一种斯特林热机的制作方法

本发明涉及热声设备技术领域，尤其涉及一种斯特林热机。

背景技术：

热声系统是一种实现热能与声波之间能量转换的技术。为了获得理想的转换效率，热声系统中的关键部件必须获得特定的声场相位关系，因此调相器是热声系统中必不可少的部件。调相器两端分别连接不同热声系统部件，在调相器两端实现不同的声学阻抗。一般的声学调相器主要是采用声容、声感、谐振管等进行调相，而机械调相器主要是采用弹簧活塞组成的谐振系统进行调相。机械调相器相比于声学调相器结构更紧凑，流动损失更小。

传统的自由活塞斯特林热机按结构主要分为整体式和分置式两种。其中整体式的活塞斯特林热机主要分为两种结构形式。一种结构形式为：调相器杆穿过压缩机活塞，调相器支撑板簧位于压缩机背腔中。这种结构的优点在于板簧径向尺寸大，应力小，缺点在于柔性调相器杆细长，较容易因长时间承受交变载荷或者由于装配问题等导致的径向力而失效，因此调相器通常采用径向气体轴承辅助支撑。另一种结构形式为：压缩机活塞与调相器完全独立。这种结构极大减小了调相器杆的长径比从而消除了调相器杆易变形失稳的缺点，但是板簧尺寸受调相器尺寸的制约，增加了设计、材料和加工工艺的难度。

在斯特林热机系统中，调相器主要是为了调节回热器内的声场相位。因此为了满足调相需求，调相器的质量和支撑调相器的弹簧的轴向刚度必须满足一定的匹配关系。对于大功率斯特林热机来说，随着功率的提高，调相器的质量以及其位移都将逐渐增大，然而传统的斯特林热机的调相器板簧无法同时满足大变形、大刚度的要求，使得大功率斯特林热机的发展受到了很大制约。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种斯特林热机，解决传统大功率斯特林热机的调相器板簧无法同时满足大变形、大刚度要求的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种斯特林热机，至少包括热机壳体以及设置于所述热机壳体中的气体弹簧调相器，所述气体弹簧调相器包括气缸、法兰、第一活塞、第二活塞以及活塞轴承，所述法兰内缘设置于所述气缸内部，所述法兰外缘穿过所述气缸设置于所述气缸外部，所述法兰将所述气缸分隔为第一气缸和第二气缸；所述第一活塞设置于所述第一气缸中，所述第二活塞设置于所述第二气缸中，所述第一活塞与所述第二活塞通过所述活塞轴承相连，所述法兰设有供所述活塞轴承穿过的轴孔；所述第一气缸、第一活塞和法兰之间形成第一气体腔，所述第二气缸、第二活塞和法兰之间形成第二气体腔，所述第一气体腔和所述第二气体腔中分别密封有气体构成气体弹簧。

进一步地，所述法兰设有沿轴向贯通的气流通道，所述气流通道设置于所述气缸外部。

进一步地，所述气体弹簧调相器还包括气浮支撑结构，所述气浮支撑结构设在所述轴孔与所述活塞轴承之间的间隙处。

进一步地，所述法兰包括轴孔部以及与所述轴孔部连接的外延部，所述轴孔部设置于所述气缸内部，所述外延部穿过所述气缸设置于所述气缸外部，所述轴孔设置于所述轴孔部。

进一步地，所述第一气缸中设有第一环形板簧组，所述第一环形板簧组的内圈与所述轴孔部相连，所述第一环形板簧组的外圈与所述第一活塞相连；所述第二气缸中设有第二环形板簧组，所述第二环形板簧组的内圈与所述轴孔部相连，所述第二环形板簧组的外圈与所述第二活塞相连。

进一步地，所述活塞轴承包括轴承本体，所述轴承本体设有沿轴向贯通的通孔，所述轴承本体侧壁上设有节流通道，所述节流通道分别连通所述通孔与所述轴孔；所述第一活塞和/或所述第二活塞上对应所述通孔的位置处分别设有开孔，各所述开孔分别与所述通孔相连通，在各所述开孔与所述通孔之间对应设有单向阀。

