自由活塞斯特林發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種自由活塞斯特林發(fā)電機，包括缸體，直線振蕩電機，動力活塞和設(shè)在缸體內(nèi)的排出器；動力活塞包括塞體和隼部，塞體設(shè)在缸體內(nèi)，隼部與直線振蕩電機的動子連接，排出器與缸體第一端之間形成膨脹腔，排出器與動力活塞之間形成壓縮腔；膨脹腔的內(nèi)壁上還設(shè)有熱端臺階，排出器遠離動力活塞一端設(shè)有排出器凸起；排出器靠近動力活塞一端設(shè)有排出器臺階，動力活塞靠近排出器一端設(shè)有動力活塞凸起。該發(fā)電機能保證當意外事件使排出器或動力活塞超出設(shè)計行程后，分別在排出器與缸體頂部、排出器與動力活塞之間產(chǎn)生強大的氣體彈簧和非線性耗散，從而有效避免機械碰撞，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高了系統(tǒng)可靠性。
【專利說明】自由活塞斯特林發(fā)電機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及發(fā)電機【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種自由活塞斯特林發(fā)電機。

【背景技術(shù)】
[0002] 自由活塞斯特林發(fā)電機采用一自由活塞斯特林發(fā)動機驅(qū)動一直線電機而制成。自 由活塞斯特林發(fā)動機采用正向的斯特林循環(huán)，通過工作氣體的受熱膨脹、遇冷壓縮將熱能 轉(zhuǎn)化為機械能，其理論效率等于卡諾循環(huán)效率；直線電機通過與動力活塞剛性連接的電機 動子切割磁力線而將機械能轉(zhuǎn)化為電能。這種發(fā)動機具有外燃、閉式循環(huán)等特點，內(nèi)部工作 氣體為氦氣或氫氣，無機械傳動和油潤滑裝置。將自由活塞斯特林發(fā)電機的工作頻率提升 至IOOHz以上能有效提升系統(tǒng)的功率密度，使其具有便攜特性，顯著拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。同時， 將該類發(fā)電機對置布置或采用增加主動或被動控制等方式能有效降低該類發(fā)電機的噪音， 使其具有靜音特性，滿足民用和軍事領(lǐng)域?qū)Νh(huán)境噪音的要求。因此自由活塞斯特林發(fā)電機 具有熱源適用性廣、高效、環(huán)保等諸多突出優(yōu)點。
[0003] 圖1為現(xiàn)有自由活塞斯特林發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖，現(xiàn)有自由活塞斯特林發(fā)電機包括 以下部件：膨脹腔1、缸體2、內(nèi)部吸熱端換熱器3、外部吸熱端換熱器4、回熱器5、放熱端換 熱器6、排出器7、壓縮腔8、動力活塞9、直線振蕩電機10、電機背腔11、平面支撐彈簧12、節(jié) 流孔13、單向閥14。
[0004] 圖2是現(xiàn)有自由活塞斯特林發(fā)電機工作原理示意圖，圖2中的部件與圖1中相對 應(yīng)。請同時參照圖1和圖2,現(xiàn)有自由活塞斯特林發(fā)電機的工作原理如下：
[0005] 狀態(tài)a-狀態(tài)b過程，動力活塞9從下止點開始與排出器7同時上行，使氣體在壓 縮腔8內(nèi)被壓縮，并通過放熱端換熱器6向外界放熱，此時壓縮腔8內(nèi)壓力開始上升，但低 于動力活塞9內(nèi)壓力，單向閥14未開啟。
[0006] 狀態(tài)b-狀態(tài)C過程，動力活塞9繼續(xù)上行，排出器7下行，氣體熱量從壓縮腔8流 經(jīng)回熱器5進入膨脹腔1，途中將熱量釋放給回熱器5,氣體溫度降低。此時壓縮腔8內(nèi)壓 力繼續(xù)上升，在該過程的后期該壓力超過動力活塞9內(nèi)壓力，單向閥14開啟，氣體進入動力 活塞9內(nèi)，并通過節(jié)流孔13排出，在動力活塞9與氣缸2之間產(chǎn)生氣膜，使動力活塞9平穩(wěn) 運行。
