一種自由活塞式斯特林機(jī)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱能動(dòng)力技術(shù)，具體涉及一種基于斯特林循環(huán)進(jìn)行發(fā)電、制冷等用途的自由活塞式斯特林機(jī)器。
【背景技術(shù)】
[0002]斯特林裝置基于斯特林循環(huán)，按用途分為兩大類(lèi):采用正向斯特林循環(huán)的被稱(chēng)作斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，裝置內(nèi)工作氣體在高溫下吸熱膨脹、常溫下放熱壓縮，獲取的膨脹功大于壓縮功，從而將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其理論效率等于卡諾循環(huán)效率；采用逆向斯特林循環(huán)的被稱(chēng)作斯特林制冷機(jī)，裝置需要消耗機(jī)械能實(shí)現(xiàn)工作氣體在常溫下放熱壓縮，低溫下吸熱膨脹產(chǎn)生制冷效果，其理論效率也等于卡諾循環(huán)效率。逆向運(yùn)行的斯特林裝置依據(jù)工作溫度也可以設(shè)計(jì)成熱泵，通過(guò)外界補(bǔ)償機(jī)械能實(shí)現(xiàn)熱能品位提升。斯特林機(jī)器與外部熱源之間實(shí)現(xiàn)了間壁式換熱，為閉式循環(huán)熱機(jī)，工作氣體通常為氦氣、氫氣等環(huán)保氣體，因此具有適用性廣、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)；在水下動(dòng)力、太陽(yáng)能光熱發(fā)電、移動(dòng)式分布式發(fā)電，電子器件、超導(dǎo)器件等的冷卻，生物冷藏等領(lǐng)域均有應(yīng)用。
[0003]斯特林機(jī)器至少包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件來(lái)實(shí)現(xiàn)膨脹腔與壓縮腔容積的變化，紙鄰壓縮腔的運(yùn)動(dòng)部件稱(chēng)為動(dòng)力活塞或壓縮活塞，毗鄰膨脹腔的運(yùn)動(dòng)部件稱(chēng)為配氣活塞或排出器；兩個(gè)活塞的運(yùn)動(dòng)會(huì)驅(qū)動(dòng)工作氣體通過(guò)相互毗鄰的換熱器、回?zé)崞髁鞯涝趦蓚€(gè)腔間往復(fù)穿梭。工作氣體的壓力在流動(dòng)換熱過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷與活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間上不同步的變化，由此產(chǎn)生熱功轉(zhuǎn)換；兩活塞運(yùn)動(dòng)相位關(guān)系不同，熱功轉(zhuǎn)換的效果也不同。
[0004]作為在本領(lǐng)域公知的技術(shù)，現(xiàn)存三種主要的斯特林機(jī)器的配置。a (Alpha)型的配置具有至少兩個(gè)在不同的汽缸內(nèi)的活塞，動(dòng)力活塞與配氣活塞均要承受工作腔壓力到背壓的壓力差；β (Beta)型的配置具有單一動(dòng)力活塞，所述動(dòng)力活塞被布置在有配氣置換器活塞的同一個(gè)汽缸內(nèi)，其中的動(dòng)力活塞仍需承受工作腔壓力到背壓的壓力差，而配氣活塞需承受的壓力差要小得多，只是膨脹腔與壓縮腔之間的壓力差。γ型的配置和β型的相似，只是γ型動(dòng)力活塞裝在與配氣活塞汽缸毗鄰的另一個(gè)汽缸內(nèi)。早期的斯特林機(jī)器一直是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)原理驅(qū)動(dòng)的機(jī)器，即所述動(dòng)力活塞與配氣活塞是通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)互相連接，典型的是通過(guò)接桿和曲軸實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)幅度及相位關(guān)系。自William Beale發(fā)明了自由活塞式斯特林機(jī)器后，自由活塞式斯特林機(jī)器多采用β型和γ型配置。