进一步地，所述法兰设有高压气源流道，所述高压气源流道与所述轴孔相连通，所述高压气源流道与所述气流通道互不连通。

进一步地，在所述轴孔的内表面与所述活塞轴承的外表面分别对应设有磁铁。

进一步地，所述法兰设有与所述第一气体腔连通的第一气体流道，所述第一气体流道设有第一阀门，所述第一气体流道与第一外界空容积相连通，所述第一气体流道与所述气流通道互不连通；

和/或所述法兰设有与所述第二气体腔连通的第二气体流道，所述第二气体流道设有第二阀门，所述第二气体流道与第二外界空容积相连通，所述第二气体流道与所述气流通道互不连通。

进一步地，所述热机壳体的左右两端分别设有膨胀腔和背腔，所述热机壳体中设有薄壁筒，所述薄壁筒与所述第一活塞相连，所述薄壁筒内部设有防辐射屏，在所述薄壁筒的外部分别设有热端换热器和回热器，在所述第一气缸的外部设有室温换热器；

所述热机壳体中还设有动力杆，所述动力杆的左端与所述热机壳体的内壁密封滑动配合，所述动力杆、热机壳体、第二气缸以及第二活塞之间合围形成压缩腔，所述压缩腔、气流通道、室温换热器、回热器、热端换热器、膨胀腔依次连通；

所述动力杆的右端穿过动力活塞，在所述热机壳体的内壁上对应所述动力活塞的位置处安装有永磁体。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的斯特林热机，通过法兰将气缸分隔为第一气缸和第二气缸，第一气缸、第一活塞和法兰之间形成第一气体腔，第二气缸、第二活塞和法兰之间形成第二气体腔，第一气体腔和第二气体腔中分别密封有气体构成气体弹簧，通过改变第一气体腔与第二气体腔之间的气体容积，即可调节第一活塞与第二活塞往复运动的回复力。与传统的斯特林热机相比，本发明所述的斯特林热机，采用气体弹簧调相器替代了传统的板簧结构调相器，从而使得气体弹簧调相器在调相时能够获得足够大的刚度和变形，进而满足大功率斯特林热机的调相需求。

附图说明

图1是本发明实施例一斯特林热机的结构示意图；

图2是本发明实施例二斯特林热机的结构示意图；

图3是本发明实施例三斯特林热机的结构示意图；

图4是本发明实施例四和实施例五斯特林热机的结构示意图；

图5是本发明实施例六斯特林热机的结构示意图；

图6是本发明实施例七斯特林系统的结构示意图。

图中：1：膨胀腔；2：热端换热器；3：回热器；4：气体弹簧调相器；5：室温换热器；6：压缩腔；7：永磁体；8：动力活塞；9：开孔；10：背腔；13：动力杆；14：法兰；15a：第一气缸；15b：第二气缸；16a：第一活塞；16b：第二活塞；17：活塞轴承；18：轴孔；19：薄壁筒；20：防辐射屏；21：气流通道；22a：第一环形板簧；22b：第二环形板簧；23：单向阀；24：节流通道；25：磁铁；26：气源流道；27：第一气体流道；28：第一外界空容积；29：第二气体流道；30：第二外界空容积。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，本发明提供一种斯特林热机，至少包括热机壳体以及设置于热机壳体中的气体弹簧调相器4。气体弹簧调相器4包括气缸、法兰14、第一活塞16a、第二活塞16b以及活塞轴承17。

法兰14内缘设置于气缸内部，法兰14外缘穿过气缸设置于气缸外部，法兰14将气缸分隔为第一气缸15a和第二气缸15b。

第一活塞16a设置于第一气缸15a中，第二活塞16b设置于第二气缸15b中，第一活塞16a与第二活塞16b通过活塞轴承17相连，法兰14设有供活塞轴承17穿过的轴孔18。

第一气缸15a、第一活塞16a和法兰14之间形成第一气体腔，第二气缸15b、第二活塞16b和法兰14之间形成第二气体腔，第一气体腔和第二气体腔中分别密封有气体，从而构成气体弹簧。由于气体弹簧的刚度主要由气体容积和活塞面积决定，因此只要适当设计这两个参数就可以获得不同的弹簧刚度。

