一种分置式两级自由活塞斯特林发电机

1.本实用新型涉及自由活塞斯特林发电机技术领域，特别涉及一种分置式两级自由活塞斯特林发电机。


背景技术：

2.随着人口的持续增长以及人们生活水平的提高，对能源的需求量日益增加，化石能源日渐枯竭；与此同时，化石能源的使用也导致了全球变暖以及气候变化等问题。上述矛盾促使人们开始探索新的替代能源，这就需要更加有效的能源利用方式。
3.两级谐波往复式自由活塞斯特林发动机是一种高效的外燃式热电转换机械。区别于传统的自由活塞斯特林发动机，该两级谐波往复式发动机包含一个主加热器和一对回热器，在两个回热器之间有一级中间热交换器。在使用中，温度较高的热量被提供给发动机的主加热器，而温度较低的热量被提供给中间热交换器。上述功能依靠一个两级配气活塞来实现，该配气活塞通过串联的两级换热器和回热器置换工作流体，两级热交换器在不同的温度下工作，较低温度的热量可以是来自主燃烧器的废气，也可以是用于热电联产装置时其他过程的余热，这种结构可以减小高温加热器的体积，降低发动机的质量和成本。
4.两级谐波往复式自由活塞斯特林发动机的动力活塞和配气活塞位于同一气缸中，增加了发动机结构的复杂性，并且两种振动系统之间相互干扰，不利于整个发动机的稳定运行。