[0005]在自由活塞式斯特林機(jī)器中，活塞間沒(méi)有采用剛性機(jī)構(gòu)連接，運(yùn)動(dòng)部件遵循動(dòng)力學(xué)規(guī)律，在氣體力、質(zhì)量慣性力及回復(fù)力約束下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；隨工況不同，各活塞的振幅及其相位差均可變化，“自由活塞”也由此得名?；钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)所需的回復(fù)力可以由相應(yīng)容積的“氣體彈簧”提供，也可由相應(yīng)剛度的彈簧提供(典型的為平面彈簧，也稱(chēng)板簧)。早期的自由活塞斯特林采用氣體彈簧作為活塞的回復(fù)力，但因工作腔壓力幅度不對(duì)稱(chēng)，使得單純通過(guò)氣體彈簧作用的活塞因沒(méi)有任何機(jī)械約束而產(chǎn)生“漂移”，需要相應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)及方法才能避免兩活塞相撞或撞缸，增加了機(jī)器的復(fù)雜性。而后STC公司采用板簧代替氣體彈簧的自由活塞式斯特林γ型配置逐步成熟，開(kāi)發(fā)出3KW等規(guī)格的機(jī)器。Microgen公司以Sunpower公司技術(shù)開(kāi)發(fā)的β型IKW微型家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)，不僅綜合采用了板簧和氣體彈簧，還在動(dòng)力活塞上采用了由單向閥泵氣的氣體軸承，實(shí)現(xiàn)了無(wú)板簧支撐的“懸浮式”動(dòng)力活塞?，F(xiàn)代自由活塞式斯特林機(jī)采用間隙密封、柔性支撐，集成直線(xiàn)電機(jī)(典型包括動(dòng)圈、動(dòng)磁、動(dòng)鐵三大類(lèi)型式)的設(shè)計(jì)減小了機(jī)械摩擦，實(shí)現(xiàn)了無(wú)油潤(rùn)滑、高效、長(zhǎng)壽命、高可靠性，另一方面，通過(guò)對(duì)置或附加吸振器使振動(dòng)、噪聲水平也大幅降低；在諸多指標(biāo)上優(yōu)于機(jī)械式斯特林機(jī)器。
[0006]圖1為公知的采用動(dòng)磁直線(xiàn)電機(jī)的β型自由活塞式斯特林機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，現(xiàn)有的β型自由活塞式斯特林機(jī)配置包括:動(dòng)力活塞16、排出器12、氣缸體5、排出器板簧19、動(dòng)力活塞板簧18，永磁動(dòng)子10通過(guò)剛性支架11固定于動(dòng)力活塞桿17，緊固件20將板簧18緊固在動(dòng)力活塞桿17的尾部。排出器活塞桿13同軸穿進(jìn)動(dòng)力活塞16，排出器活塞細(xì)桿14同軸穿過(guò)動(dòng)力活塞16與動(dòng)力活塞桿17，其兩端各有緊固件24、15分別將板簧19、排出器12緊固。動(dòng)力活塞16與排出器12的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起壓縮腔22、膨脹腔21的容積變化，驅(qū)動(dòng)工作介質(zhì)通過(guò)毗鄰布置的第二換熱器4、回?zé)崞?、第一換熱器2中的流道在兩個(gè)腔間來(lái)回穿梭。作為發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，第一換熱器2溫度高、第二換熱器4溫度低，膨脹功大于壓縮功實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換，氣體力驅(qū)動(dòng)動(dòng)力活塞16帶動(dòng)永磁動(dòng)子10在環(huán)形氣隙中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該氣隙由同軸布置的內(nèi)磁軛9與外磁軛7圍成，電磁效應(yīng)將在線(xiàn)圈8中感生出電壓驅(qū)動(dòng)外界負(fù)載。作為制冷機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，第一換熱器2溫度低、第二換熱器4溫度高，外部電源對(duì)線(xiàn)圈8供電，電磁效應(yīng)將產(chǎn)生電磁力驅(qū)動(dòng)動(dòng)力活塞16做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，排出器12在動(dòng)力學(xué)規(guī)律支配下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并在第一換熱器2、膨脹腔21產(chǎn)生冷卻效果。上述所有部件被密封于壓力殼I內(nèi)，直線(xiàn)電機(jī)安裝于背壓腔23內(nèi)。