本申请所述的斯特林热机工作时，通过改变第一气体腔与第二气体腔之间的气体容积，或者通过改变第一活塞16a与第二活塞16b的面积，即可调节第一活塞16a与第二活塞16b往复运动的回复力，从而使得气体弹簧调相器4在调相时能够获得足够大的刚度和变形，进而满足大功率斯特林热机的调相需求。

下面通过具体实施例来对本申请所述的斯特林热机进行说明。

实施例一

如图1所示，本实施例所述的斯特林热机，包括热机壳体，热机壳体中分别设有膨胀腔1、热端换热器2、回热器3、气体弹簧调相器4、室温换热器5、压缩腔6、永磁体7、动力活塞8、背腔10、动力杆13、薄壁筒19以及防辐射屏20。膨胀腔1和背腔10分别设置在热机壳体的左右两端。

其中，气体弹簧调相器4包括气缸、法兰14、第一活塞16a、第二活塞16b以及活塞轴承17。

法兰14内缘设置于气缸内部，法兰14外缘穿过气缸设置于气缸外部，法兰14将气缸分隔为第一气缸15a和第二气缸15b。

第一活塞16a设置于第一气缸15a中，第二活塞16b设置于第二气缸15b中，第一活塞16a与第二活塞16b通过活塞轴承17相连，法兰14设有供活塞轴承17穿过的轴孔18。第一气缸15a、第一活塞16a和法兰14之间形成第一气体腔，第二气缸15b、第二活塞16b和法兰14之间形成第二气体腔，第一气体腔和第二气体腔中分别密封有气体，从而构成气体弹簧。

第一活塞16a与第一气缸15a之间，第二活塞16b与第二气缸15b之间，以及活塞轴承17与轴孔18之间，分别采用间隙密封设置。也即，第一活塞16a与第一气缸15a滑动密封配合，第二活塞16b与第二气缸15b滑动密封配合，活塞轴承17与轴孔18滑动密封配合。

具体来说，法兰14设有沿轴向贯通的气流通道21，气流通道21设置于气缸外部，并且，气流通道21设置于热机壳体中。

具体来说，法兰14包括轴孔部以及与轴孔部连接的外延部，轴孔部设置于气缸内部，外延部穿过气缸壁设置于气缸外部，轴孔18设置于轴孔部。

具体来说，薄壁筒19与第一活塞16a相连，防辐射屏20设置于薄壁筒19内部。薄壁筒19起到热缓冲的作用，薄壁筒19内部具有不流动的气体，导热系数低。通过在薄壁筒19内部设置一层或多层防辐射屏20，不但可以减少薄壁筒19上端面与第一活塞16a之间的辐射传热，而且能够将薄壁筒19的内部气体分割成多个区域，从而减少冷热气流的混合，减少损失。

具体来说，热端换热器2和回热器3从左到右依次设置在薄壁筒19的外部，室温换热器5设置在第一气缸15a的外部。

具体来说，动力杆13的左端与热机壳体的内壁密封滑动配合，动力杆13、热机壳体、第二气缸15b以及第二活塞16b之间合围形成所述压缩腔6，压缩腔6、气流通道21、室温换热器5、回热器3、热端换热器2、膨胀腔1依次连通。

具体来说，动力杆13的右端穿过动力活塞8，永磁体7安装固定在热机壳体的内壁上对应动力活塞8的位置处。当动力杆13运动时能够带动动力活塞8随之运动，进而带动线圈切割磁感线。

具体来说，在活塞轴承17与轴孔18之间可以涂覆耐磨材料，从而使得活塞轴承17与轴孔18滑动时减少磨损，进而延长使用寿命。

本实施例所述的斯特林热机充气时，工作介质从压缩腔6经由气流通道21依次进入室温换热器5、回热器3、热端换热器2、膨胀腔1中。

本实施例所述的斯特林热机工作时，通过改变第一气体腔与第二气体腔之间的气体容积或面积，即可调节第一活塞16a与第二活塞16b往复运动的回复力，从而驱动动力杆13进行往复运动，动力杆13带动动力活塞8随之运动，进而带动线圈切割磁感线。