[0007] 狀態(tài)C-狀態(tài)d過程，氣體在膨脹腔1內(nèi)，通過內(nèi)部吸熱端換熱器3和外部吸熱端 換熱器4從外界吸熱膨脹，使排出器7下行，并推動動力活塞9下行。此過程中，回熱器5 將熱能轉(zhuǎn)換為聲能（機械能），并通過氣體推動動力活塞9從而使直線振蕩電機10的動子 IOb切割磁力線向外界以電能形式輸出。此過程壓縮腔8內(nèi)壓力始終大于動力活塞9內(nèi)壓 力，單向閥處于開啟狀態(tài)，氣體進入動力活塞9內(nèi)，并通過節(jié)流孔13排出，在動力活塞9與 氣缸2之間產(chǎn)生氣膜，使動力活塞9始終保持平穩(wěn)運行。
[0008] 狀態(tài)d-狀態(tài)a過程，動力活塞9繼續(xù)下行，排出器7上行，氣體熱量從膨脹腔1流 經(jīng)回熱器5進入壓縮腔8,途中將熱量釋放給回熱器5,回熱器5溫度升高，氣體溫度降低。 此過程中，前期壓縮腔8內(nèi)壓力大于動力活塞9內(nèi)壓力，單向閥14處于開啟狀態(tài)，至該過程 后期，壓縮腔8內(nèi)壓力小于動力活塞9內(nèi)壓力，單向閥14關(guān)閉。
[0009] 完成上述一完整循環(huán)過程后，熱能被轉(zhuǎn)化為機械能，并由動力活塞9帶動電機的 動子IOb切割磁力線、向外界以電能形式輸出。動力活塞9與排出器7做簡諧振動，后者相 位超前于前者。
[0010] 現(xiàn)有自由活塞斯特林發(fā)電機的排出器的工作原理可以用下式來表達：
[0011] mx" = P1A1-P2A2-Kx-Rx'
[0012] 其中，m為排出器質(zhì)量，X為排出器的位移量，X'為位移對時間的一階導數(shù)即速 度，X"為位移對時間的二階導數(shù)即加速度，PdP P2分別為排出器兩端即膨脹腔與壓縮腔壓 力，AJPA2則分別為排出器兩端的橫截面積，K為平面支撐彈簧的彈性系數(shù)，R為阻尼系數(shù)。
[0013] 現(xiàn)有自由活塞斯特林發(fā)電機的動力活塞的工作原理可以用下式來表達：
[0014] m2x" = (P2-P3)A3-Kx-Rxr
[0015] 其中，m2為排出器質(zhì)量，X為動力活塞的位移量，X'為位移對時間的一階導數(shù)即速 度，X"為位移對時間的二階導數(shù)即加速度，匕和P 3分別為動力活塞兩端即壓縮腔與電機背 腔壓力，A3為動力活塞的橫截面積，K為電機磁力彈簧的彈性系數(shù)，R為阻尼系數(shù)。
[0016] 根據(jù)上述自由活塞斯特林發(fā)電機的工作機理可知，動力活塞與排出器的平穩(wěn)運行 是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。一旦意外事件使排出器或動力活塞超出設(shè)計行程后，引起的排出 器與動力活塞、排出器與缸體頂部的撞擊，就會嚴重影響系統(tǒng)循環(huán)效率。
[0017] 為了防止因突發(fā)情況如加熱裝置和外接負載等突然變化而引起的排出器與動力 活塞的撞擊，或者排出器與缸體頂部的撞擊等，現(xiàn)有技術(shù)一般通過監(jiān)測內(nèi)部氣體溫度、壓力 波動、排出器和活塞位移，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)節(jié)輸入加熱量和輸出負載等手段。然而，現(xiàn)有 自由活塞斯特林發(fā)電機所采用的附加機械或電控防撞措施需要引入外部機構(gòu)、復雜監(jiān)測手 段和抑制措施，工藝復雜，設(shè)計難度大，而且可靠性較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 本發(fā)明提供一種自由活塞斯特林發(fā)電機，以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、增加系統(tǒng)的可靠性。
[0019] 本發(fā)明提供的自由活塞斯特林發(fā)電機，包括缸體、直線振蕩電機、動力活塞和設(shè)在 缸體內(nèi)的排出器；動力活塞包括塞體和隼部，塞體設(shè)在缸體內(nèi)，隼部與直線振蕩電機的動子 連接，排出器與缸體第一端之間形成膨脹腔，排出器與動力活塞之間形成壓縮腔，膨脹腔的 內(nèi)壁上還設(shè)有熱端臺階，排出器遠離動力活塞一端設(shè)有排出器凸起；排出器靠近動力活塞 一端設(shè)有排出器臺階，動力活塞靠近排出器一端設(shè)有動力活塞凸起。
[0020] 在本發(fā)明的一實施例中，上述熱端臺階在所述膨脹腔的內(nèi)壁周向方向上環(huán)繞設(shè) 置。
