[发明专利]一种自由活塞斯特林热机调相器机构

说明书

本发明提供一种自由活塞斯特林热机调相器机构，包括壳体、压缩腔、气体弹簧活塞、调相器Rod杆、调相器和换热装置，壳体内部形成有第一空腔，第一空腔内设置有动力活塞，动力活塞的外周设置有直线电机。压缩腔的一端与壳体连接，压缩腔内部设置有气体弹簧装置，气体弹簧装置内部形成有第二空腔，气体弹簧装置设置有开口；通过气体弹簧腔和板弹簧的合理布置及配合，能够在满足更大刚度需求的同时简化间隙密封结构，提高密封面处随工况变化的温度稳定性，降低系统部件的加工和装配难度，从而有效地提高发电机性能和稳定性，并延长使用寿命，在大功率自由活塞斯特林热机的应用中极具发展潜力。

技术领域

本发明涉及热机领域，尤其涉及一种自由活塞斯特林热机调相器机构。

背景技术

自由活塞斯特林热机作为热声热机的一种特殊结构形式，具有结构紧凑、热效率高、比功率高等优点，在太阳能发电、热电联产以及空间与海洋等领域有着越来越广泛的应用。从热声学的角度来看，自由活塞斯特林热机采用调相器活塞调节系统声场分布并传递膨胀功，使得回热器内部的气体微团经历行波热声转换循环，以实现更高的热声转换效率，因此调相器成为影响系统性能的关键部件之一。调相器的等效声学特性为集总的质量、弹簧与阻尼系统，为了实现间隙密封，调相器需要支撑起来以保证与气缸之间微小间隙。常规10kW及以下发电系统中，调相器主要通过板弹簧支撑，板弹簧能够在提供轴向刚度的同时，为调相器提供较大的径向刚度以保证其在往复运动过程中不发生径向运动，因此自由活塞斯特林热机多采用10微米量级的间隙密封代替传统斯特林的接触式密封，避免了接触密封材料对运行寿命的限制，以及润滑剂对工质的污染。

自由活塞斯特林热机按照板弹簧的布置方式，可以分为Sunpower结构和Infinia结构。图1为Sunpower型自由活塞斯特林发电机结构示意图，其Rod杆穿过动力活塞，Rod杆与主活塞的配合间隙上有气浮支撑，Rod杆内部为一根细柔性杆，用于连接固定在背腔中的板弹簧，从而为调相器提供支撑。这种结构是目前最为成熟的调相器结构，其板弹簧径向尺寸大且应力小，但板弹簧允许的位移幅度和刚度有限，同时连接调相器和板弹簧的柔性杆细且长，较容易因长时间承受交变载荷或者由于装配等问题导致的径向力而失效；Dome筒与活塞远离Rod气浮支撑，支撑重心不平衡，大功率下活塞更易偏置。

图2为Infinia型自由活塞斯特林发电机结构示意图，其动力活塞和调相器活塞完全独立，这种结构极大减小了调相器Rod杆的长径比，从而消除了柔性连杆易变形失稳，以及支撑重心不居中的缺点，但是由于板弹簧安装在调相器内部，尺寸受调相器尺寸的限制。若要提高板弹簧允许的位移幅度和刚度，则板弹簧直径需要增大，即调相器直径也需要相应增大，导致发动机侧尺寸过大，且装配要求高。

以上两种结构形式的自由活塞斯特林发电机均采用板弹簧来为调相器提供弹簧刚度，同时提供支撑和回中，但由于Rod杆细长或板弹簧尺寸受调相器尺寸制约而导致功率很难做大，仅适用于小功率场景。

发明内容

本发明提供一种自由活塞斯特林热机调相器机构，用以解决现有的自由活塞斯特林发电机受调相器Rod杆和板弹簧的限制，导致自由活塞斯特林发电机存在功率小，稳定性差和装配难度大的问题。

本发明提供一种自由活塞斯特林热机调相器机构，包括：

壳体，所述壳体内部形成有第一空腔，所述第一空腔内设置有动力活塞，所述动力活塞的外周设置有直线电机；

压缩腔，所述压缩腔的一端与所述壳体连接，所述压缩腔内部设置有气体弹簧装置，所述气体弹簧装置内部形成有第二空腔，所述气体弹簧装置设置有与所述第二空腔连通的开口；

气体弹簧活塞，所述气体弹簧活塞设置于所述第二空腔，并将所述第二空腔分割成第一气体弹簧腔和第二气体弹簧腔，所述第一气体弹簧腔位于所述气体弹簧活塞朝向所述开口的一侧，所述第二气体弹簧腔位于所述气体弹簧活塞背离所述开口的一侧，所述气体弹簧活塞与所述第二空腔的内壁密封配合；