三活塞式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)的制造方法
【專利摘要】一種三活塞式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，屬熱氣機(jī)利用領(lǐng)域。它包括液態(tài)金屬加熱帽（12）、配氣活塞氣缸及第一配氣活塞（15）和第二配氣活塞（18）、動(dòng)力活塞氣缸（19）及動(dòng)力活塞（20）、發(fā)電機(jī)組件。所述配氣活塞分為兩截，配氣活塞的板簧（17）懸掛在兩截配氣活塞之間，提供配氣活塞的回復(fù)力；所述的配氣活塞氣缸外面的加熱頭填充一相變溫度與熱源溫度相當(dāng)?shù)囊簯B(tài)金屬加熱帽（12），使發(fā)動(dòng)機(jī)不受熱源溫度的波動(dòng)而穩(wěn)定運(yùn)行，配氣活塞氣缸內(nèi)部有旋流加熱器（14），強(qiáng)化氣缸內(nèi)氣體加熱。本發(fā)明將配氣活塞分為兩截，使板簧懸掛安裝簡(jiǎn)單，同時(shí)減少了配氣活塞的導(dǎo)熱損失，因而整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無板簧安裝困難及熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】三活塞式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)
[0001]
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種三活塞式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于熱氣機(jī)利用領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0003]斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(Stirling Engine),是一種外部加熱的閉式循環(huán)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。在這類機(jī)器中，工質(zhì)(一般為氫氣、氦氣或空氣)被封閉在循環(huán)回路中，通過氣缸容積的變比控制工質(zhì)在閉式循環(huán)回路中的流動(dòng)方向；在較低的溫度和壓力下壓縮工質(zhì)，在較高的溫度和壓力下膨脹，從而獲得正的循環(huán)功。其熱力過程是按斯特林循環(huán)進(jìn)行的。
[0004]自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要分支，是一種靠活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)的動(dòng)力裝置。這種運(yùn)動(dòng)是由于氣體力以及部件間氣體力和動(dòng)力的相互作用產(chǎn)生的。其工作原理如下:
自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)基本上由三部分組成:較重的動(dòng)力活塞、輕的配氣活塞以及兩端密封的氣缸。普通的自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是配氣活塞桿穿過動(dòng)力活塞構(gòu)成。由于配氣活塞和配氣活塞桿是空心的，桿的下端敞開，所以配氣活塞內(nèi)部與動(dòng)力活塞下方的氣缸容積一起形成緩沖腔，成為一氣體彈簧，使配氣活塞回位。配氣活塞頭部是膨脹腔，配氣活塞和動(dòng)力活塞之間為壓縮腔，膨脹腔和壓縮腔又統(tǒng)稱為工作腔。配氣活塞氣缸的內(nèi)缸和外缸之間狹長(zhǎng)的縫隙從右到左分別為加熱腔、回?zé)崞骱屠鋮s器組成。加熱器和冷卻器分別與膨脹腔和壓縮腔聯(lián)通。
[0005]傳統(tǒng)的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)采用氣體彈簧作為活塞的恢復(fù)力，不但體積大，且氣體彈簧作用的活塞因沒有任何機(jī)械固定會(huì)產(chǎn)生飄移，使配氣活塞和動(dòng)力活塞靠在一起或分別靠在兩端，從而失去動(dòng)力。為克服這個(gè)問題，荷蘭的斯特林公司等采用了許多復(fù)雜的控制方法。Infinia公司采用板簧代替氣體彈簧的自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)已較為成熟，第一臺(tái)原理樣機(jī)在2007年10月份開始試驗(yàn)。Microgen公司以Sunpower公司IkW帶板簧自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出微型家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)(MCHP)。然而，目前這些以氣體彈簧的自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)控制、結(jié)構(gòu)復(fù)雜；采用配氣活塞桿穿過動(dòng)力活塞的結(jié)構(gòu)會(huì)降低壓縮腔內(nèi)的密封性，且安裝復(fù)雜；Infinia公司為代表的板簧自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)板簧系統(tǒng)安裝復(fù)雜，特別對(duì)小型自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其配氣活塞氣缸直徑很小，板簧系統(tǒng)安裝困難，且板簧直徑比配氣活塞氣缸直徑還要小，從而使板簧的位移小，限制了配氣活塞的位移距離。
