自由活塞斯特林发电机

1.本公开涉及发电机技术领域，尤其涉及一种自由活塞斯特林发电机。


背景技术：

2.由于化石燃料的大量消耗，全球范围内的能源危机和环境污染日益严重。随着可再生能源的兴起，不仅能源本身而且能源的利用方式也变得越来越重要。斯特林发电机作为一种新型热机，几乎可以利用现有的所有热源种类，有着高热功转换效率，具有高效率、长寿命、污染和噪声小等优点，在水下动力，太阳能动力、空间站动力和小型分布式能源中得到一些成功应用。
3.自由活塞斯特林发电机是斯特林发电机的其中一种类型，现有的自由活塞斯特林发电机中，通过在配气活塞上设置配气活塞杆，配气活塞杆穿过动力活塞，并在缓冲腔一侧与弹性件固定从而达到支撑的效果。
4.由于配气活塞的配气活塞杆需穿过动力活塞，导致在发电机装配时，对配气活塞和动力活塞的同轴装配要求较高，如果装配不完全同轴或受外力作用下，发电机运行时，配气活塞杆和动力活塞存在摩擦损失和径向上的相互作用力，产生活塞磨损和发电机运行不稳定以及效率偏低的问题。另外，这一结构导致动力活塞不仅要与气缸间形成密封间隙，而且也要与配气活塞杆间形成密封间隙，密封间隙的增加导致发电机周期性运行时向缓冲腔的泄漏量增大，输出效率下降。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种自由活塞斯特林发电机。
6.本公开提供了一种自由活塞斯特林发电机，包括壳体以及设置在所述壳体内的配气活塞、动力活塞和支撑杆；
7.所述壳体内具有沿所述壳体的轴向依次设置的膨胀腔、压缩腔和缓冲腔，所述配气活塞位于所述动力活塞的一侧，且所述配气活塞的朝向所述动力活塞的一端与所述动力活塞之间形成所述压缩腔；
8.所述支撑杆和所述配气活塞位于所述动力活塞的同一侧，所述配气活塞上具有沿所述配气活塞的轴向贯穿开设的通道，所述支撑杆穿设在通道中，且与所述通道的内壁之间形成密封间隙，所述支撑杆与所述壳体连接，且所述支撑杆和所述通道的内壁之间连接有弹性件，以对所述配气活塞进行支撑；
9.所述动力活塞可在所述压缩腔和所述缓冲腔之间轴向移动；所述配气活塞的朝向所述动力活塞的一端的端面面积小于所述配气活塞的远离所述动力活塞的一端的端面面积，以使所述配气活塞在所述动力活塞轴向移动产生的压力波作用下在所述膨胀腔和所述压缩腔之间轴向移动。
10.可选的，所述通道的内壁上设置有容置腔，所述弹性件位于所述容置腔中。
11.可选的，所述容置腔为沿所述通道的内壁周向设置的环形容置腔；
12.所述弹性件为板弹簧，所述板弹簧的中部具有通孔，所述支撑杆穿设在所述通孔中，且与所述通孔的孔壁相对固定。
13.可选的，在沿所述膨胀腔至所述压缩腔的方向上，所述通道包括依次连接的第一通道段和第二通道段；所述第二通道段的内径大于所述第一通道段的内径，以使所述配气活塞的朝向所述动力活塞的一端的端面面积小于所述配气活塞的远离所述动力活塞的一端的端面面积；
14.所述支撑杆包括相连接的第一杆段和第二杆段，所述第一杆段与所述壳体连接，所述第二杆段的外径大于所述第一杆段的外径，所述第一杆段穿设在所述第一通道段中且与所述第一通道段之间形成密封间隙，所述第二杆段穿设在所述第二通道段中且与所述第二通道段之间形成密封间隙。
15.可选的，所述弹性件设置在所述第二杆段与所述第二通道段的内壁之间。
16.可选的，所述第一杆段的远离所述第二杆段的一端与所述壳体的前端壁连接，所述第一杆段为与所述配气活塞同轴的直杆，所述第一杆段的轴向长度占所述支撑杆的总长度的0.5～0.8倍。
17.可选的，所述第一杆段和所述第二杆段均为圆柱形杆段；
18.所述第一通道段和所述第二通道段均为圆柱形通道段。
19.可选的，所述壳体的内壁对应所述膨胀腔的位置设置有加热器；
20.所述配气活塞为中空结构，所述配气活塞内设置有防辐射板，所述防辐射板位于所述弹性件的靠近所述膨胀腔的一侧。
21.可选的，所述防辐射板为多个，多个所述防辐射板沿所述配气活塞的轴向间隔排布。
22.可选的，所述防辐射板为锥形板，所述锥形板的大端朝向所述弹性件设置。
23.本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