技术实现要素：

5.鉴于此，有必要提供一种能源利用效率高且使结构简单紧凑的分置式两级自由活塞斯特林发电机。
6.为解决上述问题，本实用新型采用下述技术方案：
7.一方面本实用新型提供了一种分置式两级自由活塞斯特林发电机，包括第一气缸及第二气缸，所述第一气缸内设置有一级高温级加热器(2)、一级高温回热器(3)、梯级配气活塞(4)、二级低温级加热器(6)、二级低温回热器(7)、冷却器(8)，所述第二气缸内设置有动力活塞(12)；所述第一气缸及第二气缸通过管路连接，其中：
8.所述梯级配气活塞(4)的顶部与所述第一气缸之间形成一级高温级膨胀腔(1)及二级低温级膨胀腔(5)，其中，所述一级高温级膨胀腔(1)靠近所述第一气缸的顶部，所述二级低温级膨胀腔(5)靠近所述第一气缸的中部，围绕所述一级高温级膨胀腔(1)设置有所述一级高温级加热器(2)，围绕所述二级低温级膨胀腔(5)设置有所述二级低温级加热器(6)，所述一级高温级加热器(2)及所述二级低温级加热器(6)通过所述一级高温回热器(3)连接；所述第一气缸的底部设置有所述冷却器(8)，所述冷却器(8)与所述二级低温级加热器(6)之间连接有所述二级低温回热器(7)；所述动力活塞(12)的顶部与所述第二气缸之间形成压缩腔，所述动力活塞(12)的底部与所述第二气缸之间形成背压腔(15)。
9.在其中一些实施例中，所述梯级配气活塞包括截面积不同的两个部分串联，且面
积较小的部分离所述压缩腔较远。
10.在其中一些实施例中，所述梯级配气活塞与所述第一气缸的截面形状相似。
11.在其中一些实施例中，所述第一气缸内还设置有隔板(9)，所述梯级配气活塞(4)底部的配气活塞杆(16)穿设所述隔板。
12.在其中一些实施例中，所述第一气缸内还设置有配气活塞板弹簧(10)，所述配气活塞板弹簧(10)与所述配气活塞杆(16)弹性连接。
13.在其中一些实施例中，所述第二气缸内还设置有动力活塞板弹簧(14)，所述动力活塞板弹簧(14)与所述动力活塞(12)弹性连接。
14.在其中一些实施例中，所述动力活塞(12)还连接有直线电机(13)，所述动力活塞(12)可带动所述直线电机(13)发电。
15.采用上述技术方案，本实用新型实现的技术效果如下：
16.本实用新型提出一种分置式两级自由活塞斯特林发电机，包括第一气缸及第二气缸，所述第一气缸内设置有一级高温级加热器(2)、一级高温回热器(3)、梯级配气活塞(4)、二级低温级加热器(6)、二级低温回热器(7)、冷却器(8)，所述第二气缸内设置有动力活塞(12)；所述第一气缸及第二气缸通过管路连接。由于发电机包含两级热源，两级热源的温度不同，从而借助低温热源对高温热源的对流和辐射热损失，以及发电机高温部分产生的其他热损失进行回收，或同时利用日常生活或工业生产过程中产生的不同温度的余热，从而提高能源的利用效率，使系统结构更加紧凑。并且动力活塞和配气活塞分置于不同的气缸中，降低了发电机结构的复杂性，减少了两种动力系统之间的干扰。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型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，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本实用新型实施例提供的分置式两级自由活塞斯特林发电机的结构示意图。
19.图2为本实用新型实施例提供的分置式两级自由活塞斯特林发电机理想循环p
‑
v图。
20.图3为本实用新型实施例提供的分置式两级自由活塞斯特林发电机理想循环t
‑
s图。
具体实施方式
21.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
22.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“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实用新型和
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实用新型的限制。
23.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
24.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。
25.请参阅图1，为本实用新型实施例提供的分置式两级自由活塞斯特林发电机的结构示意图，包括：第一气缸及第二气缸，所述第一气缸内设置有一级高温级加热器(2)、一级高温回热器(3)、梯级配气活塞(4)、二级低温级加热器(6)、二级低温回热器(7)、冷却器(8)，所述第二气缸内设置有动力活塞(12)；所述第一气缸及第二气缸通过管路连接。
26.所述梯级配气活塞(4)的顶部与所述第一气缸之间形成一级高温级膨胀腔(1)及二级低温级膨胀腔(5)，其中，所述一级高温级膨胀腔(1)靠近所述第一气缸的顶部，所述二级低温级膨胀腔(5)靠近所述第一气缸的中部，围绕所述一级高温级膨胀腔(1)设置有所述一级高温级加热器(2)，围绕所述二级低温级膨胀腔(5)设置有所述二级低温级加热器(6)，所述一级高温级加热器(2)及所述二级低温级加热器(6)通过所述一级高温回热器(3)连接；所述第一气缸的底部设置有所述冷却器(8)，所述冷却器(8)与所述二级低温级加热器(6)之间连接有所述二级低温回热器(7)；所述动力活塞(12)的顶部与所述第二气缸之间形成压缩腔，所述动力活塞(12)的底部与所述第二气缸之间形成背压腔(15)。
27.本实用新型提供的分置式两级自由活塞斯特林发电机，将传统自由活塞斯特林发电机的配气活塞及其气缸替换成梯级结构，使所述梯级配气活塞(4)顶部与第一气缸之间构成一个柱形的一级高温级膨胀腔(1)和一个环形的二级低温级膨胀腔(5)，在上述两个封闭空间外分别设置一级高温级加热器(2)及所述二级低温级加热器(6)，并在两级加热器之间增设一级高温回热器(3)。两级加热器所使用的外部热源温度不同，其中距离动力活塞(12)较远的一级高温级加热器(2)所使用的外部热源温度较距离动力活塞(12)较近的二级低温级加热器(6)所使用的外部热源温度更高。两级加热器所使用的外部热源可以是日常生活或工业生产过程中产生的不同类型或不同温区的废热资源，也可以借助热回收装置将高温级加热器或自由活塞斯特林发电机高温部分产生的热损失引入二级低温级加热器(6)进行回收利用。
28.可以理解，可以通过改变上述两种加热器结构适应不同的热源种类。
29.在其中一些实施例中，所述梯级配气活塞(4)包括截面积不同的两个部分串联，且面积较小的部分离所述压缩腔(15)较远，所述梯级配气活塞(4)与所述第一气缸的截面形状相似。
30.在其中一些实施例中，所述第一气缸内还设置有隔板(9)，所述梯级配气活塞(4)底部的配气活塞杆(16)穿设所述隔板(9)。
31.在其中一些实施例中，所述第一气缸内还设置有配气活塞板弹簧(10)，所述配气活塞板弹簧(10)与所述配气活塞杆(16)弹性连接。
32.在其中一些实施例中，所述第二气缸内还设置有动力活塞板弹簧(14)，所述动力
活塞板弹簧(14)与所述动力活塞(12)弹性连接。
33.在其中一些实施例中，所述动力活塞(12)还连接有直线电机(13)，所述动力活塞(12)可带动所述直线电机(13)发电。
34.以下进一步说明本实用新型提供的分置式两级自由活塞斯特林发电机的工作方法的原理，请参阅图2及图3，该发电机内部工质所经历的理想循环的p
‑
v图和t
‑
s，包括如下步骤：
35.过程1
‑
2：质量为m的气体在所述压缩腔(11)内参与等温压缩过程，气体收缩并将热量释放给所述冷却器(8)，同时所述动力活塞(12)运动到上止点；
36.过程2
‑
3：所述梯级配气活塞(4)向下运动，所述压缩腔(11)内的气体反向通过所述二级低温回热器(7)，所述吸收回热器(7)储存的热量后温度升高，进入所述二级低温级膨胀腔(5)；
37.过程3
‑
4和3
‑4′
：一部分气体(m1)在所述二级膨胀腔(5)内参与等温膨胀过程，吸收所述二级加热器(6)中的热量并向外膨胀；另一部分气体(m2)继续反向通过所述一级高温回热器(3)，并吸收所述一级高温回热器(3)储存的热量后温度升高，进入所述一级高温级膨胀腔(1)，接着在一级高温级膨胀腔(1)内参与等温膨胀过程，并吸收一级高温级加热器(2)中的热量并向外膨胀，推动所述动力活塞(12)运动到下止点；
38.过程4
′‑
4：一级高温级膨胀腔(1)内的气体(m2)正向通过所述一级高温回热器3，将部分热量释放给一级高温回热器(3)后温度降低，进入所述二级低温级膨胀腔(5)；
39.过程4
‑
1：两部分气体汇合，正向通过二级低温回热器(7)，将部分热量释放给二级低温回热器(7)后温度降低，进入所述压缩腔(11)，进行等温压缩过程，并进行新一轮的循环。
40.本实用新型提出一种分置式两级自由活塞斯特林发电机，该发电机包含两级热源，两级热源的温度不同，从而借助低温热源对高温热源的对流和辐射热损失，以及发电机高温部分产生的其他热损失进行回收，或同时利用日常生活或工业生产过程中产生的不同温度的余热，从而提高能源的利用效率，使系统结构更加紧凑；并且动力活塞和配气活塞分置于不同的气缸中，降低了发电机结构的复杂性，减少了两种动力系统之间的干扰。
41.以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，仅具体描述了本实用新型的技术原理，这些描述只是为了解释本实用新型的原理，不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处解释，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其他具体实施方式，均应包含在本实用新型的保护范围之内。