[0006]由于自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工質(zhì)一般使用氦氣等惰性氣體，其導(dǎo)熱系數(shù)較低，而其在加熱腔和冷卻器內(nèi)來回吸熱和放熱產(chǎn)生溫差以進(jìn)行熱力循環(huán)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力活塞做功，且頻率都在50Hz左右，因而其快速吸熱放熱顯得非常必要。為了使工質(zhì)在加熱腔內(nèi)一個(gè)循環(huán)中能最大地吸收熱量，強(qiáng)化換熱裝置就顯得必要。在加熱腔內(nèi)使用多孔介質(zhì)和旋流器是一種非常好的高效強(qiáng)化換熱手段。旋流器再活塞運(yùn)動(dòng)到加熱腔時(shí)，使氣體產(chǎn)生旋流，從而使工質(zhì)氣體能夠快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦流，提高氣體的加熱量和溫度均勻性，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的主要在于提出一種能夠克服傳統(tǒng)自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)氣體彈簧的復(fù)雜控制、結(jié)構(gòu)等問題以及Infinia公司為代表的板簧系統(tǒng)安裝復(fù)雜，無益容積大等缺點(diǎn)的兩截活塞式板簧系統(tǒng)安裝及帶高效加熱的旋流器的加熱頭的新型自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，該自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)不僅加工簡(jiǎn)單，成本低，效率高，而且運(yùn)行穩(wěn)定，受熱源干擾小等優(yōu)點(diǎn)。
一種三活塞式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，它依次包括配氣活塞氣缸、配氣活塞、動(dòng)力活塞氣缸、動(dòng)力活塞及發(fā)電機(jī)組件；所述配氣活塞氣缸包括外氣和內(nèi)氣缸，外氣缸和內(nèi)氣缸之間的夾層由頂部向底部依次由加熱腔、回?zé)崞骱屠鋮s腔及冷卻介質(zhì)通道組成；內(nèi)氣缸頂部為開口結(jié)構(gòu)；配氣活塞頂部與外氣缸之間的空間為膨脹腔；其特征在于:上述配氣活塞氣缸外面的加熱頭部有一填充相變溫度與熱源溫度相當(dāng)?shù)囊簯B(tài)金屬的液態(tài)金屬加熱帽，配氣活塞氣缸內(nèi)還安裝有旋流加熱器；所述配氣活塞密封安裝于內(nèi)氣缸內(nèi)，分為第一配氣活塞和第二配氣活塞；第一配氣活塞和第二配氣活塞被配氣活塞板簧分開，并通過穿過配氣活塞板簧的配氣活塞連桿相連。
[0008]本發(fā)明的配氣活塞外氣缸外面的加熱頭部為一填充相變溫度與熱源溫度相當(dāng)?shù)囊簯B(tài)金屬加熱帽，使發(fā)動(dòng)機(jī)不受熱源溫度的波動(dòng)而穩(wěn)定運(yùn)行，配氣活塞氣缸內(nèi)部有旋流加熱器，強(qiáng)化氣缸內(nèi)氣體加熱，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。。所述配氣活塞分為兩截，配氣活塞板簧在兩截配氣活塞之間，提供配氣活塞的回復(fù)力。該方法克服了傳統(tǒng)氣體彈簧體積大，配氣活塞易漂移，且配氣活塞桿需穿過動(dòng)力活塞及板簧安裝復(fù)雜，對(duì)加工精度要求高等缺點(diǎn)。
[0009]所述第一配氣活塞的長(zhǎng)度是第二配氣活塞的3-4倍。.所述第一配氣活塞較長(zhǎng)，用以減少漏氣損失和熱損失，較好隔離膨脹腔內(nèi)的高溫區(qū)與壓縮腔內(nèi)的低溫區(qū)；而第二配氣活塞較短，以減輕整個(gè)配氣活塞的重量和長(zhǎng)度。
[0010]所述的三活塞式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于:所述旋流器可以安裝在第一配氣活塞頂端或配氣活塞氣缸內(nèi)的上部。