24.本公开提供的自由活塞斯特林发电机，通过将配气活塞设置在动力活塞的一侧，配气活塞的朝向动力活塞的一端与动力活塞之间形成压缩腔，且使支撑杆和配气活塞位于动力活塞的同一侧，在配气活塞上开设通道，通道沿配气活塞轴向开设且贯穿配气活塞，使与壳体连接的支撑杆穿设在通道中，且与通道内壁之间形成密封间隙，在支撑杆与通道内壁之间连接弹性件，通过支撑杆和弹性件实现对配气活塞的支撑，也就是说，通过上述设置，使得配气活塞和动力活塞在位置上相互独立，两者的运动特性仅通过压力波耦合在一起，运动过程不会发生互相干涉，与现有技术相比，从根本上避免了由于配气活塞和动力活塞接触受力而导致活塞磨损和运行不稳定的问题，提高了发电机的运行可靠性。而且，这样设置即使动力活塞和配气活塞安装不同轴，由于两个活塞之间没有接触面积，不会产生因不同轴导致的接触受力，从而降低了动力活塞和配气活塞的同轴装配要求。此外，这样设置使得动力活塞仅与气缸形成密封间隙，与现有技术相比，减少了动力活塞与配气活塞之间的密封间隙，即，减少了一处密封间隙，从而减小了发电机运行时向缓冲腔周期性的泄漏量，从而提高了发电机的输出效率。
附图说明
25.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
26.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本公开实施例所述的自由活塞斯特林发电机的结构示意图。
28.其中，1、壳体；101、前端壳体；102、后端壳体；11、膨胀腔；12、压缩腔；13、缓冲腔；2、配气活塞；21、通道；211、第一通道段；212、第二通道段；213、容置腔；3、动力活塞；4、支撑杆；41、第一杆段；42、第二杆段；5、弹性件；6、防辐射板；71、加热器；72、回热器；73、冷却器；8、直线电机。
具体实施方式
29.为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
30.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
31.参照图1所示，本实施例提供一种自由活塞斯特林发电机，包括：壳体1、配气活塞2、动力活塞3、支撑杆4和直线电机8。
32.配气活塞2、动力活塞3和支撑杆4均设置在壳体1内。壳体1具体可包括前端壳体101和后端壳体102，壳体1内充有高压氦气。
33.壳体1内具有沿壳体1的轴向依次设置的膨胀腔11、压缩腔12和缓冲腔13。具体实现时，壳体1内壁上还依次设置有加热器71、回热器72和冷却器73，其中，加热器71对应膨胀腔11。加热器71、回热器72和冷却器73均沿壳体1轴线环形对称布置。
34.其中，配气活塞2位于动力活塞3的一侧，且配气活塞2的朝向动力活塞3的一端与动力活塞3之间形成上述压缩腔12。具体地，配气活塞2的远离动力活塞3的一端与所述壳体1之间形成上述膨胀腔11。直线电机8对应设置在后端壳体102内，且与缓冲腔13对应。动力活塞3可在压缩腔12和缓冲腔13之间轴向移动，以驱动直线电机8发电。
35.支撑杆4和配气活塞2位于动力活塞3的同一侧，配气活塞2上具有通道21，通道21沿配气活塞2的轴向开设，且贯穿配气活塞2。支撑杆4穿设在通道21中，且与通道21的内壁之间形成密封间隙，支撑杆4与壳体1连接，且支撑杆4和通道21的内壁之间连接有弹性件5，以对配气活塞2进行支撑。
36.参照图1所示，具体可使支撑杆4与前端壳体101的前端壁面连接。当然，在其他实现方式中，也可以使支撑杆4与壳体1的顶壁面连接，只要能够实现对配气活塞2的支撑，且不会影响配气活塞2轴向移动即可。
37.其中，配气活塞2的朝向动力活塞3的一端的端面面积小于配气活塞2的远离动力活塞3的一端的端面面积，以使配气活塞2在动力活塞3轴向移动产生的压力波作用下在膨
胀腔11和压缩腔12之间轴向移动。
38.可以理解的是，发电机运行时，膨胀腔11和压缩腔12的压力近似相等，由于配气活塞2的朝向动力活塞3的一端的端面面积小于配气活塞2的远离动力活塞3的一端的端面面积，即配气活塞2在膨胀腔11和压缩腔12侧的端面面积不等，配气活塞2在压力波的作用下，在膨胀腔11和压缩腔12侧受到的气体力不会互相抵消，使得配气活塞2在压力波作用下，受到气体力的作用，在膨胀腔11和压缩腔12之间轴向移动。
