[发明专利]一种自由活塞式斯特林机器

说明书

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William Beale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微型家用热电联供系统，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。