一种基于同位素热源的自由活塞斯特林发动机热头的制作方法

本发明属于一种发动机热头，具体涉及一种基于同位素热源的自由活塞斯特林发动机热头。

背景技术：

自由活塞斯特林发动机是一种闭式循环回热式发动机，具有热源广泛，效率高，振动噪声小的特点，广泛应用于太阳能发电、热电联供、特种电源等。自由活塞斯特林发动机一般采用气体轴承、间隙密封、柔性弹簧支撑和直线电机发电等技术方案，自由活塞斯特林发动机取消了动力活塞与配气活塞间的机械连接，通过构建二自由度谐振系统，直接将动力活塞与直线电机动子相连，通过往复直线运动切割磁感线产生电能。动力活塞性能涉及到热电转换效率、气体轴承气浮效果及自由活塞斯特林发动机耐久性等，减少动力活塞往复运动过程中的摩擦和启机过程中的磨损是提高自由活塞斯特林发动机耐久性的关键因素。

为了提高运载火箭性能，增强我国空间实力，新一代运载火箭在轨时间越来越长，有的甚至需要一年以上的在轨工作能力；研究长时间持续可靠工作的运载火箭自由活塞斯特林发动机电源系统势在必行。

技术实现要素：

本发明的目的在于一种基于同位素热源的自由活塞斯特林发动机热头，该热头在抵御发动机热头热变形的同时，能够提高热电换热效率，。

实现本发明目的的技术方案：一种基于同位素热源的自由活塞斯特林发动机热头，该发动机热头包括外顶罐，以及位于顶罐内的同位素包壳、内顶罐、 活塞、内吸热片、外吸热片、回热器、防辐射片和活塞套筒；外顶罐顶部内设有包裹有同位素热源的同位素包壳，外顶罐内套有内顶罐，外顶罐与内顶罐之间套有外吸热片；内顶罐内套有活塞套筒，内顶罐与活塞套筒之间嵌套有内吸热片和回热器，活塞套筒内嵌套有活塞，活塞内部设有防辐射片。

所述的外吸热片的数量为多片，多片外吸热片沿外顶罐的轴向从上至下布置。

所述的外吸热片为翅片式结构。

所述的相邻两片外吸热片的翅片之间错位排列，错位排列角度为0.6°。

所述的吸热片的传热角度为75°。

所述的活塞套筒为变截面套筒。

所述的防辐射片的数量为多片，多片防辐射片沿活塞的轴向从上至下布置。

所述的外顶罐顶部中心开有圆柱孔，同位素包壳嵌在该圆柱孔内。

所述的内吸热片位于回热器的上方。

本发明的有益技术效果：(1)本发明采用同位素热源与自由活塞斯特林发动机相结合的形式，传热效率可达20％；(2)本发明采用一体热源包壳结构，置入同位素热源与换热结构，将热源热量引入斯特林发动机热头；(3)本发明采用翅片式热头结构，通过角度设置与错位安装，增加换热面积，提高热头表面与热源之间的传热效率，使自由活塞斯特林发动机能够以较高的热效率引入同位素衰变产生的热能，为自由活塞斯特林提供长时工作的能量供应；(4)本发明采用变截面配气活塞套筒，使处于不同温度梯度下的热头能够保持相同的变形量，使自由活塞斯特林发动机在处于高温时的热变形能够满足发动机的运转，不会出现间隙过大及卡死现象，减小穿梭能量损失，提高发动机热电转换效率。

附图说明

图1为本发明所提供的一种的基于同位素热源的自由活塞斯特林发动机热头的结构示意图；

图2为本发明所提供的外吸热片的主视图；

图3为本发明所提供的外吸热片的剖视图；

图4为本发明所提供的配气活塞套筒的结构示意图。

图中：1.外顶罐，2.同位素包壳，3.内顶罐，4.活塞，5.内吸热片，6.外吸热片，7.回热器，8.防辐射片，9.活塞套筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明所提供的一种基于同位素热源的自由活塞斯特林发动机热头，该发动机热头包括外顶罐1、同位素包壳2、内顶罐3、活塞4、内吸热片5、外吸热片6、回热器7、防辐射片8和活塞套筒9，外顶罐1为U形空心圆柱体，且外顶罐1的开口向下，外顶罐1内设有同位素包壳2、内顶罐3、活塞4、内吸热片5、外吸热片6、回热器7、防辐射片8和活塞套筒9。

外顶罐1顶部中心开有圆柱孔，同位素包壳2嵌在该圆柱孔内，同位素包壳2与外顶罐1两者之间过盈配合；同位素包壳2内包裹有同位素热源。外顶罐1内套有内顶罐3，内顶罐3整体呈U形空心圆柱体，且内顶罐3的开口向下；内顶罐3为变截面的空心圆柱体，该圆柱体直径上段小、下段大，上、下两段圆柱体之间呈圆弧过度。外顶罐1与内顶罐3之间套有外吸热片6，外顶罐1与外吸热片6之间过盈配合，内顶罐3与外吸热片6之间焊接。内顶罐3内套有活塞套筒9，内顶罐3与活塞套筒9之间嵌套有内吸热片5和回热器7，内吸热片5位于回热器7的上方、且两者之间接触；活塞套筒9、内吸热片5、回热 器7均为圆筒状；内吸热片5、回热器7与内顶罐3之间过盈配合，内吸热片5、回热器7与活塞套筒9之间过盈配合，回热器7底部位于活塞套筒9底部凸环的上方。活塞套筒9内嵌套有活塞4，活塞套筒9与活塞4之间留有间隙；活塞4整体呈U型空心圆柱体，且活塞4的开口向下，活塞4底部位于活塞套筒9底部凸环的上方。活塞4内嵌有防辐射片8、且两者之间过盈配合，防辐射片8与防辐射片8为倒置的碗形，防辐射片8的数量为5片，5片防辐射片8沿活塞4的轴向从上至下布置，上方的防辐射片8倒扣在下方的防辐射片8上。外顶罐1的底部通过螺钉与发动机壳体固定连接，内顶罐3底部通过螺纹与发动机顶罐法兰连接，活塞4底部通过螺纹与发动机配气活塞固定连接。

如图1所示，外吸热片6的数量为8片，8片外吸热片6沿外顶罐1的轴向从上至下布置，相邻两片外吸热片6之间的距离为5mm。如图1、2、3所示，外吸热片6为翅片式结构，外吸热片6的翅片数量为74个，翅片沿外吸热片6的周向均匀分布；上下相邻两片外吸热片6的翅片之间错位排列，错位排列角度为0.6°。通过调整外吸热片6的传热角度，对准同位素包壳2内同位素热源的方向，外吸热片6的传热角度优选为75°。

活塞套筒9为变截面套筒，活塞套筒9底部凸环固定在发动机冷气缸上，活塞套筒9上部内壁向外偏移0.4mm，即内径增加0.4mm；偏移起始位置与换热片6对齐，偏移位置的轴向长度为40mm。

同位素包壳2内的同位素热源释放发热热量，发热热量通过外吸热片6进入内吸热片5，从而加热活塞4与内顶罐3之间的热腔循环气体，推动热活塞4相对活塞套筒9运动，为斯特林发动机活塞运动提供能量输出。回热器7防止内吸热片5的热量泄露，防辐射片8阻止同位素包壳2内的同位素热源向发动机热头外释放放射性同位素。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。