39.也就是说，动力活塞3和配气活塞2在位置上相互独立，二者的运动特性仅通过压力波耦合在一起，运动过程互不干涉，与现有技术相比，从根本上避免了由于配气活塞2和动力活塞3接触受力导致活塞磨损和运行不稳定的问题，提高了发电机的运行可靠性。这样即使动力活塞3和配气活塞2安装不同轴，两活塞件由于没有接触面积，不会产生因不同轴导致的接触受力，从而降低了动力活塞3和配气活塞2的同轴装配要求。
40.另外，发电机运行时，动力活塞往复运动产生工作腔(膨胀腔和压缩腔)的压力波，缓冲腔压力近似恒定，在一个周期内压缩腔和缓冲腔存在变化的压差，在压差的驱动下，压缩腔和缓冲腔之间的密封间隙产生质量流量，这一质量流量不仅与工作腔和缓冲腔之间的压差有关，而且与密封间隙有关。密封间隙越多，质量流量越大，发电机周期性的泄漏量越大，输出效率越低。由于本实施例提供的自由活塞斯特林发电机中，动力活塞3仅与气缸形成密封间隙，与相关技术相比，减少了动力活塞3与配气活塞2之间的密封间隙，即减少了一处密封间隙，从而减少发电机运行时向缓冲腔13周期性的泄漏量，提高发电机的输出效率。
41.本实施例提供的自由活塞斯特林发电机，通过将配气活塞2设置在动力活塞3的一侧，配气活塞2的朝向动力活塞3的一端与动力活塞3之间形成压缩腔12，且使支撑杆4和配气活塞2位于动力活塞3的同一侧，在配气活塞2上开设通道21，通道21沿配气活塞2轴向开设且贯穿配气活塞2，使与壳体1连接的支撑杆4穿设在通道21中，且与通道21内壁之间形成密封间隙，在支撑杆4与通道21内壁之间连接弹性件5，实现对配气活塞2的支撑，也就是说，通过上述设置，使得配气活塞2和动力活塞3在位置上相互独立，两者的运动特性仅通过压力波耦合在一起，运动过程不会发生互相干涉，与现有技术相比，从根本上避免了由于配气活塞2和动力活塞3接触受力而导致活塞磨损和运行不稳定的问题，提高了发电机的运行可靠性。而且，这样设置即使动力活塞3和配气活塞2安装不同轴，由于两个活塞之间没有接触面积，不会产生因不同轴导致的接触受力，从而降低了动力活塞3和配气活塞2的同轴装配要求。此外，这样设置使得动力活塞3仅与气缸形成密封间隙，与现有技术相比，减少了动力活塞3与配气活塞2之间的密封间隙，即，减少了一处密封间隙，从而减小了发电机运行时向缓冲腔13周期性的泄漏量，从而提高了发电机的输出效率，其是一种具有高可靠性、高效率的自由活塞斯特林发电机。
42.继续参照图1所示，具体实现时，通道21的内壁上设置有容置腔213，弹性件5位于容置腔213中。通过设置容置腔213，在实现方便安装弹性件5的同时，能够进一步保证支撑杆4与配气活塞2之间的密封性，且保证了配气活塞2的正常移动。
43.在一些实施例中，容置腔213具体为沿通道21的内壁周向设置的环形容置腔213。其中，弹性件5为板弹簧，板弹簧的中部具有通孔，支撑杆4穿设在通孔中，且与通孔的孔壁相对固定。
44.板弹簧能够对配气活塞2的整个周向上进行径向支撑，且板弹簧的轴向具有弹力，
从而在径向和轴向上均能够起到支撑作用，进一步提高了配气活塞2运行的稳定性，进而提高了发电机运行的可靠性。由于配气活塞2通过支撑杆4和板弹簧支撑，板弹簧的寿命目前已达到很高，因此，通过板弹簧对配气活塞2进行支撑，可进一步保证发电机的可靠性和长寿命。
45.板弹簧具体可包括基板，基板比如可以为圆形基板。基板的轴心处设置有上述通孔。基板上设置有周向分布的多条螺旋臂。具体可以在基板的外缘上设置连接部，使板弹簧通过连接部固定在容置腔213中。板弹簧比如可以为涡旋臂板弹簧。当然，在其他实现方式中，板弹簧也可以是正旋臂板弹簧或者其他形式的板弹簧，只要能够对配气活塞2在径向上提供稳定的支撑力，且满足一定的轴向支撑力即可。
46.需要说明的是，在其他实现方式中，弹性件5也可以为柱弹簧，柱弹簧的一端连接在通道21的内壁上，比如容置腔213的内壁上，柱弹簧的另一端连接在支撑杆4的外侧壁上。在该种情况下，可以将柱弹簧设置为多个，多个柱弹簧沿支撑杆4的周向间隔排布。
47.参照图1所示，在一些实施例中，在沿膨胀腔11至压缩腔12的方向上，通道21包括依次连接的第一通道段211和第二通道段212。可以理解的是，第一通道段211的靠近膨胀腔11的一端与壳体1之间形成膨胀腔11，压缩腔12位于第二通道段212的远离第一通道段211的一端与动力活塞3之间。