[0021] 在本發(fā)明的一實施例中，上述排出器靠近所述動力活塞一端還設(shè)有排出器桿體， 所述排出器桿體插入所述動力活塞中設(shè)置的通孔中。
[0022] 在本發(fā)明的一實施例中，上述直線振蕩電機與所述缸體第二端之間還設(shè)置有平面 支撐彈簧，所述平面支撐彈簧與所述缸體另一端之間形成電機背腔，所述排出器桿體與所 述平面支撐彈簧固定連接。
[0023] 在本發(fā)明的一實施例中，上述直線振蕩電機和所述動力活塞沿所述排出器桿體對 稱設(shè)置。
[0024] 在本發(fā)明的一實施例中，上述缸體第一端的外壁上設(shè)置有外部吸熱端換熱器，上 述缸體第一端的內(nèi)壁上與所述外部吸熱端換熱器對應(yīng)的位置還設(shè)置有內(nèi)部吸熱端換熱器， 所述外部吸熱端換熱器、所述內(nèi)部熱吸端換熱器與所述缸體的材質(zhì)相同且一體成型制成。
[0025] 在本發(fā)明的一實施例中，上述吸熱端換熱器為多層結(jié)構(gòu)，每層為輻射狀翅片結(jié)構(gòu)， 所述內(nèi)部吸熱端換熱器為折疊片狀結(jié)構(gòu)或空心固體結(jié)構(gòu)。
[0026] 在本發(fā)明的一實施例中，上述缸體第一端的外壁上設(shè)置有吸熱端換熱器，所述吸 熱端換熱器與所述缸體的材質(zhì)相同且一體成型制成。
[0027] 在本發(fā)明的一實施例中，上述吸熱端換熱器包括多個片狀結(jié)構(gòu)，所述多個片狀結(jié) 構(gòu)沿所述第一端外壁的周向方向環(huán)繞設(shè)置。
[0028] 在本發(fā)明的一實施例中，上述缸體內(nèi)壁上設(shè)有硬質(zhì)光滑涂層，上述動力活塞周向 表面設(shè)有軟質(zhì)涂層。
[0029] 本發(fā)明提供的自由活塞斯特林發(fā)電機，通過在膨脹腔的內(nèi)壁上設(shè)置熱端臺階，在 排出器遠離動力活塞一端設(shè)置排出器凸起；在排出器靠近動力活塞一端設(shè)置排出器臺階， 在動力活塞靠近排出器一端設(shè)置動力活塞凸起；構(gòu)成氣體防撞結(jié)構(gòu)，能保證當意外事件使 排出器或動力活塞超出設(shè)計行程后，分別在排出器與缸體頂部、排出器與動力活塞之間產(chǎn) 生強大的氣體彈簧和非線性耗散，從而有效避免機械碰撞，在不犧牲系統(tǒng)性能的前提下簡 化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、增加了系統(tǒng)可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1是現(xiàn)有自由活塞斯特林發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2是現(xiàn)有自由活塞斯特林發(fā)電機工作原理示意圖；
[0032] 圖3是本發(fā)明一實施例提供的自由活塞斯特林發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖4是圖3所示的自由活塞斯特林發(fā)電機工作原理示意圖；
[0034] 圖5是現(xiàn)有自由活塞斯特林發(fā)動機吸熱端換熱器示意圖；
[0035] 圖6是本發(fā)明一實施例提供的自由活塞斯特林發(fā)電機吸熱端換熱器示意圖。
[0036] 附圖標記說明：
[0037] 1 :膨脹腔； 2 :缸體；
[0038] 2a:熱端臺階； 3:內(nèi)部吸熱端換熱器；
[0039] 4:外部吸熱端換熱器； 5:回流器；
[0040] 6 :放熱端換熱器； 7 :排出器；
[0041] 7a :排出器桿體； 7b :排出器凸起；
[0042] 7c :排出器臺階； 8 :壓縮腔；
[0043] 9 :動力活塞； 9a :塞體；
[0044] 9b :隼部； 9c :動力活塞凸起；
[0045] 10 :直線振蕩電機； IOa :定子；
[0046] IOb :動子； 11:電機背腔；
[0047] 12 :平面支撐彈簧； 13 :節(jié)流孔；
[0048] 14:單向閥。

【具體實施方式】
