專利名稱：自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機系統(tǒng)，特別是一種自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
斯特林發(fā)動機又名熱氣機，通過工作氣體的受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生 動力，其理論效率等于卡諾循環(huán)效率。自由活塞斯特林發(fā)動機，是斯特林發(fā) 動機的一種結(jié)構(gòu)形式，它取消了傳統(tǒng)斯特林發(fā)動機的曲軸結(jié)構(gòu)，引入"自由活 塞"——或稱為"排出器"，通過控制排出器質(zhì)量和彈簧剛度等決定其工作特 性，從而減少機械磨損，提高發(fā)動機的使用壽命。相比較傳統(tǒng)的斯特林發(fā)動
機，自由活塞斯特林發(fā)動機的優(yōu)點是效率更高，噪聲和振動更小，并且壽 命更長。
圖1為現(xiàn)有的一自由活塞斯特4木發(fā)動才幾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示， 發(fā)動機系統(tǒng)包括動力驅(qū)動裝置11和動力傳動裝置12。動力驅(qū)動裝置11包括 熱聲轉(zhuǎn)換器、氣缸114和排出器115，動力傳動裝置12包括主動活塞121和 第一彈性件122。排出器115沿氣缸114的軸線方向與動力傳動裝置12中的 第一彈性件122相連。熱聲轉(zhuǎn)換器包括沿氣缸114軸線方向依次包覆在氣缸 外壁的高溫端換熱器111、回熱器112和室溫端換熱器113。排出器115與主 動活塞121作規(guī)律的相對運動，氣缸114內(nèi)的工質(zhì)氣體在熱聲轉(zhuǎn)換器的作用 下控制排出器115運動進而帶動主動活塞121運動做功。圖2為現(xiàn)有的另一 自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，發(fā)動機系統(tǒng)包括動力 驅(qū)動裝置21和動力傳動裝置22。動力驅(qū)動裝置21包括熱聲轉(zhuǎn)換器、氣缸214、 排出器215、排出器固定件217和第二彈性件216,動力傳動裝置12包括主 動活塞221和第一彈性件222。動力傳動裝置22中的主動活塞221與第一彈性件222相連。熱聲轉(zhuǎn)換器包括沿氣缸214軸線方向依次包覆在氣缸外壁的 高溫端換熱器211、回熱器212和室溫端換熱器213。排出器215與主動活塞 221作規(guī)律的相對運動，第二彈性件216與排出器固定件217控制排出器215 在動力驅(qū)動裝置沿氣缸214的軸線方向運動，氣缸214內(nèi)的工質(zhì)氣體在熱聲 轉(zhuǎn)換器的作用下控制排出器215運動，帶動主動活塞221運動做功。
由圖1和圖2可知，現(xiàn)有的自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)中排出器的一部 分，其長度與高溫端換熱器長度相當，該部分工作在高溫狀態(tài)，通常為 700。C 800。C,另 一部分的溫度則跨越室溫至高溫，其長度與回熱器長度相當。 與此同時排出器還需要與氣缸保證一定的間隙，如果間隙過大則會引起較大 的工質(zhì)氣體穿梭損失。此外，為了減少排出器高于室溫端(其長度與回熱器 和高溫端換熱器長度之和相同)的導熱損失，該部分排出器的壁厚要足夠小， 而根據(jù)排出器工作特性，其室溫端部分一般采用更輕質(zhì)材料如鋁及其合金等， 而高于室溫端部分釆用耐高溫不銹鋼等材料制成，因而其室溫端部分與高于 室溫端部分之間的配合和密封也較為復雜。因此，排出器高于室溫端部分所 用材料的加工和裝配精度，排出器高于室溫端部分與室溫端部分之間的配合 和密封要求都較高，此外排出器高于室溫端部分材料長期工作在高溫下，也 會影響其工作壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中排出器工作在高溫端，導致排出器的使 用壽命降低和排出器與氣缸間的間隙密封難度較大的問題，提供了一種自由 活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，在自由活塞斯特林發(fā)動機中引入熱緩沖管的結(jié)構(gòu)， 從而提高排出器的使用壽命，降低加工和裝配精度。