[發明專利]一種同時利用高低溫熱源的自由活塞斯特林發動機系統

有效

• 申請號: 201310042811.3
• 申請日: 2013-02-01
• 公開（公告）號: CN103114941A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 羅二倉;余國瑤;李珂;戴巍;吳張華
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: F02G1/043
• 分類號: F02G1/043;F02G1/053
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

技術領域

本發明涉及一種發動機系統，特別是一種同時利用高低溫熱源的自由活塞斯特林發動機系統。

背景技術

斯特林發動機屬于外燃式發動機，通過發動機內部工質氣體的受熱膨脹、遇冷收縮而產生動力，將熱能轉化為機械能，其理論效率等于卡諾循環效率。自由活塞斯特林發動機是斯特林發動機的一種結構形式，采用“動力活塞+排出器（也稱自由活塞）”結構，代替了傳統斯特林熱機的“雙活塞”結構，通過控制排出器質量、排出器兩側截面積差、彈簧剛度等參數來決定其工作特性，同時取消了傳動結構，從而減小了機械磨損，提高了發動機使用壽命。相較于傳統的斯特林發動機，自由活塞斯特林發動機噪聲和振動更小，壽命更長。得益于直線振蕩電機的技術進步，目前自由活塞斯特林發動機最常見結構形式是將動力活塞與直線發電機動子耦合，驅動直線振蕩發電機發電，將機械能轉換為電能，如圖1、圖2所示。

圖1為現有的一種傳統自由活塞斯特林發動機系統結構示意圖。如圖1所示，該系統包括自由活塞斯特林發動機與直線發電機，并采用自由活塞斯特林發動機與直線發電機耦合布置方式，即自由活塞斯特林發動機排出器16固定部件平面支撐彈簧18布置于直線發電機背腔；自由活塞斯特林發動機由膨脹腔11、吸熱端換熱器12、回熱器13、放熱端換熱器14、壓縮腔15、排出器16、動力活塞17和排出器平面支撐彈簧18組成；直線發電機包括電機動子1、電機定子2和平面支撐彈簧3；自由活塞斯特林發動機的排出器16固定部件平面支撐彈簧18布置于直線發電機背腔；電機動子1與動力活塞17耦合為一體。

圖2為現有的另一種自由活塞斯特林發動機系統結構示意圖。如圖2所示，該系統由自由活塞斯特林發動機與直線發電機組成，并采用自由活塞斯特林發動機與直線發電機分離布置方式；排出器16固定部件平面支撐彈簧18布置于斯特林發動機的排出器16內。自由活塞斯特林發動機由膨脹腔11、吸熱端換熱器12、回熱器13、放熱端換熱器14、壓縮腔15、排出器16、動力活塞17、排出器平面支撐彈簧18組成和排出器底座19組成；直線發電機由電機動子1、電機定子2和平面支撐彈簧3組成；直線發電機的電機動子1與動力活塞17耦合為一體。

根據所用熱源溫度的不同，自由活塞斯特林發動機又可分為高溫熱源發動機與低溫冷源發動機。對于圖1、圖2所示的傳統自由活塞斯特林發動機：當其利用高溫熱源工作時，以圖2結構為例，吸熱端換熱器12為高溫端，放熱端換熱器14為室溫端，動力活塞17工作于室溫狀態下，動力活塞17與氣缸間的密封不受高溫端換熱器12影響；而當利用低溫冷源工作時，吸熱端換熱器12為室溫端，放熱端換熱器14為低溫端，此時動力活塞17位于低溫環境，遇冷收縮，導致活塞與氣缸壁間的密封性能下降，增大流動損失與冷量損失。為解決低溫冷源利用時遇到的問題，我們采用一種新型的自由活塞斯特林發動機結構，如圖3所示，與圖2結構相比，斯特林發動機2采用了整體反向布置，即25為壓縮腔，24為放熱端換熱器，23仍為回熱器，22為吸熱端換熱器，21為膨脹腔，此時靠近動力活塞27的吸熱端換熱器22為室溫端，遠離動力活塞側的放熱端換熱器24為低溫端，從而使動力活塞27工作于室溫狀態下，避免了低溫導致活塞與氣缸的密封性能下降以及引起冷量損失等。

在一些特殊場合，如鋼鐵廠、大型液化天然氣運輸油輪等，既有可回收的工業或尾氣廢熱，同時又有大量可利用的液氮和液化天然氣汽化（常壓沸點約120K）冷量?，F有自由活塞斯特林發動機對這些熱量與冷量同時進行回收利用時，通常有兩種形式，但都有各自缺點，具體如下：

1.采用兩套完全獨立的自由活塞發動機系統，即一套高溫熱源發動機系統與一套低溫冷源發動機系統。其中高溫熱源發動機宜采用圖1或圖2所示傳統自由活塞斯特林發動機形式，而低溫冷源發動機宜采用圖3所示的一種新型自由活塞斯特林發動機形式。因此，兩臺發動機中，靠近動力活塞側的換熱器均為室溫端換熱器，高溫端換熱器或低溫端換熱器不會對動力活塞與氣缸間的密封產生不利影響。但缺點在于系統結構不緊湊，成本高。