[發(fā)明專利]一種自由活塞斯特林熱機

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510048156.1
• 申請日: 2015-01-29
• 公開（公告）號: CN104653331A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅二倉;余國瑤;戴巍;劉斌
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所;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: 北京方安思達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11472
• 代理人: 王宇楊;呂愛霞

技術(shù)領(lǐng)域

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

背景技術(shù)

自由活塞斯特林熱機是熱聲熱機的一種特殊結(jié)構(gòu)形式，它通過內(nèi)部工質(zhì)的高效斯特林循環(huán)實現(xiàn)外部熱量與機械能之間的轉(zhuǎn)換。采用正向斯特林循環(huán)的自由活塞斯特林發(fā)動機通過受熱膨脹，遇冷壓縮將外部熱能轉(zhuǎn)化為機械能；采用逆向斯特林循環(huán)的自由活塞斯特林制冷機通過膨脹吸熱，壓縮放熱將熱量從低溫側(cè)泵送至室溫側(cè)，實現(xiàn)制冷效應(yīng)。無論是發(fā)動機抑或制冷機，這類熱機的理論效率均與卡諾效率相等。作為一種熱聲熱機，它通過聲場調(diào)相實現(xiàn)高效熱聲或者聲熱轉(zhuǎn)換，并通過聲場諧振和聲場耦合方式實現(xiàn)與負(fù)載——如直線電機等的高效耦合，構(gòu)建自由活塞斯特林發(fā)電機或電驅(qū)動自由活塞斯特林制冷機。

受益于聲諧振特性，自由活塞斯特林熱機內(nèi)部無機械傳動機構(gòu)和油潤滑裝置，因而具有振動小，結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高等優(yōu)點；其采用氦氣或者氮氣作為工質(zhì)，具有綠色環(huán)保的特點；此外，作為一種外燃式熱機，其可采用太陽能、工業(yè)廢熱和生物質(zhì)能等作為熱源，具有熱源適用性廣，能源綜合利用率高的優(yōu)點。基于以上特點，自由活塞斯特林熱機在太陽能發(fā)電、余熱發(fā)電和零下80℃及以下溫區(qū)低溫制冷等領(lǐng)域均具有顯著的應(yīng)用前景。

雖然自由活塞斯特林熱機前景廣闊，但是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍存在較大局限性，成為制約該熱機大規(guī)模應(yīng)用的重要因素之一。下面將結(jié)合結(jié)構(gòu)示意圖和工作原理圖來揭示其局限性。

圖1為現(xiàn)有自由活塞斯特林熱機結(jié)構(gòu)示意圖，其包括以下部件：膨脹腔1、吸熱端內(nèi)部換熱器2、吸熱端外部換熱器3、回?zé)崞?、缸體5、放熱端換熱器6、壓縮腔7、動力活塞8(動力活塞塞體8a、動力活塞隼部8b)、直線振蕩電機9(電機動子9b和電機定子9a)、平面支撐彈簧10、電機背腔11、排出器12(12a為排出器桿體)、排出器氣缸13。

圖2是現(xiàn)有自由活塞斯特林發(fā)動機工作原理示意圖，圖2中的部件與圖1中相對應(yīng)。請同時參照圖1和圖2，以發(fā)動機為例，現(xiàn)有自由活塞斯特林熱機的工作?原理如下：

狀態(tài)a-狀態(tài)b過程，動力活塞8從下止點開始與排出器12同時上行，使氣體在壓縮腔7內(nèi)被壓縮，并通過放熱端換熱器6向外界放熱。

狀態(tài)b-狀態(tài)c過程，動力活塞8繼續(xù)上行，排出器12下行，氣體熱量從壓縮腔7流經(jīng)回?zé)崞?進入膨脹腔1，途中將熱量釋放給回?zé)崞?，氣體溫度降低。

狀態(tài)c-狀態(tài)d過程，氣體在膨脹腔1內(nèi)，通過內(nèi)部吸熱端換熱器2和外部吸熱端換熱器3從外界吸熱膨脹，使排出器12下行，并推動動力活塞8下行。此過程中，回?zé)崞?將熱能轉(zhuǎn)換為聲能(機械能)，并通過氣體推動動力活塞8從而使直線振蕩電機9的動子9b切割磁力線向外界以電能形式輸出。

狀態(tài)d-狀態(tài)a過程，動力活塞8繼續(xù)下行，排出器12上行，氣體熱量從膨脹腔1流經(jīng)回?zé)崞?進入壓縮腔7，途中將熱量釋放給回?zé)崞?，回?zé)崞?溫度升高，氣體溫度降低。

完成上述一完整循環(huán)過程后，發(fā)動機將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，并通過動力活塞8帶動直線振蕩電機的動子9b切割磁力線、向外界以電能形式輸出。動力活塞8與排出器12做簡諧振動，后者相位超前于前者。

理想情況下，無法進行能量轉(zhuǎn)換的熱量(根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一般約為發(fā)電量的2倍～3倍)和靜態(tài)漏熱(通過導(dǎo)熱、對流和輻射方式從高溫區(qū)留向室溫區(qū))都應(yīng)被放熱端換熱器6帶走，從而保證排出器間隙密封側(cè)工作在室溫下。實際情況下，由于結(jié)構(gòu)和換熱條件的限制，上述兩部分熱量無法被放熱端換熱器6有效帶走，這就導(dǎo)致熱量積聚在排出器間隙密封側(cè)，使排出器12與排出器氣缸13之間的機械阻尼增大，嚴(yán)重時將產(chǎn)生“卡死”現(xiàn)象而無法工作。

自由活塞斯特林熱機的排出器12的工作原理可以用下式來表達：

mx″＝P₁A₁-P₂A₂-Kx-Rx′

其中，m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(dǎo)數(shù)即速度，x″為位移對時間的二階導(dǎo)數(shù)即加速度，P₁和P₂分別為排出器兩端即膨脹腔與壓縮腔壓力，A₁和A₂則分別為排出器兩端的橫截面積，K為平面支撐彈簧10的彈性系數(shù)，R為阻尼系數(shù)。

從該式中不難看出，P₁A₁-P₂A₂為排出器運動的驅(qū)動力，而一旦機械阻尼R超過一閥值，該阻力將超過驅(qū)動力而使排出器無法工作。