一种自由活塞斯特林热机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及热能动力技术领域，尤其涉及一种自由活塞斯特林热机。
【背景技术】
[0002] 自由活塞斯特林热机是热声热机的一种特殊结构形式，它通过内部工质的高效斯 特林循环实现外部热量与机械能之间的转换。采用正向斯特林循环的自由活塞斯特林发动 机通过受热膨胀，遇冷压缩将外部热能转化为机械能；采用逆向斯特林循环的自由活塞斯 特林制冷机通过膨胀吸热，压缩放热将热量从低温侧泵送至室温侧，实现制冷效应。无论是 发动机抑或制冷机，这类热机的理论效率均与卡诺效率相等。作为一种热声热机，它通过声 场调相实现高效热声或者声热转换，并通过声场谐振和声场親合方式实现与负载--如直 线电机等的高效耦合，构建自由活塞斯特林发电机或电驱动自由活塞斯特林制冷机。
[0003] 受益于声谐振特性，自由活塞斯特林热机内部无机械传动机构和油润滑装置，因 而具有振动小，结构简单和可靠性高等优点；其采用氦气或者氮气作为工质，具有绿色环保 的特点；此外，作为一种外燃式热机，其可采用太阳能、工业废热和生物质能等作为热源，具 有热源适用性广，能源综合利用率高的优点。基于以上特点，自由活塞斯特林热机在太阳能 发电、余热发电和零下80°C及以下温区低温制冷等领域均具有显著的应用前景。
[0004] 虽然自由活塞斯特林热机前景广阔，但是传统结构仍存在较大局限性，成为制约 该热机大规模应用的重要因素之一。下面将结合结构示意图和工作原理图来揭示其局限 性。
[0005] 图1为现有自由活塞斯特林热机结构示意图，其包括以下部件：膨胀腔1、吸热端 内部换热器2、吸热端外部换热器3、回热器4、缸体5、放热端换热器6、压缩腔7、动力活塞 8 (动力活塞塞体8a、动力活塞隼部8b)、直线振荡电机9 (电机动子9b和电机定子9a)、平 面支撑弹簧10、电机背腔11、排出器12 (12a为排出器杆体）、排出器气缸13。
[0006] 图2是现有自由活塞斯特林发动机工作原理示意图，图2中的部件与图1中相对 应。请同时参照图1和图2,以发动机为例，现有自由活塞斯特林热机的工作原理如下：
[0007] 状态a-状态b过程，动力活塞8从下止点开始与排出器12同时上行，使气体在压 缩腔7内被压缩，并通过放热端换热器6向外界放热。
[0008] 状态b-状态C过程，动力活塞8继续上行，排出器12下行，气体热量从压缩腔7 流经回热器4进入膨胀腔1，途中将热量释放给回热器4,气体温度降低。
[0009] 状态C-状态d过程，气体在膨胀腔1内，通过内部吸热端换热器2和外部吸热端 换热器3从外界吸热膨胀，使排出器12下行，并推动动力活塞8下行。此过程中，回热器4 将热能转换为声能（机械能），并通过气体推动动力活塞8从而使直线振荡电机9的动子 9b切割磁力线向外界以电能形式输出。
[0010] 状态d-状态a过程，动力活塞8继续下行，排出器12上行，气体热量从膨胀腔1流 经回热器4进入压缩腔7,途中将热量释放给回热器4,回热器4温度升高，气体温度降低。
[0011] 完成上述一完整循环过程后，发动机将热能转化为机械能，并通过动力活塞8带 动直线振荡电机的动子9b切割磁力线、向外界以电能形式输出。动力活塞8与排出器12 做简谐振动，后者相位超前于前者。
[0012] 理想情况下，无法进行能量转换的热量（根据热力学第二定律，一般约为发电量 的2倍~3倍）和静态漏热（通过导热、对流和辐射方式从高温区留向室温区）都应被放 热端换热器6带走，从而保证排出器间隙密封侧工作在室温下。实际情况下，由于结构和换 热条件的限制，上述两部分热量无法被放热端换热器6有效带走，这就导致热量积聚在排 出器间隙密封侧，使排出器12与排出器气缸13之间的机械阻尼增大，严重时将产生"卡死" 现象而无法工作。
[0013]自由活塞斯特林热机的排出器12的工作原理可以用下式来表达：
[0014] mx" = P1A1-P2A2-Kx-Rx'
[0015] 其中，m为排出器质量，X为排出器的位移量，X'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，PJPP2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10的弹性系数，R为阻尼系 数。
