[发明专利]一种自由活塞斯特林热机系统

说明书

一种自由活塞斯特林热机，其包括：裝于耐压壳体内下部的直线振荡电机；依次裝于壳体上部内壁的吸热端换热器、回热器和放热端换热器；盖于壳体上下端的上、下固定支座；裝于由吸热端换热器、回热器和放热端换热器及固定支座围成空间内的排出器；排出器与上固定支座间形成压缩腔；排出器与直线振荡电机的动力活塞间形成膨胀腔；动力活塞与下固定支座间形成电机背腔；吸热端换热器靠近动力活塞，放热端换热器远离动力活塞；排出器的排出器杆穿过动力活塞与位于电机背腔的平面支撑弹簧相连；相比已有的用于热泵和低温冷能发动机应用的自由活塞斯特林热机，本发明的排出器与动力活塞耦合，板簧置于电机背腔，结构紧凑、工艺要求低，寿命和可靠性更高。

技术领域

本发明涉及热能动力技术，尤其涉及一种自由活塞斯特林热机系统。

背景技术

在高温热泵或制冷机/热泵两用系统及低温冷源(如液化天然气或者液氮的气化过程释放的大量汽化潜热)等应用领域，中国发明专利(ZL201310020114.8和ZL201310042811.3)提出了一种新型的自由活塞斯特林热机技术，以提供低环温、大温差和高制热温度等苛刻条件下的高效热泵，充分利用汽化潜热用于发电等。图1是该热机的结构示意图，该热机包括缸体3、至少一个直线振荡电机2、至少一个动力活塞4和设在该缸体3内的至少一个排出器5，动力活塞4包括塞体和隼部，塞体设在该缸体内，隼部插入在直线振荡电机的线圈内，缸体内具有压缩腔9和膨胀腔10，排出器5在压缩腔9和膨胀腔10之间振动，热机缸体内壁上还设有吸热端换热器6、回热器7和放热端换热器8。该热机的创新点在于将传统自由活塞斯特林热机的排出器反向布置，并相应地改变了吸、放热端换热器的位置，使吸热端换热器位于动力活塞侧，利于直线振荡电机的运行，避免了动力活塞因靠近高温换热器导致摩擦增大，致使系统效率、使用寿命降低，提高了热机的效率和使用寿命。

尽管图1的结构在热泵、低温冷源发动机等领域具有较好的适用性，但该结构仍存在缺陷，其主要问题在于平面支撑弹簧12置于排出器5内部；其一方面由于单侧支撑而使排出器容易失稳；另一方面，平面支撑弹簧尺寸容易受到排出器尺寸的制约，从而显著增加设计、材料和加工工艺难度，降低其可靠性。因此，本发明的目的在于，针对目前用于热泵、低温冷源领域的新型自由活塞斯特林热机在上述且不仅限于上述场合中应用的不利因素，将排出器5与动力活塞4耦合、平面支撑弹簧12置于电机背腔的新结构，降低平面支撑弹簧的设计难度，提升其运动的平稳性和可靠性，亦使系统更紧凑。

本发明基于排出器的工作机理，自由活塞斯特林热机高效运行的一个重要机理就在于作往复运动的排出器的调相作用；排出器的工作原理可以用下式来表达：

mx”＝P₁A₁-P₂A₂-Kx-Rx′

其中，m为排出器质量，x为排出器的位移量，x′为位移对时间的一阶导数即速度，x”为位移对时间的二阶导数即加速度，P₁和P₂分别为排出器两端即膨胀腔与压缩腔压力，A₁和A₂则分别为排出器两端的横截面积，K为平面支撑弹簧的弹性系数，R为阻尼系数。

从上式中可以看出，排出器的工作特性主要由两侧的压差、平面支撑弹簧的弹性系数和阻尼特性决定；因而，可以通过调节排出器两侧的面积差来调节排出器的工作特性，获得所需的调相性能。

发明内容

本发明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，增强排出器运动平稳性和可靠性，提高系统的紧凑性和使用寿命。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的自由活塞斯特林热机，其包括：

耐压壳体1；

裝于所述耐压壳体1之内下部的直线振荡电机2；