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，包 括動力驅(qū)動裝置和動力傳動裝置，所述動力驅(qū)動裝置包括氣缸和熱聲轉(zhuǎn)換 器，所述熱聲轉(zhuǎn)換器包括沿所述氣缸軸線方向依次包覆在氣缸外壁上的高溫端換熱器、回熱器以及第一室溫端換熱器，所述動力傳動裝置包括靠近 所述動力驅(qū)動裝置一端的主動活塞和遠離所述動力驅(qū)動裝置一端的第一 彈性件，其特征在于，所述動力驅(qū)動裝置還包括依次設置于所述氣缸內(nèi)的 熱緩沖管和排出器，其中
所述熱緩沖管為所述氣缸內(nèi)部一管體，位于與包覆在所述氣缸外壁的 所述高溫端換熱器和回熱器相對應的位置處，用于通過所述氣缸內(nèi)的工質(zhì) 氣體，將所述熱聲轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的壓力波動和速度波動，從所述氣缸內(nèi)部的 與所述高溫端換熱器對應的高溫端傳遞到與所述第一室溫端換熱器對應
的室溫端；
所述排出器，位于所述氣缸內(nèi)與包覆在所述氣缸外壁的所述第一室溫 端換熱器相對應的位置處，用于在所述熱聲轉(zhuǎn)換器的作用下，通過所述工質(zhì) 氣體控制所述排出器運動。
所述熱緩沖管內(nèi)部間隔放置防輻射絲網(wǎng)，所述防輻射絲網(wǎng)用于減少所述 熱緩沖管內(nèi)部所述高溫端向所述室溫端的輻射漏熱損失和自然對流損失。
所述氣缸內(nèi)部的所述室溫端設有一第二室溫端換熱器，所述第二室溫端 換熱器與所述第一室溫端換熱器相連，用于減小漏熱對所述排出器工作性能 的影響，使得所述排出器工作在室溫下。
由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，采用 熱緩沖管取代排出器的高于室溫端的部分，使排出器工作于室溫狀態(tài)下，降 低了排出器的加工和裝配精度并有效提高了排出器的使用壽命。與此同時， 在熱緩沖管內(nèi)置入防輻射絲網(wǎng)以有效減少輻射漏熱損失和聲流損失，并引入 室溫端換熱器以保證排出器工作在室溫端。
下面通過具體實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細描述。


圖1為現(xiàn)有的一自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為現(xiàn)有的另 一 自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為本發(fā)明自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為本發(fā)明自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6為本發(fā)明自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實施例四的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
在敘述本發(fā)明具體實施方式
之前，首先對熱緩沖管的作用和工作原理作 簡要說明。
在自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)中，排出器的工作原理可以用下式來表達 附jc" = -尸"2 - A3c - ( i )
其中，w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，《和g分別為排出器高
溫端和室溫端兩側(cè)壓力，4和4則分別為排出器高溫端和室溫端兩側(cè)的橫截
面積，《為彈性件和氣體彈簧的彈性系數(shù)，7 為阻尼系數(shù)。氣體彈簧是指一
可變?nèi)莘e的氣體，其作用和固體彈簧類似，在本發(fā)明中是指電機背腔或者靠 近排出器室溫部分的工質(zhì)氣體，根據(jù)設計參數(shù)確定是否采用。
