，所述气体弹簧活塞一端与所述板弹簧相连接。
3.根据权利要求1所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述热声单元包括依次连接的高温换热器、回热器以及低温换热器，所述高温换热器靠近所述膨胀腔一侧设置；
所述定位法兰上设有连接孔，用于将所述热声单元侧产生的声功传输至所述动力活塞。
4.根据权利要求3所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述动力活塞顶部与所述定位法兰之间形成压缩腔，所述压缩腔与所述连接孔连通。
5.根据权利要求4所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述动力活塞与所述定位法兰间隙密封，所述动力活塞远离所述压缩腔一侧形成连通腔室，所述连通腔室与所述动力活塞弹簧腔连通。
6.根据权利要求5所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述缸体内还设有连接件，所述连接件中部形成有配合腔室，所述连接件设于所述定位法兰远离所述膨胀腔一侧；
所述动力活塞设于所述连接件与所述定位法兰之间，且所述连接件与所述定位法兰之间形成所述连通腔室。
7.根据权利要求6所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述发电单元包括连接杆，所述连接杆穿设于所述配合腔室并与所述动力活塞相连接，所述连接杆上设有永磁体，所述连接杆外周侧围设有内定子，所述缸体内还设有与所述内定子相对设置的外定子，所述外定子内部朝向所述永磁体一侧围设有铜线圈。
8.根据权利要求6所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述缸体内侧设有第二电机冷却器，所述第二电机冷却器设于所述连接件背离所述定位法兰一侧设置。
9.根据权利要求1所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述缸体外侧套设有第三电机冷却器，所述第三电机冷却器靠近所述发电单元外周侧设置。
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