[发明专利]一种用于斯特林装置的排出器组件及斯特林装置

说明书

本发明公开了一种用于斯特林装置的排出器组件及斯特林装置，排出器组件包括穹顶、活塞基座、气簧分隔体、大中柱、配气芯轴、小中柱、中柱连接杆及磁悬挂组件，所述穹顶、活塞基座及气簧分隔体组成排出器组件的活动部，与斯特林装置的吸热端换热器、回热器及冷却器内立面滑动密封，所述活塞基座位于穹顶下部，所述气簧分隔体固定于活塞基座内部，所述大中柱、配气芯轴、小中柱及中柱连接杆组成排出器组件的固定部，与缸套固定连接。该排出器组件改变了传统斯特林装置依赖板簧提供组件刚度，以轻盈的构型实现轴向大刚度、径向气浮支撑及免维护，提高装置的体积功率密度和比功率，更有利于斯特林装置在航天、水下等特殊技术领域的应用。

技术领域

本发明涉及斯特林装置技术领域，尤其是一种用于斯特林装置的排出器组件及斯特林装置。

背景技术

斯特林装置是基于热源温差工作的闭式循环机械。按用途分为两大类：基于正向斯特林循环的发动机和基于逆向斯特林循环的斯特林制冷机。按动子传动结构分为两大类：依靠机构传动的机械式斯特林和自由活塞式斯特林。自由活塞式的特点在于内部动子之间没有刚性机构连接，动子的振幅及相位由气体力、质量、阻尼及刚度等参数自洽确定。现代自由活塞式斯特林机内部集成直线往复电机提高热电转换效率，通过板簧支撑、气浮或磁浮等途径实现无油润滑、低磨损、高可靠性。斯特林装置已在水下动力、空间动力、太阳能碟式发电、家庭热电联供、红外及超导器件冷却、生物医药冷藏冷链等领域应用。

自由活塞式斯特林装置内部至少需要两个动子，其相对运动引起膨胀腔与压缩腔的容积变化，在热效应下实现热功转换。处于压缩腔和背压腔之间的动子被称为动力活塞或压缩活塞，端部紧邻膨胀腔的动子称为排出器或配气活塞。相对于排出器，动力活塞质量更重，质量、阻尼参数的变化裕度较大；而排出器的轻盈、低阻尼是保证装置高效、可靠运行的重要前提。

在自由活塞斯特林的机型设计中，必须要保证动子径向支撑力及轴向刚度。对于排出器，传统的方案包括：(1)以美国STC公司产品为代表的伽马构型，其在排出器内部空间布置两组跨接于中柱的板簧组，为排出器提供适宜轴向刚度及径向支撑力。(2)以美国Sunpower公司产品为代表的贝塔构型，排出器和动力活塞在同一口径气缸中同轴运行，排出器底部细杆同轴穿过动力活塞中部内孔，其端部固定于位于背压腔中的板簧组，该板簧组为排出器提供径向支撑和轴向刚度。

传统方案的排出器构型简洁、紧凑，但限于金属材料的疲劳极限，使用板簧的机型难以胜任在严酷、无人场景下常年运行，此外，在中大功率机器中，采用板簧方案，对型线设计要求更高，制作难度更大。

在航天需求牵引下，美国MTI公司专利US5140905公开了一种双动子气浮机型。该机型中，排出器的运动部由四个零件组成，穹顶及哑铃状三体构件，其与周边结构件围城上气簧腔和下气簧腔，与周边结构件形成四处要求同轴的动密封；另外设置一大容积侧气簧腔通过气路与上气簧腔连通。该构型的先进性在于在排出器结构中集成了气体弹簧和气浮轴承，分别实现轴向刚度和径向支撑，完全消除了传统方案中易失效的弹性件。其不足之处在于排出器长度和重量较传统方案显著增加，压缩腔到冷却器流道也随之加长；此外，大容积的侧气簧腔也降低了装置的体积功率密度及比功率，四处要求同轴的动密封也显著提高了机加工门槛。该公司的原型机中，排出器选用了低密度的战略金属纯铍制作，以实现工程指标，但造价高昂限制了应用范围。

排出器的轻盈、低阻尼是装置实现高性能、高指标的重要保证，采用常规材料实现排出器的免维护，是装置实现高性价比的前提。排出器的径向支撑及轴向刚度的实现途径是自由活塞机型设计的首要环节，会从本质上决定装置的产品力。通过结构创新，以紧凑、简洁、轻质的方案在排出器中实现气簧和气浮效应，克服现有方案的弊端是本发明的出发点。

发明内容

针对上述技术问题本发明提出了一种用于斯特林装置的排出器组件及斯特林装置，该排出器组件方案在与传统排出器包络相仿的容积内，以较MTI更少的动密封面，以更紧凑、更轻盈的构型实现了双气簧和气浮效应，也同样完全消除了传统方案中易失效的弹性件。