從式(l)可以看出，排出器的工作特性主要由兩側(cè)的壓差，彈性件的彈 性系數(shù)和阻尼特性決定，因此，在基本保證其他參數(shù)不變的情況下，取消排 出器高于室溫端部分，并通過調(diào)整排出器室溫端部分質(zhì)量從而保持排出器總 體質(zhì)量不變，則排出器的工作特性不會受到影響。排出器室溫部分的質(zhì)量可 通過改變排出器幾何結(jié)構(gòu)或者采用不同密度的材料來實現(xiàn)。而熱緩沖管為一 中空圓管或中空變徑管，里面的工作氣體主要起一個長活塞的作用，將壓力 波動和速度波動從高溫端傳遞到室溫端，由于其軸線長度遠小于聲波長，且 質(zhì)量也遠小于排出器質(zhì)量，因此熱緩沖管的引入不會影響排出器乃至自由活塞斯特林發(fā)動機的工作特性。
圖3為本發(fā)明自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。 如圖3所示，自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)包括動力驅(qū)動裝置31和動力傳動裝 置32。動力驅(qū)動裝置31包括熱聲轉(zhuǎn)換器、氣缸314、排出器315以及熱緩 沖管316,動力傳動裝置32包括主動活塞321和第一彈性件322。熱聲轉(zhuǎn)換 器包括沿氣缸314的軸線方向依次包覆在氣缸外壁上的高溫端換熱器311、 回A器312和第一室溫端換熱器313。熱緩沖管316沿軸線方向設置于氣 缸314內(nèi)，位于與包覆在氣缸314外壁的高溫端換熱器311和回熱器312 相對應的位置處，用于將熱聲轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的壓力波動和速度波動，從氣缸 314氣缸內(nèi)部的與高溫端換熱器311對應的高溫端傳遞到與第一室溫端換 熱器313對應的室溫端。熱緩沖管316為一空管結(jié)構(gòu)，其形狀可為圓柱形 或者變截面形，材料為耐高溫且導熱系數(shù)低的不銹鋼或者陶瓷等，其壁面 較薄，內(nèi)表面應拋光使粗糙度較低。排出器315沿軸線方向設置于氣缸314 內(nèi)與包覆在氣缸314外壁的第一室溫端換熱器313相對應的位置處，在熱 聲轉(zhuǎn)換器的作用下，通過氣缸314內(nèi)的工質(zhì)氣體控制排出器315運動，帶動 主動活塞321運動做功。排出器315的延伸部分與第一彈性件322相連， 使得動力驅(qū)動裝置31和動力傳動裝置32成為一體。第一彈性件322可為 一平面支撐彈簧，用于支撐排出器315和主動活塞321，保持運動過程中 排出器315與氣缸314之間的密封間隙。電機背腔35起到氣體彈簧的作 用，與排出器315兩側(cè)的氣體壓力差及第一彈性件322配合控制排出器315 沿軸線方向的運動。本實施例中，排出器315為鋁或鋁合金材質(zhì)制成，也 可采用其他材質(zhì)以滿足排出器所需質(zhì)量要求。
本實施例中自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)的工作原理為采用燃燒器或 者太陽能集熱裝置等給高溫端換熱器311持續(xù)加入熱量，當工質(zhì)氣體(一 般為氦氣和氫氣等)的溫度被加熱到一臨界溫度后，熱發(fā)動機系統(tǒng)產(chǎn)生自激振蕩，其工作頻率在幾十至上百赫茲。工質(zhì)氣體在高溫膨脹腔317被加 熱，膨脹做功，并通過熱緩沖管316將聲功傳遞到排出器315,排出器315 壓縮低溫壓縮腔33內(nèi)的工質(zhì)氣體，被壓縮的工質(zhì)氣體將熱量放出給室溫 端換熱器313,該工質(zhì)氣體一部分進入回熱器312進行聲功再放大，另一 部分則驅(qū)動主動活塞321,主動活塞321往復直線運動，切割直線發(fā)電機 34的磁力線，將熱能轉(zhuǎn)換為電能輸出，以產(chǎn)生動力驅(qū)動其它裝置工作。以 上過程構(gòu)成了自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)一個周期內(nèi)的工作過程。發(fā)動機 持續(xù)工作便不斷將熱能轉(zhuǎn)換為電能和機械能等，實現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)化利用。
本實施例中的自由活塞式斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，采用熱緩沖管取代排出 器高于室溫端部分，可以有效降低排出器的加工精度、裝配和密封難度， 提高工作壽命。
