[發(fā)明專利]自由活塞斯特林熱機(jī)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310020114.8
• 申請日: 2013-01-18
• 公開（公告）號: CN103089480A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 余國瑤;戴巍;羅二倉;李珂;李海冰;吳張華
• 申請（專利權(quán)）人: 中科力函（深圳）熱聲技術(shù)有限公司
• 主分類號: F02G1/043
• 分類號: F02G1/043
• 代理公司: 北京同立鈞成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11205
• 代理人: 劉在江

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熱能動力技術(shù)，尤其涉及一種自由活塞斯特林熱機(jī)。

背景技術(shù)

斯特林熱機(jī)分為兩種，采用正向斯特林循環(huán)的被稱作斯特林發(fā)動機(jī)，通過工作氣體的受熱膨脹、遇冷壓縮將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其理論效率等于卡諾循環(huán)效率；采用逆向斯特林循環(huán)的斯特林熱機(jī)根據(jù)使用目的不同，稱為制冷機(jī)或熱泵，依靠外界動力使氣體受迫膨脹吸熱、壓縮放熱，將熱量從低溫端傳至高溫端，其理論效率也等于卡諾循環(huán)效率。斯特林熱機(jī)具有外燃式、閉式循環(huán)的特點(diǎn)，內(nèi)部氣體通常為氦氣或氫氣，因此具有適用性廣、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

自由活塞斯特林熱機(jī)，是斯特林熱機(jī)的一種特殊結(jié)構(gòu)形式，它取消了傳統(tǒng)斯特林熱機(jī)的復(fù)雜機(jī)械傳動機(jī)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，從而減少原傳動機(jī)構(gòu)機(jī)械磨損，降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，提高使用壽命。相比較傳統(tǒng)的斯特林熱機(jī)，自由活塞斯特林熱機(jī)效率更高，壽命更長，而當(dāng)采用對置電機(jī)布置方式時，噪聲和振動更小，具有廣闊的應(yīng)用前景。

雖然自由活塞斯特林熱機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景，但傳統(tǒng)的自由活塞斯特林熱機(jī)的應(yīng)用還存在一些限制。傳統(tǒng)的自由活塞斯特林熱機(jī)，放熱端位于靠近直線壓縮機(jī)動力活塞側(cè)，當(dāng)該熱機(jī)作為熱泵使用時易使動力活塞受熱膨脹，增大活塞與氣缸間摩擦損失，降低系統(tǒng)效率和使用壽命，同時也造成了嚴(yán)重的熱損失。當(dāng)傳統(tǒng)自由活塞斯特林熱機(jī)采用低溫冷源時，其放熱端換熱器靠近直線發(fā)電機(jī)的動力活塞，易使動力活塞遇冷收縮，活塞與氣缸間密封性能受到影響，增大了泵氣損失與冷量損失，嚴(yán)重降低系統(tǒng)效率。具體表現(xiàn)在以下兩個領(lǐng)域：

其一，高溫?zé)岜没蛑评錂C(jī)/熱泵兩用系統(tǒng)，高溫?zé)岜猛ǔＶ笩岜霉釡囟冗_(dá)80°C以上的熱泵，作為熱源，既可應(yīng)用于多種工業(yè)生產(chǎn)流程，如干燥、殺菌、密封、蒸煮等，也可用于家用暖氣、熱水器。制冷機(jī)/熱泵兩用系統(tǒng)可為家用或車用空調(diào)、冰箱、熱水器等提供冷源和熱源，其特點(diǎn)是對制冷溫度要求不高，但由于需要提供熱水，對制熱溫度有一定要求，在北方嚴(yán)寒地區(qū)，對吸熱溫度也有嚴(yán)苛要求。