[0016] 从该式中不难看出，P1A1-P2A2为排出器运动的驱动力，而一旦机械阻尼R超过一阀 值，该阻力将超过驱动力而使排出器无法工作。
[0017] 另一方面，从图1中也不难看出，回热器4毗邻排出器气缸13,回热器4的填充物 一般为堆积丝网、纤维毡或者随机丝绵，而排出器气缸13则一般采用薄壁不锈钢以减少漏 热。在安装过程中，堆积丝网或者随机丝绵等极容易对排出器气缸13形成挤压作用，导致 排出器气缸13变形，从而造成严重的漏气损失或显著增大排出器12的机械阻尼。
[0018] 最后需要指出的是，回热器4和吸热端内部换热器2外侧的缸体5-般采用较厚 的高温合金钢以保证系统在高温高压内部环境下的安全性。发动机功率越大，其缸体径向 尺寸和厚度就越大，从而对材料和制造工艺等的要求就越高，成为制约自由活塞斯特林发 动机大功率化和规模化应用的重要因素之一。
[0019] 以上以自由活塞斯特林发动机为例，对于自由活塞斯特林制冷机，图1所示的传 统结构亦存在上述类似发动机的问题，包括：排出器与排出器气缸卡死、排出器气缸变形、 缸体的材料和制造工艺要求严苛等。
【发明内容】
[0020] 本发明目的在于提供一种自由活塞斯特林热机，以简化放热端换热器、回热器和 吸热端换热器结构、提高系统的可靠性、降低系统的工艺难度和制造成本，并可以克服上述 自由活塞斯特林热机存在的排出器与排出器气缸卡死、排出器气缸变开$、缸体材质和制造 工艺要求严苛等缺陷。
[0021] 本发明的技术方案如下：
[0022] 本发明目的在于提供一种自由活塞斯特林热机，以简化放热端换热器、回热器和 吸热端换热器结构、提高系统的可靠性、降低系统的工艺难度和制造成本，并可以克服上述 自由活塞斯特林热机存在的排出器与排出器气缸卡死、排出器气缸变开$、缸体材质和制造 工艺要求严苛等缺陷。
[0023] 本发明的技术方案如下：
[0024] 本发明提供的自由活塞斯特林热机，其包括缸体，设在缸体内的排出器和动力活 塞，以及直线振荡电机；所述动力活塞由活塞塞体和活塞隼部组成，所述活塞塞体设在所述 缸体内，所述活塞隼部与所述直线振荡电机的电机动子连接，所述排出器与所述缸体第一 端之间形成膨胀腔，所述排出器与所述动力活塞之间形成压缩腔，其特征在于，所述缸体外 侧圆周空间布置有与所述缸体不接触的管束结构吸热端换热器、管束结构回热器和管束结 构放热端换热器。
[0025] 所述管束结构的吸热端换热器的一端与膨胀腔相连，另一端与回热器相连。
[0026] 所述管束结构的放热端换热器一端与压缩腔相连，另一端与回热器相连。
[0027] 所述管束结构的回热器的一端与吸热端换热器相连，另一端与放热端换热器相 连。
[0028] 所述的管束结构的回热器与管束结构的吸热端换热器及管束结构的放热端换热 器再在管束尺寸和数量上相同或不相同，且上述三者管束结构之间存在对应关系，即一根 管束结构的回热器与一根或多根管束结构的吸热端换热器及管束结构的放热端换热器相 连。
[0029] 所述直线振荡电机与所述缸体第二端之间设置有平面支撑弹簧，所述平面支撑弹 簧与所述缸体第二端之间形成电机背腔。
[0030] 所述排出器靠近动力活塞一端还设有排出器杆体，所述排出器杆体插入所述动力 活塞中设置的通孔中。
[0031] 所述排出器杆体与所述平面支撑弹簧固定连接。
[0032] 所述直线振荡电机和所述动力活塞沿所述排出器杆体对称设置。
[0033] 所述管束结构的吸热端换热器、管束结构的回热器或/和管束结构的放热端换热 器的外侧设有翅片；所述翅片材质为紫铜或黄铜。
[0034] 在本发明的中，作为发动机时，所述吸热端换热器材质可根据工作温区不同而采 用高温合金钢或普通不锈钢；作为制冷机时，所述吸热端换热器3材质可采用紫铜或不锈 钢。
[0035] 在本发明中，所述放热端换热器材质为普通不锈钢或者紫铜。
[0036] 在本发明中，回热器尺寸和数量可与吸热端换热器管束、放热端换热器管束相同 或存在差异，其材料为普通不锈钢。
[0037] 本发明提供的自由活塞斯特林热机的优点在于：通过将吸热端换热器、回热器和 放热端换热器布置成圆周方向均布