圖4為本發(fā)明自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。 在實施例一的基礎上，為減小高溫向室溫的輻射漏熱損失如在熱緩沖管內(nèi)置 入適量防輻射絲網(wǎng)。圖4所示，自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)包括動力驅(qū)動裝 置41和動力傳動裝置42。動力驅(qū)動裝置41熱聲轉(zhuǎn)換器、氣缸414、排出器 415、熱緩沖管416、防輻射絲網(wǎng)418以及第二室溫端換熱器419,動力傳 動裝置42包括主動活塞421和第一彈性件422。熱聲轉(zhuǎn)換器包括沿氣缸414 的軸線方向依次包覆在氣缸外壁上的高溫端換熱器411、回熱器412和第 一室溫端換熱器413。熱緩沖管416沿軸線方向設置于內(nèi)，位于與包覆在 氣缸414外壁的高溫端換熱器411和回熱器412相對應的位置處，用于將 熱聲轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的壓力波動和速度波動，從氣缸414內(nèi)部的與高溫端換熱 器411對應的高溫端傳遞到與第一室溫端換熱器413對應的室溫端。熱緩 沖管416為一空管結(jié)構(gòu)，其形狀可為圓柱形或者變截面形，材料為耐高溫 且導熱系數(shù)低的不銹鋼或者陶瓷等，其壁面較薄，內(nèi)表面應拋光使粗糙度 較低。排出器415沿軸線方向設置于氣缸414內(nèi)與包覆在氣缸414外壁的 第一室溫端換熱器413相對應的位置處，在熱聲轉(zhuǎn)換器的作用下，通過氣缸414內(nèi)的工質(zhì)氣體控制排出器415運動，帶動主動活塞421運動^f故功。 排出器415的延伸部分與第一彈性件422相連，使得動力驅(qū)動裝置41和 動力傳動裝置42成為一體。第一彈性件422可為一平面支撐彈簧，用于 支撐排出器415和主動活塞421，保持運動過程中排出器415與氣缸414 之間的密封間隙。電機背腔45起到氣體彈簧的作用，與排出器415兩側(cè) 的氣體壓力差及第一彈性件422配合控制排出器415沿軸線方向的運動。 防輻射絲網(wǎng)418具有較低的表面灰度和較大的流通面積，其材料可為不銹 鋼或者紫銅等，在熱緩沖管416中置入若干層防輻射絲網(wǎng)418,用于減少 熱緩沖管416內(nèi)部高溫端向室溫端的熱輻射和自然對流損失。本實施例中， 在氣缸414的室溫端設有一第二室溫端換熱器419,與第一室溫端413轉(zhuǎn)換 器相連，以降低系統(tǒng)的復雜性。第二室溫端換熱器419位于熱緩沖管416與 排出器415之間，用于在工質(zhì)氣體受高溫端換熱器411的作用加熱熱量過大 時，減小熱緩沖管416的漏熱對排出器415工作性能的影響，使得排出器415 工作在室溫下。本實施例中，排出器415為鋁或鋁合金材質(zhì)制成，也可采 用其他材質(zhì)以滿足排出器所需質(zhì)量要求。
本實施例中自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)的工作原理為采用燃燒器或 者太陽能集熱裝置等給高溫端換熱器411持續(xù)加入熱量，當工質(zhì)氣體(一 般為氦氣和氫氣等)的溫度被加熱到一臨界溫度后，熱發(fā)動機系統(tǒng)產(chǎn)生自 激振蕩，其工作頻率在幾十至上百赫茲。工質(zhì)氣體在高溫膨脹腔417被加 熱，膨脹做功，并通過熱緩沖管416將聲功傳遞到排出器415,排出器415 壓縮低溫壓縮腔43內(nèi)的工質(zhì)氣體，被壓縮的工質(zhì)氣體將熱量放出給室溫 端換熱器413,該工質(zhì)氣體一部分進入回熱器412進行聲功再放大，另一 部分則驅(qū)動主動活塞421，主動活塞421往復直線運動，切割直線發(fā)電才幾 44的磁力線，將熱能轉(zhuǎn)換為電能輸出，以產(chǎn)生動力驅(qū)動其它裝置工作。以 上過程構(gòu)成了自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)一個周期內(nèi)的工作過程。