[0049] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附 圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實 施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造 性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0050] 圖3是本發(fā)明一實施例提供的自由活塞斯特林發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3和圖1 中相同的部件采用相同的標號。如圖3所示，本實施例提供的自由活塞斯特林發(fā)電機包括： 缸體2,直線振蕩電機10、動力活塞9和設(shè)在缸體2內(nèi)的排出器7 ;動力活塞9包括塞體9a 和隼部9b，塞體9a設(shè)在缸體2內(nèi)，隼部9b與直線振蕩電機10的動子IOb連接，排出器7與 缸體2第一端之間形成膨脹腔1，排出器7與動力活塞9之間形成壓縮腔8。膨脹腔1的內(nèi) 壁上還設(shè)有熱端臺階2a，排出器7遠離動力活塞9 一端設(shè)有排出器凸起7b ;排出器7靠近 動力活塞9 一端設(shè)有排出器臺階7c，動力活塞9靠近排出器7 -端設(shè)有動力活塞凸起9c。
[0051] 具體的，本實施例提供的自由活塞斯特林發(fā)電機熱端臺階2a設(shè)置在所述膨脹腔1 的內(nèi)壁，較佳地，可以在缸體2內(nèi)壁周向方向上環(huán)繞設(shè)置，可以理解的是，還可以在膨脹腔1 的內(nèi)壁設(shè)置多個獨立的臺階2a。排出器7遠離動力活塞9 一端所設(shè)置的排出器凸起7b與 臺階2a之間形成防撞結(jié)構(gòu)。
[0052] 排出器7靠近動力活塞9 一端還設(shè)有排出器桿體7a，排出器桿體7a插入動力活塞 9中設(shè)置的通孔中。直線振蕩電機10包括定子IOa和動子10b，直線振蕩電機10的具體形 式本實施例不作任何限制，可采用動磁式，動鐵式，也可采用動圈式。
[0053] 下面將結(jié)合自由活塞斯特林發(fā)電機的工作原理對本發(fā)明提供的自由活塞斯特林 發(fā)電機的特定結(jié)構(gòu)進行進一步解釋說明。圖4是圖3所示的自由活塞斯特林發(fā)電機工作原 理示意圖。同時參照圖3和圖4,本實施例提供的自由活塞斯特林發(fā)電機的工作原理如下：
[0054] 狀態(tài)a-狀態(tài)b過程，動力活塞9從下止點開始與排出器7同時上行，使氣體在壓 縮腔8內(nèi)被壓縮，并通過放熱端換熱器6向外界放熱。
[0055] 狀態(tài)b-狀態(tài)c過程，動力活塞9繼續(xù)上行，排出器7下行，氣體熱量從壓縮腔8流 經(jīng)回熱器5進入膨脹腔1，途中將熱量釋放給回熱器5,氣體溫度降低。
[0056] 狀態(tài)C-狀態(tài)d過程，氣體在膨脹腔1內(nèi)，通過內(nèi)部吸熱端換熱器3和外部吸熱端 換熱器4從外界吸熱膨脹，使排出器7下行，并推動動力活塞9下行。此過程中，回熱器5 將熱能轉(zhuǎn)換為聲能（機械能），并通過氣體推動動力活塞9從而使直線振蕩電機10的動子 IOb切割磁力線向外界以電能形式輸出。
[0057] 狀態(tài)d-狀態(tài)a過程，動力活塞9繼續(xù)下行，排出器7上行，氣體熱量從膨脹腔1流 經(jīng)回熱器5進入壓縮腔8,途中將熱量釋放給回熱器5,回熱器5溫度升高，氣體溫度降低。
[0058] 完成上述一完整循環(huán)過程后，熱能被轉(zhuǎn)化為機械能，并由動力活塞9帶動電機的 動子IOb切割磁力線、向外界以電能形式輸出。動力活塞9與排出器7做簡諧振動，后者相 位超前于前者。本實施例提供的自由活塞斯特林發(fā)電機中的排出器和動力活塞工作機理與 現(xiàn)有的排出器和動力活塞相同。但本實施例提供的自由活塞斯特林發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工 藝特點與現(xiàn)有技術(shù)有較大差別。
[0059] 由于本實施例提供的自由活塞斯特林發(fā)電機，在膨脹腔1的內(nèi)壁上設(shè)置熱端臺階 2a，在排出器7遠離動力活塞9 一端設(shè)置排出器凸起7b，二者構(gòu)成氣體防撞結(jié)構(gòu)。在排出器 7靠近動力活塞9 一端設(shè)置排出器臺階7c，在動力活塞9靠近排出器7 -端設(shè)置動力活塞 凸起9c，二者也構(gòu)成氣體防撞結(jié)構(gòu)。能保證當意外事件使排出器或動力活塞超出設(shè)計行程 后，分別在排出器與缸體頂部、排出器與動力活塞之間產(chǎn)生強大的氣體彈簧和非線性耗散。