[0011]所述的三活塞式式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于:所述發(fā)電機(jī)組件包括發(fā)電機(jī)外殼、動(dòng)力活塞桿、直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子磁鐵、直線發(fā)電機(jī)定子線圈繞組；其中動(dòng)力活塞桿通過軸承支撐于發(fā)電機(jī)外殼內(nèi)，動(dòng)力活塞桿上端與動(dòng)力活塞相連，動(dòng)力活塞桿下端連有板簧；直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子磁鐵安裝于動(dòng)力活塞桿上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是新型三活塞式自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖；
圖中標(biāo)號(hào)名稱:1.外氣缸，2.膨脹腔，3.內(nèi)氣缸,4.回?zé)崞鳎?.冷卻腔，6.冷卻介質(zhì)通道，7.氣缸聯(lián)結(jié)法蘭，8.壓縮腔，9.軸承，10.直線發(fā)電機(jī)定子線圈繞組，11.動(dòng)力活塞桿，12.加熱帽，13.液態(tài)金屬，14.旋流加熱器，15.第一配氣活塞，16.配氣活塞連桿，17.配氣活塞板簧，18.第二配氣活塞，19.動(dòng)力活塞氣缸，20.動(dòng)力活塞，21.直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子，22.發(fā)電機(jī)組件及外殼，23.動(dòng)力活塞板簧。

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合圖1進(jìn)一步說明本發(fā)明的新型三活塞式自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。配氣活塞系統(tǒng)由雙層氣缸(外氣缸I和內(nèi)氣缸3)組成，其夾層內(nèi)分別由膨脹腔(加熱腔)2、回?zé)崞?和冷卻腔5組成。內(nèi)氣缸3在左邊頭部加熱區(qū)是開口的，右邊也是開口的圓筒形狀。
[0014]當(dāng)氣體在膨脹腔2內(nèi)由加熱帽加熱熱及旋流加熱器14強(qiáng)化加熱，受熱升溫后在膨脹腔2內(nèi)膨脹，驅(qū)動(dòng)第一配氣活塞5和第二配氣活塞18向右往壓縮腔8方向運(yùn)動(dòng)，壓縮第一配氣活塞8與動(dòng)力活塞20之間的氣體工質(zhì)；當(dāng)?shù)谝慌錃饣钊?和第一配氣活塞8向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，配氣活塞板簧17由于被向右拉伸而產(chǎn)生向左的彈性勢(shì)能，當(dāng)配氣活塞到達(dá)右邊底部時(shí)，配氣活塞板簧17的彈性勢(shì)能達(dá)到最大，大于配氣活塞的動(dòng)能和膨脹腔內(nèi)氣體的膨脹勢(shì)能而使第一配氣活塞5和第二配氣活塞18向左往膨脹腔2方向運(yùn)動(dòng)，直到運(yùn)動(dòng)到外氣缸I的左邊端部。當(dāng)?shù)谝慌錃饣钊?和第二配氣活塞18向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，部分氣體也通過兩氣缸的夾層內(nèi)的通道進(jìn)入回?zé)崞?和冷區(qū)器5，由冷卻介質(zhì)降溫后進(jìn)入第一配氣活塞8與動(dòng)力活塞20之間通道進(jìn)入壓縮腔8。
[0015]在壓縮腔8內(nèi)的氣體工質(zhì)被壓縮時(shí)，氣體工質(zhì)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力活塞20向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)動(dòng)力活塞20向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，使動(dòng)力活塞板簧23產(chǎn)生向左得勢(shì)能，到最右端時(shí)達(dá)到最大，動(dòng)力活塞板簧23的彈性使其往回向左往壓縮腔8方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)動(dòng)力活塞20向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，部分氣體又通過兩氣缸的夾層內(nèi)的冷卻器5、回?zé)崞?，經(jīng)加熱腔通道回到膨脹腔2內(nèi)進(jìn)行加熱。動(dòng)力活塞20運(yùn)動(dòng)到其行程的最左端時(shí)，受壓縮腔8內(nèi)氣體作用，又向右運(yùn)動(dòng)，其與第一配氣活塞5和第二配氣活塞18運(yùn)動(dòng)的相位角差大約在70度左右。