發(fā)動機 持續(xù)工作便不斷將熱能轉(zhuǎn)換為電能和機械能等，實現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)化利用。本實施例中的自由活塞式斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，采用熱緩沖管取代排出 器高于室溫端部分，可以有效降低排出器的加工精度、裝配和密封難度， 提高工作壽命。為減少熱緩沖管內(nèi)的輻射漏熱損失，在其中將置入適量絲 網(wǎng)，同時該絲網(wǎng)還能起到降低熱緩沖管內(nèi)聲流影響的作用，在氣缸的室溫 端設置一室溫端換熱器以保證在大加熱量時排出器仍工作在室溫端。使得 本發(fā)明提出的自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)在保證了工作效率的基礎上，其 結(jié)構(gòu)更為簡單，壽命更長。
圖5為本發(fā)明自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。 如圖5所示，自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)包括動力驅(qū)動裝置51和動力傳動裝 置52。動力驅(qū)動裝置51包括熱聲轉(zhuǎn)換器、氣缸514、排出器515、熱緩沖 管516、第二彈性件518以及排出器固定件519，動力傳動裝置52包括主 動活塞521和第一彈性件522。熱聲轉(zhuǎn)換器包括沿氣缸514的軸線方向依次 包覆在氣缸外壁上的高溫端換熱器511、回熱器512和第一室溫端換熱器 513。熱緩沖管516沿軸線方向設置于氣缸514內(nèi)，位于與包覆在氣缸514 外壁的高溫端換熱器511和回熱器512相對應的位置處，用于將熱聲轉(zhuǎn)換 器產(chǎn)生的壓力波動和速度波動，從氣缸514內(nèi)部的與高溫端換熱器511對 應的高溫端傳遞到與第一室溫端換熱器513對應的室溫部分。熱緩沖管 516為一空管結(jié)構(gòu)，其形狀可為圓柱形或者變截面形，材料為耐高溫且導 熱系數(shù)低的不銹鋼或者陶瓷等，其壁面較薄，內(nèi)表面應拋光使粗糙度較低。 排出器515沿軸線方向設置于氣缸514內(nèi)與包覆在氣缸514外壁的第一室 溫端換熱器513相對應的位置處，在熱聲轉(zhuǎn)換器的作用下，通過氣缸514 內(nèi)的工質(zhì)氣體控制排出器515運動，帶動主動活塞521運動做功。排出器固 定件519,為T型結(jié)構(gòu)，位于動力驅(qū)動裝置51內(nèi)靠近動力傳動裝置52的一 端，T型結(jié)構(gòu)的橫向端519a與氣缸514相連。排出器515為一中空結(jié)構(gòu)，T 型結(jié)構(gòu)的縱向端519b穿過排除器515與第二彈性件518連接，T型結(jié)構(gòu)的橫 向端519a的兩側(cè)還設有氣孔，動力驅(qū)動裝置51的氣缸514通過氣孔與動力傳動裝置52相通。第二彈性件518，可為一平面支撐彈簧，與T型結(jié)構(gòu)的 縱向端519b的末端通過螺栓(未示出)相連，并與排出器515靠近熱聲轉(zhuǎn)換 器的一端通過螺栓相連，用于支撐排出器515,保持運動過程中排出器515 與氣缸514之間的密封間隙，在冷熱環(huán)境下與工質(zhì)氣體共同控制排出器515 沿氣缸514軸線方向的運動，并可提供一定的彈簧剛度。第一彈性件522與 主動活塞521相連，可為一平面支撐彈簧，用于支撐主動活塞521,保持 運動過程中主動活塞521與氣缸514之間的密封間隙。電機背腔55起到 氣體彈簧的作用，與主動活塞521兩側(cè)的氣體壓力差及第一彈性件522配 合控制主動活塞521的沿軸線方向的運動。上述結(jié)構(gòu)使得本實施例中的動 力驅(qū)動裝置51與動力傳動裝置52可以是分體"i殳置的。本實施例中，排出器 515為鋁或鋁合金材質(zhì)制成，也可采用其他材質(zhì)以滿足排出器所需質(zhì)量要 求。
