CN101216001A - 一种小型热气机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型热气机，包括机身、在动力气缸中作往复运动的动力活塞组、在配气气缸中作往复运动的配气活塞组、加热器、回热器、冷却器和带有两个曲拐的输出轴，以及对加热器进行加热作用的加热装置；动力活塞组通过长连杆与曲拐二活动连接，配气活塞组通过短连杆与曲拐一活动连接，所述的动力气缸和配气气缸布置在输出轴的同一侧，且在动力气缸靠近上止点的一端与配气气缸靠近下止点的一端通过气道连通；输出轴的曲拐一和曲拐二的相位差为90°或270°；所述的回热器由配气活塞与配气气缸套之间的配合间隙构成。该热气机具有结构简单、易于制造、体积小、重量轻、成本低、便于维护、可靠性高的特点，十分适合于100W以下的小型热气机使用。

Description

一种小型热气机

技术领域

本发明涉及热力发动机，尤其关于外燃式小型热气机。

背景技术

热气机又称斯特林发动机，它是一种采用外部热源加热的外燃式发动机，主要由加热系统、工质循环系统、传动系统等组成，加热器、回热器、冷却器、动力活塞组件、配气活塞组件是构成热气机循环系统的关键零部件，加热系统产生的热量通过加热器传递给热气机的内部工质，通过斯特林循环，推动活塞做功，并通过传动系统的曲轴或输出轴对外输出。回热器相当于一个储能器，用于吸收或释放斯特林循环过程中的工质热量；加热器用于加热工质。传统的热气机一般有两个活塞，即动力活塞和配气活塞，配气活塞在加热器、回热器、冷却器内不断穿梭运动，起到配气的作用；动力活塞对工质进行压缩，同时在工质受热膨胀时，工质又推动动力活塞向外做功。另外，还有一种双作用式热气机，即动力活塞和配气活塞合二为一，多个缸串在一起，即一缸受热膨胀做功时，其冷端同时为相邻缸配气用，该结构适用化较多。热气机不同于内燃机，它采用外部加热方式，因此具有对多种热源或燃料的适应性，如可采用传统的燃油、天然气、沼气、酒精等燃料，也可以采用太阳能、工业余热、固体燃料、生物质能等，范围十分广泛。

目前，瑞典的KOCKUMS公司和美国STM公司研制的四缸双作用热气机已投入军品、民品市场使用，功率范围覆盖10kW～100kW，主要燃料为燃油和天然气。为了提高效率，增大功率，便于布置，其四缸呈方形布置，四缸共用一个燃烧室，传动系统多采用“V”形曲轴传动，或斜盘传动方式。其关键零部件主要有加热器、回热器、冷却器和主密封等，加热器、回热器、冷却器等零部件的性能直接关系到热气机的效率，其结构复杂，制造成本高，是热气机的主要成本构成部分。为提高热气机的效率，热气机工质多采用氦气和氢气，工作压力常高达15MPa以上，较高温度和压力的工质也提高了密封的难度，由于不可避免地存在工质泄漏，因此需要定期给热气机补充工质，因此也增加了维护保养或使用的难度和成本。

传统结构的热气机比较适合的功率为10kW～200kW，在此功率范围内可以做到热气机结构十分紧凑，效率较高。相反功率过小，如1kW以下，若采用传统的结构，其布置将十分困难，成本也很高；功率过大，如200kW以上，则存在密封困难、燃烧不均匀的难题。因此，对于功率为100W以下，甚至更小，如几瓦到十几瓦的小型或微型热气机，由于其要求结构简单、体积小、重量轻、制造成本低廉、使用维护费用低、可靠性高，相反对效率没有过高要求，以上传统的结构就不太适合，目前市场上还是空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型热气机，解决传统的热气机结构由于构造复杂、制造和使用成本高，不适用于小型热气机使用的技术问题，其具有结构简单、易于制造、体积小、重量轻、成本低、便于维护、可靠性高的特点。

本发明的目的是通过以下的技术方案来解决的：

一种小型热气机，包括机身、在动力气缸中作往复运动的动力活塞组、在配气气缸中作往复运动的配气活塞组、加热器、回热器、冷却器和带有两个曲拐的输出轴，以及对加热器进行加热作用的加热装置；动力活塞组通过长连杆与曲拐二活动连接，配气活塞组通过短连杆与曲拐一活动连接，所述的动力气缸和配气气缸布置在输出轴的同一侧，且在动力气缸靠近上止点的一端与配气气缸靠近下止点的一端通过气道连通；输出轴的曲拐一和曲拐二的相位差为90°或270°；所述的回热器由配气活塞与配气气缸套之间的配合间隙构成。

上述的小型热气机，由于动力气缸和配气气缸布置在输出轴的同一侧，使动力气缸和配气气缸的连通距离最短，便干布置，也减少了余隙容积，有助于提高效率，同时这种布置结构，也减少了纵向长度尺寸，使整个热气机的结构更加紧凑；回热器由配气活塞与配气气缸套之间的配合间隙构成，虽然以牺牲部分效率为代价，但总体上大大简化了布置，取消了回热器硬件结构，也显著降低了成本。