48.其中，第二通道段212的内径大于第一通道段211的内径，以使配气活塞2的朝向动力活塞3的一端的端面面积小于配气活塞2的远离动力活塞3的一端的端面面积。
49.相应地，支撑杆4包括相连接的第一杆段41和第二杆段42，第一杆段41的远离第二杆段42的一端与壳体1连接，第二杆段42的外径大于第一杆段41的外径，第一杆段41穿设在第一通道段211中且与第一通道段211之间形成密封间隙，第二杆段42穿设在第二通道段212中且与第二通道段212之间形成密封间隙。
50.当然，在其他实现方式中，也可以直接将配气活塞2的后端(朝向压缩腔12的一端)比前端(朝向膨胀腔11的一端)设置的小一些，以使后端端面的面积小于前端端面的面积，比如在沿膨胀腔11至压缩腔12的方向上，配气活塞2的后端外径逐渐减小。
51.其中，弹性件5具体设置在第二杆段42与第二通道段212的内壁之间，即，使得弹性件5与支撑杆4和壳体1之间的连接点不会靠的太近，从而进一步提高了支撑杆4和弹性件5对配气活塞2的支撑效果，提高了配气活塞2的稳定性。相应地，容置腔213设置在第二通道段212的内壁上。
52.具体实现时，第一杆段41的远离第二杆段42的一端与壳体1的前端壁连接，第一杆段41为与配气活塞2同轴的直杆。其中，可使第一杆段41的轴向长度占支撑杆4的总长度的0.5～0.8倍。由于膨胀腔11对应的壳体1内壁上设置有加热器71，为了避免加热器71发出的热量对弹性件5造成影响，通过将第一杆段41的长度设置在上述范围内，能够进一步保证弹性件5与加热器71之间的距离，在一定程度上防止弹性件5受热发生形变或损坏而影响支撑效果的情况出现。
53.其中，可使第一杆段41和第二杆段42均为圆柱形杆段，第一通道段211和第二通道段212均为圆柱形通道段。
54.在一些实施例中，可将配气活塞2设置为中空结构，配气活塞2内设置有防辐射板6，防辐射板6位于弹性件5的靠近膨胀腔11的一侧。通过防辐射板6进行隔热，在一定程度上
防止加热器71发出的热量传递至弹性件5，导致弹性件5受热变形或损坏而影响支撑性能的情况出现。
55.具体实现时，可将防辐射板6设置为多个，多个防辐射板6沿配气活塞2的轴向间隔排布。通过多个防辐射板6进行多级隔热，进一步提高了隔热效果，对弹性件5进行了更好的保护。
56.另外，参照图1所示，可以将防辐射板6设置为锥形板，锥形板的大端朝向弹性件5设置。通过将防辐射板6设置为锥形板，在无需改变配气活塞2内腔空间的基础上，增大了隔热面积，进一步提高隔热效果。
57.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
58.以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种自由活塞斯特林发电机，其特征在于，包括壳体(1)以及设置在所述壳体(1)内的配气活塞(2)、动力活塞(3)和支撑杆(4)；所述壳体(1)内具有沿所述壳体(1)的轴向依次设置的膨胀腔(11)、压缩腔(12)和缓冲腔(13)，所述配气活塞(2)位于所述动力活塞(3)的一侧，且所述配气活塞(2)的朝向所述动力活塞(3)的一端与所述动力活塞(3)之间形成所述压缩腔(12)；所述支撑杆(4)和所述配气活塞(2)位于所述动力活塞(3)的同一侧，所述配气活塞(2)上具有沿所述配气活塞(2)的轴向贯穿开设的通道(21)，所述支撑杆(4)穿设在通道(21)中，且与所述通道(21)的内壁之间形成密封间隙，所述支撑杆(4)与所述壳体(1)连接，且所述支撑杆(4)和所述通道(21)的内壁之间连接有弹性件(5)，以对所述配气活塞(2)进行支撑；所述动力活塞(3)可在所述压缩腔(12)和所述缓冲腔(13)之间轴向移动；所述配气活塞(2)的朝向所述动力活塞(3)的一端的端面面积小于所述配气活塞(2)的远离所述动力活塞(3)的一端的端面面积，以使所述配气活塞(2)在所述动力活塞(3)轴向移动产生的压力波作用下在所述膨胀腔(11)和所述压缩腔(12)之间轴向移动。2.