本實施例中自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)的工作原理為采用燃燒器或 者太陽能集熱裝置等給高溫端換熱器511持續(xù)加入熱量，當工質(zhì)氣體(一 般為氦氣和氫氣等)的溫度被加熱到一臨界溫度后，熱發(fā)動機系統(tǒng)產(chǎn)生自 激振蕩，其工作頻率在幾十至上百赫茲。工質(zhì)氣體在高溫膨脹腔517被加 熱，膨脹做功，并通過熱緩沖管516將聲功傳遞到排出器515,排出器515 壓縮低溫壓縮腔53內(nèi)的工質(zhì)氣體，被壓縮的工質(zhì)氣體將熱量放出給室溫 端換熱器513，該工質(zhì)氣體一部分進入回熱器512進行聲功再放大，另一 部分則驅(qū)動主動活塞521,主動活塞521往復直線運動，切割直線發(fā)電枳^ 54的磁力線，將熱能轉(zhuǎn)換為電能輸出，以產(chǎn)生動力驅(qū)動其它裝置工作。以 上過程構(gòu)成了本實施例中自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)一個周期內(nèi)的工作 過程。發(fā)動機持續(xù)工作便不斷將熱能轉(zhuǎn)換為電能和機械能等，實現(xiàn)能源的 轉(zhuǎn)化利用。
本實施例中的自由活塞式斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，采用熱緩沖管取代排出 器高于室溫端部分，可以有效降低排出器的加工精度、裝配和密封難度，提高工作壽命。動力驅(qū)動裝置與動力傳動裝置分體設置，提高了自由活塞斯 特林發(fā)動機系統(tǒng)裝配的靈活性。
圖6為本發(fā)明自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實施例四的結(jié)構(gòu)示意圖。 在實施例三的基礎上，為減小高溫向室溫的輻射漏熱損失如在熱緩沖管內(nèi)置
入適量防輻射絲網(wǎng)。圖6所示，自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)包括動力驅(qū)動裝 置61和動力傳動裝置62。動力驅(qū)動裝置61包括熱聲轉(zhuǎn)換器、氣缸614、排 出器615、熱緩沖管616、防輻射絲網(wǎng)618、第二室溫端換熱器619、第二 彈性件620以及排出器固定件623,動力傳動裝置62包括主動活塞621和 第一彈性件622。熱聲轉(zhuǎn)換器包括沿氣缸614的軸線方向依次包覆在氣缸外 壁上的高溫端換熱器611、回熱器612和第一室溫端換熱器613。熱緩沖 管616沿軸線方向設置于氣缸614內(nèi)，位于與包覆在氣缸614外壁的高溫 端換熱器611和回熱器612相對應的位置處，用于將熱聲轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的壓 力波動和速度波動，/人氣缸614內(nèi)部的與高溫端換熱器611對應的高溫端 傳遞到與第一室溫端換熱器613對應的室溫端。熱緩沖管616為一空管結(jié) 構(gòu)，其形狀可為圓柱形或者變截面形，材料為耐高溫且導熱系數(shù)低的不銹 鋼或者陶瓷等，其壁面較薄，內(nèi)表面應拋光使粗糙度較低。排出器615沿 軸線方向設置于氣缸614內(nèi)與包覆在氣缸614外壁的第一室溫端換熱器 613相對應的位置處，在熱聲轉(zhuǎn)換器的作用下，通過氣缸614內(nèi)的工質(zhì)氣體 控制排出器615運動，帶動主動活塞621運動做功。排出器固定件623，為 T型結(jié)構(gòu)，位于動力驅(qū)動裝置61內(nèi)靠近動力傳動裝置62的一端，T型結(jié)構(gòu) 的橫向端與氣缸614相連，排出器615為一中空結(jié)構(gòu)，T型結(jié)構(gòu)的縱向端穿 出排除器615與第二彈性件620連接，T型結(jié)構(gòu)的橫向端的兩側(cè)還設有氣孑L， 動力驅(qū)動裝置61的氣缸614通過氣孔與動力傳動裝置62相通。第二彈性件 620，可為一平面支撐彈簧，與T型結(jié)構(gòu)的縱向端的末端通過螺栓相連，并 與排出器615靠近熱聲轉(zhuǎn)換器的一端通過螺栓相連，用于支撐排出器615, 保持運動過程中排出器615與氣缸614之間的密封間隙，與排出器615兩側(cè)的氣體壓力差配合控制排出器615沿氣缸614軸線方向的運動，并提供一 定的彈簧剛度。第一彈性件622，與主動活塞621相連，可為一平面支撐 彈簧，用于支撐主動活塞621，保持運動過程中主動活塞621與氣缸614 之間的密封間隙。