[0016]這樣,第一配氣活塞5和第二配氣活塞18和動(dòng)力活塞20在氣缸內(nèi)左右來回運(yùn)動(dòng)，使工作氣體在兩氣缸夾層及膨脹腔2、壓縮腔8內(nèi)來回加熱和膨脹、冷卻和壓縮。動(dòng)力活塞20的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力活塞桿11上的發(fā)電機(jī)動(dòng)子永久磁鐵21在定子繞組線圈10中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電能。動(dòng)力活塞桿11由軸承9支撐。直線發(fā)電機(jī)組件10和21和動(dòng)力活塞桿11固定在發(fā)電機(jī)外殼22上。為了減少氣體在第一配氣活塞5與內(nèi)氣缸3之間間隙內(nèi)流過,需要在第一配氣活塞5和內(nèi)缸上進(jìn)行精密無間隙配合，一般采用迷宮式氣體密封裝置，以減少漏氣損失，提聞發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。
[0017]由于自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工質(zhì)比熱容非常小，對(duì)外部熱源溫度的變化非常敏感，因而發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行受外部熱源的影響非常大。為了減少這種影響，加熱帽12在外部熱源的持續(xù)加熱下，通過液態(tài)金屬13將熱量穿到配氣活塞氣缸內(nèi)部加熱氣體工質(zhì)。由于液態(tài)金屬的比熱容非常高，當(dāng)氣體熱源溫度發(fā)生輕微變化時(shí)，不至于影響膨脹腔內(nèi)的氣體溫度大的變化，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。此外，旋流加熱器也起到強(qiáng)化加熱的作用，使發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率提聞。
【權(quán)利要求】
1.一種三活塞式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，它依次包括配氣活塞氣缸、配氣活塞、動(dòng)力活塞氣缸(19)、動(dòng)力活塞(20)及發(fā)電機(jī)組件；所述配氣活塞氣缸包括外氣缸(I)和內(nèi)氣缸(3)，外氣缸(I)和內(nèi)氣缸(3)之間的夾層由頂部向底部依次由加熱腔(2)、回?zé)崞?4)和冷卻腔(5)及冷卻介質(zhì)通道(6)組成；內(nèi)氣缸(3)頂部為開口結(jié)構(gòu)；配氣活塞頂部與外氣缸(I)之間的空間為膨脹腔(2); 其特征在于: 上述配氣活塞氣缸外面的加熱頭部有一填充相變溫度與熱源溫度相當(dāng)?shù)囊簯B(tài)金屬(13)的加熱帽(12)，配氣活塞氣缸內(nèi)還安裝有旋流加熱器(14)； 所述配氣活塞密封安裝于內(nèi)氣缸(3)內(nèi)，分為第一配氣活塞(15)和第二配氣活塞(18);第一配氣活塞(15)和第二配氣活塞(18)被配氣活塞板簧(17)分開，并通過穿過配氣活塞板簧(17)的配氣活塞連桿(16)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三活塞式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于:所述第一配氣活塞(15)的長(zhǎng)度是第二配氣活塞(18)的3-4倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三活塞式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于:所述旋流加熱器(14)安裝在第一配氣活塞(15)頂端或配氣活塞外氣缸(I)內(nèi)的上部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三活塞式式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于:所述發(fā)電機(jī)組件包括發(fā)電機(jī)外殼(22)、動(dòng)力活塞桿(11)、直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子(21)、直線發(fā)電機(jī)定子線圈繞組(10);其中動(dòng)力活塞桿(11)通過軸承(9)支撐于發(fā)電機(jī)外殼(22)內(nèi)，動(dòng)力活塞桿(II)上端與動(dòng)力活塞(20)相連，動(dòng)力活塞桿(11)下端連有板簧(23);直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子磁鐵(21)安裝于動(dòng)力活塞桿(11)上。
【文檔編號(hào)】F02G1/044GK104481726SQ201410618390
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】黃護(hù)林, 唐碩捷 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)