根据权利要求1所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述通道(21)的内壁上设置有容置腔(213)，所述弹性件(5)位于所述容置腔(213)中。3.根据权利要求2所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述容置腔(213)为沿所述通道(21)的内壁周向设置的环形容置腔；所述弹性件(5)为板弹簧，所述板弹簧的中部具有通孔，所述支撑杆(4)穿设在所述通孔中，且与所述通孔的孔壁相对固定。4.根据权利要求1所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，在沿所述膨胀腔(11)至所述压缩腔(12)的方向上，所述通道(21)包括依次连接的第一通道段(211)和第二通道段(212)；所述第二通道段(212)的内径大于所述第一通道段(211)的内径，以使所述配气活塞(2)的朝向所述动力活塞(3)的一端的端面面积小于所述配气活塞(2)的远离所述动力活塞(3)的一端的端面面积；所述支撑杆(4)包括相连接的第一杆段(41)和第二杆段(42)，所述第一杆段(41)与所述壳体(1)连接，所述第二杆段(42)的外径大于所述第一杆段(41)的外径，所述第一杆段(41)穿设在所述第一通道段(211)中且与所述第一通道段(211)之间形成密封间隙，所述第二杆段(42)穿设在所述第二通道段(212)中且与所述第二通道段(212)之间形成密封间隙。5.根据权利要求4所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述弹性件(5)设置在所述第二杆段(42)与所述第二通道段(212)的内壁之间。6.根据权利要求5所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述第一杆段(41)的远离所述第二杆段(42)的一端与所述壳体(1)的前端壁连接，所述第一杆段(41)为与所述配气活塞(2)同轴的直杆，所述第一杆段(41)的轴向长度占所述支撑杆(4)的总长度的0.5～0.8倍。7.根据权利要求4所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述第一杆段(41)和所述第二杆段(42)均为圆柱形杆段；所述第一通道段(211)和所述第二通道段(212)均为圆柱形通道段。8.根据权利要求1至7任一项所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述壳体(1)
的内壁对应所述膨胀腔(11)的位置设置有加热器(71)；所述配气活塞(2)为中空结构，所述配气活塞(2)内设置有防辐射板(6)，所述防辐射板(6)位于所述弹性件(5)的靠近所述膨胀腔(11)的一侧。9.根据权利要求8所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述防辐射板(6)为多个，多个所述防辐射板(6)沿所述配气活塞(2)的轴向间隔排布。10.根据权利要求8所述的自由活塞斯特林发电机，其特征在于，所述防辐射板(6)为锥形板，所述锥形板的大端朝向所述弹性件(5)设置。

技术总结
本公开涉及一种自由活塞斯特林发电机，包括壳体、配气活塞、动力活塞和支撑杆；壳体内具有膨胀腔、压缩腔和缓冲腔，配气活塞位于动力活塞的一侧，配气活塞的朝向动力活塞的一端与动力活塞之间形成压缩腔；支撑杆和配气活塞位于动力活塞的同一侧，配气活塞上具有通道，支撑杆穿设在通道中且与通道的内壁之间形成密封间隙，支撑杆和通道的内壁之间连接有弹性件，以对配气活塞进行支撑；配气活塞的朝向动力活塞的一端的端面面积小于配气活塞的远离动力活塞的一端的端面面积，以使配气活塞在动力活塞轴向移动产生的压力波作用下在膨胀腔和压缩腔之间轴向移动，从而解决了活塞磨损、发电机运行不稳定、效率偏低的问题。效率偏低的问题。效率偏低的问题。


技术研发人员：杨明卓 牟健 焦珂欣 林明嫱 池春云 李瑞杰 洪国同
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：2021.12.21
技术公布日：2023/6/27