對于現(xiàn)有的自由活塞斯特林高溫?zé)岜没蛑评錂C(jī)/熱泵系統(tǒng)，其放熱端（溫度較高）靠近直線壓縮機(jī)動力活塞，高溫氣體容易導(dǎo)致動力活塞受熱膨脹，增大摩擦，降低系統(tǒng)效率及使用壽命，并造成嚴(yán)重的熱量損失。

其二，低溫冷源發(fā)動機(jī)，從室溫?zé)嵩次鼰嵯虻陀谑覝氐睦湓捶艧岬陌l(fā)動機(jī)稱作低溫冷源發(fā)動機(jī)。在同樣的溫差下，其理論卡諾效率高于傳統(tǒng)的采用高溫?zé)嵩吹陌l(fā)動機(jī)。液化天然氣在常溫使用過程中汽化吸收大量熱，是一種常見的低溫冷源。

由于傳統(tǒng)的自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)放熱端靠近直線發(fā)電機(jī)動力活塞，當(dāng)利用液化天然氣冷能進(jìn)行工作時，這種低溫液化天然氣（常壓沸點(diǎn)約120K）易導(dǎo)致動力活塞遇冷收縮，影響活塞與氣缸壁之間的密封，造成泵氣損失與冷量損失，導(dǎo)致系統(tǒng)效率顯著下降。

因此，本發(fā)明的目的在于，針對目前傳統(tǒng)自由活塞斯特林熱機(jī)在上述且不僅限于上述場合中應(yīng)用的不利因素，提出將傳統(tǒng)自由活塞斯特林熱機(jī)的排出器反向布置，使排出器振動相位落后于動力活塞，使原膨脹腔變?yōu)閴嚎s腔，原壓縮腔變?yōu)榕蛎浨唬鄳?yīng)地交換吸熱、放熱端換熱器的位置，使動力活塞工作在接近室溫的環(huán)境下，避免動力活塞與氣缸間的密封與摩擦受換熱器溫度影響，確保系統(tǒng)效率高效穩(wěn)定運(yùn)行。

傳統(tǒng)的自由活塞斯特林熱機(jī)常見結(jié)構(gòu)形式如圖1-3所示。圖1為排除器與電機(jī)耦合布置的結(jié)構(gòu)圖；具體包括膨脹腔1、吸熱端換熱器2、回?zé)崞?、排出器4、放熱端換熱器5、壓縮腔6、直線振蕩電機(jī)7、動力活塞8、第一平面支撐彈簧9和電機(jī)背腔10。

圖2為排除器與電機(jī)分離布置的結(jié)構(gòu)圖；圖3為雙電機(jī)對置的結(jié)構(gòu)圖；具體包括膨脹腔1、吸熱端換熱器2、回?zé)崞?、排出器4、放熱端換熱器5、壓縮腔6、直線振蕩電機(jī)7、動力活塞8、第一平面支撐彈簧9、電機(jī)背腔10、第二平面支撐彈簧11和排出器固定座12。

具體工作原理參照圖4-7，圖4為排出器4處于初始位置狀態(tài)a的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5為排出器4處于上止點(diǎn)狀態(tài)b的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6為排出器4返回初始位置狀態(tài)c的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7為排出器4下行至下止點(diǎn)狀態(tài)d的結(jié)構(gòu)示意圖。

傳統(tǒng)自由活塞斯特林制冷機(jī)/熱泵的工作原理如下：

狀態(tài)a-狀態(tài)b過程，動力活塞7與排出器4同時上行，使氣體在壓縮腔6內(nèi)被壓縮，通過換熱器5向外界放熱。對于制冷機(jī)，換熱器5為室溫?fù)Q熱器，該熱量作為廢熱釋放至環(huán)境；對于熱泵，換熱器5為高溫?fù)Q熱器，該熱量被收集利用。

狀態(tài)b-狀態(tài)c過程，動力活塞7上行，排出器4下行，氣體從壓縮腔6流經(jīng)回?zé)崞?進(jìn)入膨脹腔，并從回?zé)崞?吸收熱量，溫度升高。