一种自由活塞斯特林热机系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及热能动力技术，尤其涉及一种自由活塞斯特林热机系统。
【背景技术】
[0002]在高温热栗或制冷机/热栗两用系统及低温冷源(如液化天然气或者液氮的气化过程释放的大量汽化潜热)等应用领域，中国发明专利(ZL201310020114.8和ZL201310042811.3)提出了一种新型的自由活塞斯特林热机技术，以提供低环温、大温差和高制热温度等苛刻条件下的高效热栗，充分利用汽化潜热用于发电等。图1是该热机的结构不意图，该热机包括缸体3、至少一个直线振荡电机2、至少一个动力活塞4和设在该缸体3内的至少一个排出器5，动力活塞4包括塞体和隼部，塞体设在该缸体内，隼部插入在直线振荡电机的线圈内，缸体内具有压缩腔9和膨胀腔10，排出器5在压缩腔9和膨胀腔10之间振动，热机缸体内壁上还设有吸热端换热器6、回热器7和放热端换热器8。该热机的创新点在于将传统自由活塞斯特林热机的排出器反向布置，并相应地改变了吸、放热端换热器的位置，使吸热端换热器位于动力活塞侧，利于直线振荡电机的运行，避免了动力活塞因靠近高温换热器导致摩擦增大，致使系统效率、使用寿命降低，提高了热机的效率和使用寿命ο
[0003]尽管图1的结构在热栗、低温冷源发动机等领域具有较好的适用性，但该结构仍存在缺陷，其主要问题在于平面支撑弹簧12置于排出器5内部；其一方面由于单侧支撑而使排出器容易失稳；另一方面，平面支撑弹簧尺寸容易受到排出器尺寸的制约，从而显著增加设计、材料和加工工艺难度，降低其可靠性。因此，本发明的目的在于，针对目前用于热栗、低温冷源领域的新型自由活塞斯特林热机在上述且不仅限于上述场合中应用的不利因素，将排出器5与动力活塞4耦合、平面支撑弹簧12置于电机背腔的新结构，降低平面支撑弹簧的设计难度，提升其运动的平稳性和可靠性，亦使系统更紧凑。
[0004]本发明基于排出器的工作机理，自由活塞斯特林热机高效运行的一个重要机理就在于作往复运动的排出器的调相作用；排出器的工作原理可以用下式来表达:
[0005]mx” = P1A1-P2A2-Kx-Rx/
[0006]其中，m为排出器质量，X为排出器的位移量，xr为位移对时间的一阶导数即速度，X”为位移对时间的二阶导数即加速度，PJP P 2分别为排出器两端即膨胀腔与压缩腔压力，AjPA2则分别为排出器两端的横截面积，K为平面支撑弹簧的弹性系数，R为阻尼系数。
[0007]从上式中可以看出，排出器的工作特性主要由两侧的压差、平面支撑弹簧的弹性系数和阻尼特性决定；因而，可以通过调节排出器两侧的面积差来调节排出器的工作特性，获得所需的调相性能。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种自由活塞斯特林热机，用于克服现有技术中的缺陷，增强排出器运动平稳性和可靠性，提高系统的紧凑性和使用寿命。
[0009]本发明的技术方案如下:
[0010]本发明提供的自由活塞斯特林热机，其包括:
[0011]耐压壳体1 ;
[0012]裝于所述耐压壳体1之内下部的直线振荡电机2 ;
[0013]依次裝于所述耐压壳体1上部内壁上的吸热端换热器6、回热器7和放热端换热器8 ；
[0014]分别盖于所述耐压壳体1上下端的上固定支座11和下固定支座；
[0015]裝于由所述吸热端换热器6、回热器7和放热端换热器8及固定支座11围成的空间内的排出器5 ；
[0016]所述排出器5与上固定支座11之间形成的压缩腔9 ;
[0017]所述排出器5与直线振荡电机的动力活塞4之间形成的膨胀腔10 ;
[0018]所述动力活塞4与下固定支座之间形成的电机背腔17 ;
[0019]所述吸热端换热器6靠近动力活塞4，放热端换热器8远离动力活塞4 ;所述排出器5的排出器杆穿过直线振荡电机的动力活塞4与位于所述电机背腔17的平面支撑弹簧16相连。
[0020]膨胀腔侧的排出器面积大于压缩腔侧排出器面积。
[0021]所述排出器5与上固定支座11之间为间隙密封。所述密封结构包括迷宫、镀层等形式。