電機背腔65起到氣體彈簧的作用，與主動活塞621兩 側(cè)的氣體壓力差及第 一彈性件622配合控制主動活塞621的沿軸線方向的 運動。上述結(jié)構(gòu)使得本實施例中的動力驅(qū)動裝置61與動力傳動裝置62可以 是分體設置的。防輻射絲網(wǎng)618具有較低的表面灰度和較大的流通面積， 其材料可為不銹鋼或者紫銅等，在熱緩沖管616中置入若干層防輻射絲網(wǎng) 618,用于減少熱緩沖管616內(nèi)高溫向室溫的熱輻射和自然對流損失。本 實施例中，在氣缸614的室溫端設有一第二室溫端換熱器619，與第一室溫 端613轉(zhuǎn)換器相連，以降低系統(tǒng)的復雜性。第二室溫端換熱器619位于熱緩 沖管616與排出器615之間，用于工質(zhì)氣體受高溫端換熱器411的作用加熱 熱量過大時，減小熱緩沖管616的漏熱對排出器615工作性能的影響，使得 排出器615工作在室溫下。本實施例中，排出器615為鋁或鋁合金材質(zhì)制 成，也可采用其他材質(zhì)以滿足排出器所需質(zhì)量要求。
本實施例中自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)的工作原理為采用燃燒器或 者太陽能集熱裝置等給高溫端換熱器611持續(xù)加入熱量，當工質(zhì)氣體(一 般為氦氣和氫氣等)的溫度被加熱到一臨界溫度后，熱發(fā)動機系統(tǒng)產(chǎn)生自 激振蕩，其工作頻率在幾十至上百赫茲。工質(zhì)氣體在高溫膨脹腔617被加 熱，膨脹做功，并通過熱緩沖管616將聲功傳遞到排出器615,排出器615 壓縮低溫壓縮腔63內(nèi)的工質(zhì)氣體，被壓縮的工質(zhì)氣體將熱量放出給室溫 端換熱器613，該工質(zhì)氣體一部分進入回熱器612進行聲功再放大，另一 部分則驅(qū)動主動活塞621，主動活塞621往復直線運動，與直線發(fā)電機64 作用，將熱能轉(zhuǎn)換為電能或者機械能輸出，以產(chǎn)生動力驅(qū)動其它裝置工作。 以上過程構(gòu)成了本實施例中自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)一個周期內(nèi)的工 作過程。發(fā)動機持續(xù)工作便不斷將熱能轉(zhuǎn)換為電能和機械能等，實現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)化利用。
本實施例中的自由活塞式斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，采用熱緩沖管取代排出 器高于室溫端部分，可以有效降低排出器的加工精度、裝配和密封難度， 提高工作壽命。為減少熱緩沖管內(nèi)的輻射漏熱損失，在其中將置入適量絲 網(wǎng)，同時該絲網(wǎng)還能起到降低熱緩沖管內(nèi)聲流影響的作用，在熱緩沖管的 室溫側(cè)設置一室溫端換熱器以保證排出器在大加熱量時仍工作在室溫端。 使得本發(fā)明提出的自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)在保證了工作效率的基礎 上，其結(jié)構(gòu)更為簡單，壽命更長。同時動力驅(qū)動裝置與動力傳動裝置分體 設置，提高了自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)裝配的靈活性。
最后應i兌明的是以上實施例4又用以i兌明本發(fā)明的4支術(shù)方案，而非對 其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技 術(shù)人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改， 或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應 