[0007]現(xiàn)有的γ型自由活塞斯特林機(jī)如圖2所示，其與β型的主要區(qū)別在于兩點(diǎn):(1)γ型動(dòng)力活塞16與排出器12分別位于兩個(gè)直徑不相等的氣缸內(nèi)，排出器12的直徑大于動(dòng)力活塞16的直徑，壓縮腔22內(nèi)布置有帶有通氣孔的剛性支架33 ; (2) γ型排出器板簧19不像β型那樣臨近背壓腔最端部，而是通過(guò)帶有通氣孔的剛性支架33封裝在排出器12內(nèi)部。γ型的配置將排出器12和活塞16布置在不同的汽缸內(nèi)，使它們對(duì)加工及裝配精度的要求不會(huì)如β型的配置那般嚴(yán)格，但是γ型的配置的死容積及振動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)比β型的配置大。針對(duì)振動(dòng)抑制，可采用的方案是將一個(gè)大直徑動(dòng)力活塞替代為兩個(gè)對(duì)置的、小直徑動(dòng)力活塞。
[0008]自由活塞式斯特林機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在功率密度以及單機(jī)容量?jī)煞矫嬉黠@劣于機(jī)械式斯特林?；跈C(jī)構(gòu)傳動(dòng)和接觸密封，機(jī)械式斯特林可以實(shí)現(xiàn)高充氣壓力(典型的可至1MPa)、大掃氣容積(典型的為數(shù)升)。
[0009]自由活塞式斯特林采用無(wú)油潤(rùn)滑動(dòng)密封，活塞與氣缸間一般存在0.02mm-0.04mm的間隙，難以達(dá)到機(jī)械式斯特林的密封水平。因此，改善兩項(xiàng)指標(biāo)的有效途徑在于設(shè)計(jì)盡可能緊湊的機(jī)器工作于更高的頻率、更大的振幅，以獲得盡可能多的膨脹功。自由活塞式斯特林的板簧典型的采用彈簧鋼制作，其材料力學(xué)特性決定了對(duì)給定尺寸及型線(xiàn)的板簧:隨著材料厚度減小，剛度下降趨勢(shì)快于應(yīng)力下降趨勢(shì)；而隨著厚度增加，應(yīng)力上升趨勢(shì)又快于剛度上升趨勢(shì)。
[0010]要實(shí)現(xiàn)更高頻率運(yùn)行，需要輕盈的排除器組件及大剛度的排除器板簧，而在緊湊尺寸下實(shí)現(xiàn)大振幅需要更薄的排除器板簧以避免其超過(guò)許用應(yīng)力而斷裂；采用更多片薄板簧可在許用應(yīng)力下實(shí)現(xiàn)大剛度，但因其等效質(zhì)量也同時(shí)加大而無(wú)法有效提高運(yùn)行頻率。
[0011]圖1中β型機(jī)器采用同軸布置的排出器活塞桿13和排出器活塞細(xì)桿14 一粗一細(xì)的組合就是一種排出器組件減重設(shè)計(jì)方案，即保證了受力面積又減輕了重量；而圖2中γ型機(jī)器將排除器12直徑較動(dòng)力活塞16大也旨在降低排出器板簧19的應(yīng)力水平。隨著自由活塞式斯特林技術(shù)的逐步成熟，采用公知結(jié)構(gòu)，力圖再進(jìn)一步提升功率密度面臨瓶頸:為避免板簧超過(guò)許用應(yīng)力而斷裂，典型的需采用貴金屬鈹制作輕質(zhì)排除器，代價(jià)高昂，單機(jī)容量也難以突破幾十千瓦。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明需集成“移相變壓器”這種在電力電子領(lǐng)域中的常見(jiàn)裝置，通常用于變頻器及直流電源的輸入側(cè)，在這些場(chǎng)合采用移相變壓器的目的是通過(guò)其移相能力增加整流器的脈數(shù)、減小輸入電流諧波，以減輕對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。在本發(fā)明中，集成“移相變壓器”是利用其最本質(zhì)的功能:延邊三角形連接可在第二繞組上得到與第一繞組電壓相位成任意角度的電壓。按照具體的移相角度，采用延邊三角形設(shè)計(jì)移相變壓器屬公知技術(shù)。
[0013]本發(fā)明的目的在于提供一種自由活塞式斯特林機(jī)器，在