[0022]所述排出器5与所述吸热端换热器6、回热器7和放热端换热器8及固定支座11内壁之间、所述排出器杆与动力活塞4之间以及所述动力活塞4与缸体3内壁之间均为间隙密封或干摩擦密封；所述间隙密封结构为迷宫、镀层等形式。
[0023]所述动力活塞4采用气浮轴承支撑。
[0024]所述自由活塞斯特林热机为两个，呈同轴对置布置结构，两个自由活塞斯特林热机的缸体相连通。所述两个自由活塞斯特林热机的缸体为一体的长筒体，上固定支座11位于所述长筒体缸体内中部，二个排出器5分布在所述上固定支座两侧，所述上述固定支座上具有连通两侧压缩腔9的通气孔18。
[0025]所述压缩腔侧的耐压壳体中部设有一 T型结构的固定支座，该固定支座的垂直分支的直径大于排出器杆直径，用于提供排出器运动所需的面积差。所述排出器与固定支座不接触，两者为间隙密封。
[0026]所述吸热端换热器6为翅片式或者管壳式换热器；所述放热端换热器8为翅片式或者管束式换热器；所述翅片式吸热端换热器的内壁面材料为紫铜，外侧壳体材料为不锈钢，所述管壳式吸热端换热器的材料为不锈钢或紫铜；所述翅片式放热端换热器的壁面材料为紫铜或铝合金，外侧壳体材料为不锈钢，所述管束式放热端换热器的材料为紫铜或不锈钢，所述放热端换热器外部可增加换热翅片。
[0027]所述回热器内部填充不锈钢丝网、不锈钢纤维毡或者不锈钢丝绵。
[0028]所述排出器5为等径圆筒或为变径带锥度圆筒，其材质为不锈钢或铝合金。
[0029]所述排出器与动力活塞之间不接触，两者为间隙密封，采用气浮轴承支撑；所述排出器与动力活塞之间亦可接触，两者为干摩擦方式，通过自润滑材料使两者之间保持较低的摩擦系数。
[0030]本发明提供的自由活塞斯特林热机，将排出器与动力活塞相互耦合，用膨胀腔侧的排出器面积大于压缩腔侧排出器面积来调节排出器的工作特性，获得所需的调相性能；将提供排出器往复力的平面支撑弹簧置于直线振荡电机背腔，有利于使系统更紧凑、平面支撑弹簧的寿命更高，降低工艺要求，提升热机的稳定性和可靠性。
【附图说明】
[0031]图1为现有技术中的自由活塞斯特林热机的示意图；
[0032]图2为本发明实施例一提供的单热机布置的自由活塞斯特林热机的示意图；
[0033]图3为本发明实施例二提供的双热机对置的自由活塞斯特林热机的示意图；
[0034]图4a、图4b、图4c和图4d为本发明的自由活塞斯特林热机的工作原理图。
【具体实施方式】
[0035]实施例1
[0036]图2为本发明实施例1提供的单热机布置的自由活塞斯特林热机的示意图；
[0037]实施例1的自由活塞斯特林热机，其包括:
[0038]耐压壳体1 ;
[0039]裝于所述耐压壳体1之内下部的直线振荡电机2 ;
[0040]依次裝于所述耐压壳体1上部内壁上的吸热端换热器6、回热器7和放热端换热器8 ；
[0041]分别盖于所述耐压壳体1上下端的上固定支座11和下固定支座；
[0042]裝于由所述吸热端换热器6、回热器7和放热端换热器8及固定支座11围成的空间内的排出器5 ；
[0043]所述排出器5与上固定支座11之间形成的压缩腔9 ;
[0044]所述排出器5与直线振荡电机的动力活塞4之间形成的膨胀腔10 ;
[0045]所述动力活塞4与下固定支座之间形成的电机背腔17 ;其特征在于:
[0046]所述吸热端换热器6靠近动力活塞4，放热端换热器8远离动力活塞4 ;所述排出器5的排出器杆穿过直线振荡电机的动力活塞4与位于所述电机背腔17的平面支撑弹簧16相连。
[0047]图4a、图4b、图4c和图4d为本发明的自由活塞斯特林热机工作原理图；其排出器的工作原理与传统自由活塞斯特林热机的排出器工作原理相同，在本发明中，通过设计合适的排出器两侧面积差、排出器动质量和平面支撑弹簧刚度，可为排出器提供合适的声场阻抗，进而满足热机高效运行所需的声场相位要求。
[0048]其基本工作原理如下:
[0049]参照图4a?图4d，本实施例提供的自由活塞斯特林热机作为制冷机或热栗(制冷机与热栗采用相同的热力循环)的工作原理如下:
[0050]图4a_图4b过程，动力活塞4与排出器5同时下行，使气体在膨胀腔10内膨胀，温度降低，通过吸热端换热器6从外界吸热。对于制冷机，吸热端换热器6即为冷头，用于制冷；对于热栗，吸热端换热器6为室温换热器，气体从室温