[0060] 氣體彈簧的損耗原理可以用下式來表達：
[0061]

【權(quán)利要求】
1. 一種自由活塞斯特林發(fā)電機，該發(fā)電機包括缸體、直線振蕩電機、動力活塞和設(shè)在該 缸體內(nèi)的排出器；所述動力活塞包括塞體和隼部，所述塞體設(shè)在該缸體內(nèi)，所述隼部與所述 直線振蕩電機的動子連接，所述排出器與所述缸體第一端之間形成膨脹腔，所述排出器與 所述動力活塞之間形成壓縮腔，其特征在于， 所述膨脹腔的內(nèi)壁上還設(shè)有熱端臺階，所述排出器遠離所述動力活塞一端設(shè)有排出器 凸起；所述排出器靠近所述動力活塞一端設(shè)有排出器臺階，所述動力活塞靠近所述排出器 一端設(shè)有動力活塞凸起。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由活塞斯特林發(fā)電機，其特征在于，所述熱端臺階在所述 膨脹腔的內(nèi)壁周向方向上環(huán)繞設(shè)置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自由活塞斯特林發(fā)電機，其特征在于，所述排出器靠近所 述動力活塞一端還設(shè)有排出器桿體，所述排出器桿體插入所述動力活塞中設(shè)置的通孔中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的自由活塞斯特林發(fā)電機，其特征在于，所述直線振蕩電機與 所述缸體第二端之間還設(shè)置有平面支撐彈簧，所述平面支撐彈簧與所述缸體另一端之間形 成電機背腔，所述排出器桿體與所述平面支撐彈簧固定連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的自由活塞斯特林發(fā)電機，其特征在于，所述直線振蕩電機和 所述動力活塞沿所述排出器桿體對稱設(shè)置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自由活塞斯特林發(fā)電機，其特征在于，所述缸體第一端的 外壁上設(shè)置有外部吸熱端換熱器，所述缸體第一端的內(nèi)壁上與所述外部吸熱端換熱器對應(yīng) 的位置還設(shè)置有內(nèi)部吸熱端換熱器，所述外部吸熱端換熱器、所述內(nèi)部熱吸端換熱器與所 述缸體的材質(zhì)相同且一體成型制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的自由活塞斯特林發(fā)電機，其特征在于，所述吸熱端換熱器為 多層結(jié)構(gòu)，每層為輻射狀翅片結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)部吸熱端換熱器為折疊片狀結(jié)構(gòu)或空心固體結(jié) 構(gòu)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自由活塞斯特林發(fā)電機，其特征在于，所述缸體第一端的 外壁上設(shè)置有吸熱端換熱器，所述吸熱端換熱器與所述缸體的材質(zhì)相同且一體成型制成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的自由活塞斯特林發(fā)電機，其特征在于，所述吸熱端換熱器包 括多個片狀結(jié)構(gòu)，所述多個片狀結(jié)構(gòu)沿所述第一端外壁的周向方向環(huán)繞設(shè)置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自由活塞斯特林發(fā)電機，其特征在于，所述缸體內(nèi)壁上 設(shè)有硬質(zhì)光滑涂層，所述動力活塞周向表面設(shè)有軟質(zhì)涂層。
【文檔編號】F02G1/043GK104500262SQ201410806231
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】余國瑤, 劉斌, 戴巍, 羅二倉, 李海冰 申請人:中國科學院理化技術(shù)研究所, 中科力函(深圳)熱聲技術(shù)有限公司