技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1、一種自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，包括動力驅(qū)動裝置和動力傳動裝置，所述動力驅(qū)動裝置包括氣缸和熱聲轉(zhuǎn)換器，所述熱聲轉(zhuǎn)換器包括沿所述氣缸軸線方向依次包覆在氣缸外壁上的高溫端換熱器、回熱器以及第一室溫端換熱器，所述動力傳動裝置包括靠近所述動力驅(qū)動裝置一端的主動活塞和遠離所述動力驅(qū)動裝置一端的第一彈性件，其特征在于，所述動力驅(qū)動裝置還包括依次設置于所述氣缸內(nèi)的熱緩沖管和排出器，其中所述熱緩沖管為所述氣缸內(nèi)部一管體，位于與包覆在所述氣缸外壁的所述高溫端換熱器和回熱器相對應的位置處，用于通過所述氣缸內(nèi)的工質(zhì)氣體，將所述熱聲轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的壓力波動和速度波動，從所述氣缸內(nèi)部的與所述高溫端換熱器對應的高溫端傳遞到與所述第一室溫端換熱器對應的室溫端；所述排出器，位于所述氣缸內(nèi)與包覆在所述氣缸外壁的所述第一室溫端換熱器相對應的位置處，用于在所述熱聲轉(zhuǎn)換器的作用下，通過所述工質(zhì)氣體控制所述排出器運動。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，其特征在于， 所述熱緩沖管內(nèi)部間隔放置防輻射絲網(wǎng)，所述防輻射絲網(wǎng)用于減少所述熱緩 沖管內(nèi)部所述高溫端向所述室溫端的輻射漏熱損失和自然對流損失。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，其特征在于， 所述氣缸內(nèi)部的所述室溫端設有一第二室溫端換熱器，所述第二室溫端換熱 器與所述第一室溫端換熱器相連，用于減少漏熱。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，其特征在于，所述排出器包括一延伸部，所述延伸部沿所述氣缸軸線方向與所述第 一彈性件相連，所述排出器通過所述延伸部和所述第一彈性件固定。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l-3任一所述的自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，其特征 在于，所述主動活塞與所述第一彈性件相連，則所述排出器為一中空結(jié)構(gòu)，且所述動力驅(qū)動裝置還包括排出器固定件和第二彈性件，其中所述排出器固定件，為T型結(jié)構(gòu)，位于所述動力驅(qū)動裝置內(nèi)靠近所述動力傳動裝置一端，所述T型結(jié)構(gòu)的橫向端與所述氣缸相連，所述T型結(jié)構(gòu)的縱向端穿過所述排除器與所述第二彈性件連接；所述T型結(jié)構(gòu)的橫向端的兩側(cè)還設有氣孔，使所述氣缸與所述動力傳動裝置相通；所述第二彈性件，與所述排出器固定件的所述T型結(jié)構(gòu)的縱向端的末端通過第一連接件相連；與所述排出器通過第二連接件相連。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，其特征在于，所述第 一連接件和所述第二連接件為螺栓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自由活塞斯特林發(fā)動機系統(tǒng)，包括動力驅(qū)動裝置和動力傳動裝置。所述動力驅(qū)動裝置包括氣缸和熱聲轉(zhuǎn)換器，所述熱聲轉(zhuǎn)換器包括高溫端換熱器、回熱器以及第一室溫端換熱器，所述動力傳動裝置包括主動活塞和遠離所述動力驅(qū)動裝置一端的第一彈性件，所述動力驅(qū)動裝置還包括依次設置于所述氣缸內(nèi)的熱緩沖管和排出器。所述熱緩沖管位于與包覆在所述氣缸外壁的所述高溫端換熱器和回熱器相對應的位置處，所述排出器位于所述氣缸內(nèi)與包覆在所述氣缸外壁的所述第一室溫端換熱器相對應的位置處。本發(fā)明采用熱緩沖管取代排出器的高于室溫端部分，使排出器工作于室溫狀態(tài)下，降低了排出器的加工和裝配精度并有效提高了排出器的使用壽命。
文檔編號F02G1/00GK101619687SQ20091009116
公開日2010年1月6日 申請日期2009年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月11日
發(fā)明者余國瑤, 吳張華, 巍 戴, 羅二倉 申請人:深圳市中科力函熱聲技術(shù)工程研究中心有限公司