本实施例所述的斯特林热机，采用气体弹簧调相器4替代了传统的板簧结构调相器，从而使得气体弹簧调相器4在调相时能够获得足够大的刚度和变形，进而满足大功率斯特林热机的调相需求。

实施例二

如图2所示，本实施例所述的斯特林热机的结构与实施例一基本相同，仅是气体弹簧调相器的结构有所区别。

在本实施例中，第一气缸15a中设有第一环形板簧组22a，第一环形板簧组22a的内圈与法兰14的轴孔部相连，第一环形板簧组22a的外圈与第一活塞16a相连。第二气缸15b中设有第二环形板簧组22b，第二环形板簧组22b的内圈与法兰14的轴孔部相连，第二环形板簧组22b的外圈与第二活塞16b相连。

其中，第一环形板簧组22a和第二环形板簧组22b均由一片或数片板簧次堆叠而成，板簧的数量可以根据实际使用需求而设置。

通过设置第一环形板簧组22a和第二环形板簧组22b，能够为活塞轴承提供轴向回复力的同时，还能够为活塞轴承提供径向支撑，可以使得活塞轴承与轴孔之间的间隙维持在10微米的量级上。

由于本实施例所述的斯特林热机采用了气体弹簧调相器进行调相，因此第一环形板簧22a和第二环形板簧22b不作为主要的回复力的提供者，第一环形板簧22a和第二环形板簧22b不需要提供大的轴向刚度，第一环形板簧22a和第二环形板簧22b的厚度可以大幅减小。

本实施例所述的斯特林热机，通过在气体弹簧调相器中设置第一环形板簧22a和第二环形板簧22b，与实施例一所述的斯特林热机相比，本实施例在调相时可以产生更大的轴向变形，使活塞轴承在运动时能够获得更大的轴向位移，从而满足调相的需求。

实施例三

如图3所示，本实施例所述的斯特林热机的结构与实施例一基本相同，仅是气体弹簧调相器的结构有所区别。

在本实施例中，活塞轴承17包括轴承本体，轴承本体设有沿轴向贯通的通孔，也即，活塞轴承17采用中空结构。

轴承本体的侧壁上设有节流通道24，节流通道24分别连通轴孔18和通孔。

具体来说，可以在第一活塞16a和第二活塞16b上对应通孔的位置处分别设置开孔9，使各开孔9分别与通孔相连通，在各开孔9与通孔之间分别对应设置单向阀23。

也可以仅在第一活塞16a上对应通孔的位置处设置开孔9，使开孔9分别与通孔相连通，在开孔9与通孔之间设置单向阀23。

还可以仅在第二活塞16b上对应通孔的位置处设置开孔9，使开孔9分别与通孔相连通，在开孔9与通孔之间设置单向阀23。

本实施例以在第二活塞16b上设置开孔9，在开孔9与通孔之间设置单向阀23为例，本实施例所述的斯特林热机工作时，第一活塞16a和第二活塞16b表面侧的气体由于声波的作用压力会产生周期性变化，当压力升高到一定值时，单向阀23开启，压缩腔中的气流通过开孔9进入到活塞轴承17的通孔内，在通孔内形成一个压力较高的气源，气源再经过节流通道24进入活塞轴承17与轴孔18之间的间隙，从而形成气浮支撑结构，进而达到支撑活塞轴承17的效果。

实施例四

如图4所示，本实施例所述的斯特林热机的结构与实施例一基本相同，仅是气体弹簧调相器的结构有所区别。

在本实施例中，法兰14设有气源流道26，气源流道26与轴孔18相连通。并且，气源流道26与气流通道21互不连通。

本实施例所述的斯特林热机工作时，可利用其他方式产生高压气源，并将高压气源通过气源流道26注入轴孔18与活塞轴承17之间的间隙，从而形成气浮支撑结构，进而达到支撑活塞轴承17的效果。

