一种自由活塞斯特林热机制造技术

本发明专利技术提供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)，其特征在于，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)、底座(4‑7)、阶梯式气缸(4‑8)和台阶(4‑9)。本发明专利技术利用了气体弹簧，减小了板簧刚度，既能够通过平面支撑板簧保证排出器与气缸之间的间隙密封，又降低了平面支撑板簧的设计、材料和工艺难度；排出器采用双塞体结构，将上塞体和下塞体装配在两组平面支撑板簧的两侧，降低了工艺和装配难度，亦使排出器往复振动更稳定，提高了系统的可靠性和使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热能动力技术，尤其涉及一种自由活塞斯特林热机。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术中，所述上塞体4-1和下塞体4-2均为圆筒形结构。本专利技术中，所述上塞体4-1直径大于下塞体4-2直径。本专利技术中，所述平面支撑弹簧4-4包括两组呈平行状设置的弹簧。本专利技术中，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。本专利技术中，所述动力活塞支撑9为板簧支撑或气浮轴承支撑。在本专利技术中，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。本专利技术中，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。本专利技术中，所述排出器上塞体与下塞体之间形成密封腔体，内部气体具有与其他部件相同的平均压力。排出器上塞体的直径大于下塞体直径，因此随着排出器的运动，排出器腔体体积发生变化，腔体内气体随之经历绝热压缩或者膨胀过程，从而实现了气体弹簧的效果，如此便可以减小平面支撑板簧的轴向刚度，有利于降低板簧的设计难度和选材要求。此外，两组平面支撑板簧结构有利于减小排出器运动时产生的抖动，从而保证排出器与气缸之间的间隙密封，降低活塞与气缸发生接触摩擦的风险。假设随排出器腔体内部气体随其运动经理绝热压缩和膨胀过程，采用集总参数法可得气体弹簧的刚度为假设随排出器腔体内部气体随其运动经历绝热压缩和膨胀过程，采用集总参数法可得气体弹簧的刚度为Kgas＝γP0A2/V。V为腔体容积，P0为腔体内气体的平均压力，A为腔体横截面积，γ为气体比热比。所述平面支撑板簧外圆固定在底座上。相对于图2所示结构即排出器支撑板簧中心固定，本专利技术采用的外圆固定方式更稳定，而且相同排出器位移下板簧的动质量更小。排出器的受力平衡方程： p ~ exp A d i s - p ~ c o m p ( A d i s - A r o d ) = [ R m + i ( ω M - K 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)，其特征在于，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)。

【技术特征摘要】
1.一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)，其特征在于，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)。
2.按权利要求1所述的自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：余国瑶，李小伟，李海冰，刘斌，吴张华，戴巍，罗二仓，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，中科力函深圳热声技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11