实施例五

如图4所示，本实施例所述的斯特林热机的结构与上述各实施例基本相同，仅是气体弹簧调相器的结构有所区别。

在本实施例中，轴孔18的内表面与活塞轴承17的外表面分别对应设有磁铁25，通过对应设置的磁铁25之间的相互吸引，可以为活塞轴承17提供回复力，使活塞轴承17的运动始终保持在预设的平衡位置。

实施例六

如图5所示，本实施例所述的斯特林热机的结构与实施例一基本相同，仅是气体弹簧调相器的结构有所区别。

在实际的设计中，有时会存在气体弹簧调相器的调相刚度过大的问题，因此本实施例中气体弹簧调相器的第一种结构形式为，在法兰14上设有与第一气体腔连通的第一气体流道27，第一气体流道27设有第一阀门(图中未示)，第一气体流道27与第一外界空容积28相连通，并且第一气体流道27与气流通道21互不连通。同时，在法兰14上设有与第二气体腔连通的第二气体流道29，第二气体流道29设有第二阀门(图中未示)，第二气体流道29与第二外界空容积30相连通，并且第二气体流道29与气流通道21互不连通。

在使用时，通过分别调节第一阀门和第二阀门的开度，使第一气体腔与第一外界空容积28接通，使第二气体腔与第二外界空容积30接通，从而达到调节气体弹簧调相器的调相刚度的目的。

本实施例中气体弹簧调相器的第二种结构形式为，仅在法兰14上设置与第一气体腔连通的第一气体流道27，在第一气体流道27上设置第一阀门，使第一气体流道27与第一外界空容积28相连通，第一气体流道27与气流通道21互不连通。

在使用时，通过调节第一阀门的开度，使第一气体腔与第一外界空容积28接通，从而达到调节气体弹簧调相器的调相刚度的目的。

本实施例中气体弹簧调相器的第三种结构形式为，仅在所述法兰14上设置与所述第二气体腔连通的第二气体流道29，在第二气体流道29设有第二阀门，使第二气体流道29与第二外界空容积30相连通，第二气体流道29与气流通道21互不连通。

在使用时，通过调节第二阀门的开度，使第二气体腔与第二外界空容积30接通，从而达到调节气体弹簧调相器的调相刚度的目的。

实施例七

本实施例提供一种斯特林系统，该斯特林系统包括一组或多组热声调相组件，每组热声调相组件均包括两个热声部件、以及安装在两个热声部件之间的第一调相器4a，而每个热声部件分别包括一个第二调相器4b。

如图6所示，下面以本实施例中的斯特林系统包括一组热声调相组件为例，进行具体说明。

对于本实施例中的一个第一调相器4a和两个第二调相器4b而言，这三者可以都采用上述实施例一至实施例六中任一实施例所述的气体弹簧调相器。也可以是三者中的其中之一采用上述实施例一至实施例六中任一实施例所述的气体弹簧调相器，而另外的两个采用现有的常规结构调相器。还可以是三者中的其中之一采用现有的常规结构调相器，而另外的两个采用上述实施例一至实施例六中任一实施例所述的气体弹簧调相器。也即，在同一斯特林系统中，既可以全部采用本申请所述的气体弹簧调相器，也可以将本申请所述的气体弹簧调相器与现有的常规结构调相器相结合使用。

当本实施例中的一个第一调相器4a和两个第二调相器4b都采用上述实施例一至实施例六中任一实施例所述的气体弹簧调相器时，则该斯特林系统工作时，其中位于左侧的热声部件作为发动机，左侧的热声部件中的热端换热器中输入热量，左侧的热声部件产生的声功经由第一调相器4a被传递到位于右侧的热声部件，并在右侧的热声部件中被消耗，从而产生泵热或制冷的效果。其中，第一调相器4a既能够起到调相的作用，还能够进行声功的匹配。

综上所述，本发明实施例所述的斯特林热机，采用气体弹簧调相器替代了传统的板簧结构调相器，从而使得气体弹簧调相器在调相时能够获得足够大的刚度和变形，进而满足大功率斯特林热机的调相需求。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，“若干”的含义是一个或多个；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。