上述的小型热气机，所述的冷却器为靠近配气气缸下止点，布置在配气气缸套外的风冷式翅片式散热器构成，其与气缸套做成一体；所述的加热器为布置在配气活塞上止点附近，由导热性能较差的耐热薄壁金属材料筒体制成，其同时兼作配气气缸套。以上的结构，冷却器采用风冷式，布置在气缸套外，换热面积大，结构简单，加工方便，制造成本低。薄壁金属材料筒体制成的加热器，兼作配气气缸套，合二为一，优化了结构，降低了成本，同时也满足使用要求。

上述的小型热气机，所述的配气活塞组由轻质金属材料做成的配气活塞，以及活塞杆、活塞销和短连杆组成，配气活塞由活塞座和活塞体构成，活塞体为薄壁筒体，其一端封闭，另一端与活塞座固定连接在成一体；活塞杆一端与短连杆可转动地连接，另一端与活塞座固定连接。

上述的小型热气机，所述的配气活塞与配气气缸套之间的配合间隙为配气活塞外径的0.5％～1.5％。

上述的小型热气机，所述的配气活塞高度与其直径之比为2.0～3.0。

上述的小型热气机，所述的配气活塞、动力活塞座的材料为铝质金属。这样可以减轻运动件的重量，提高热气机的效率，同时也提高了可靠性。

上述的小型热气机，所述的曲拐一和/或曲拐二设置成兼作飞轮用的圆盘上加偏心轴结构。这种结构省略了单独的飞轮，使结构更加紧凑，外形美观。

上述的小型热气机，在所述的输出轴上连接有变速箱。可以根据需要设置变速比，以满足不同应用场合的需要。

总之，本发明具有下列优点：

1、结构简单，布置紧凑，制造成本低。由于回热器由配气活塞与配气气缸套之间的配合间隙构成，省略了复杂的回热器，即降低了成本，简化了结构，也使配气活塞与缸套的配合间隙加大，零部件的加工精度降低，降低了加工成本。同时冷却器采用布置在缸套外的风冷式翅片式散热器，结构十分紧凑；加热器传热性能较差的耐热薄壁金属材料筒体制成，其同时兼作配气气缸套，大大简化了结构，显著降低了加工成本，也有利于温度梯度的建立，增大上下温差，提高效率。

2、使用成本低，可靠性高。该热气机采用空气作为工质，工作压力较低，虽然以牺牲效率为代价，但简化了复杂的密封结构，省略了工质补气结构，特别是使用十分方便，大大降低了使用成本，且可靠性较高。

附图说明

图1是本发明的结构图，其中配气活塞右边部分被剖开。

图2是图1的左视图，其省略了部分安装螺钉等附件。

图3是图2的右视图，其省略了部分安装螺钉等附件。

具体实施方式

图1、2和3所示为本发明的一个实施例。其结构是，包括机身或机体10、动力活塞组2、配气活塞组9、加热器8、冷却器710、回热器、带有两个曲拐的输出轴1等，配气活塞组9、动力活塞组2分别通过短连杆950、长连杆210与输出轴1可转动地连接，并布置在输出轴1的同一侧，在配气气缸740外侧从上到下依次布置有冷却器710、回热器和加热器8，配气气缸740和动力气缸4通过气道5连通，在配气活塞组9运动上止点附近，气缸套730外侧布置有加热器8，用于对工质进行加热。该热气机常采用热空气作工质，工作压力也相对较低，因此工质的密封比较简单，且可靠性较高，使用维护比较简单，且费用低。

动力活塞组2由轻质金属做成的动力活塞230，以及活塞销220和长连杆210等组成，动力活塞230依次通过活塞销220、长连杆210与输出轴1的曲拐二140可转动地连接，动力活塞230的行程即为曲拐二140半径的两倍。动力活塞230的材料一般选用铝质，特点是重量轻、便于加工，为充分减轻动力活塞230的重量，又保证在纵向有足够的长度便于导向，动力活塞230常设计成如图1中所示的一端封闭的圆筒形，底部中间伸出一个凸起，便于布置活塞销220，圆筒形的内部空间可保证动力活塞230在运动时长连杆210在其内以活塞销220为支点，可在一定范围内摆动，不至于与活塞筒体的内壁干涉相碰。动力气缸4布置在机身或机体10上，或单独加工，然后与机身10固定连接成一体。动力活塞230与动力气缸套3的配合间隙一般为0.03～0.10mm，既要保证一定的密封性，又要保证较小的摩擦阻力。

配气活塞组9由活塞体910、活塞座920、活塞杆930、活塞销940和短连杆950等组成，活塞体910和活塞座920组成配气活塞，也都是由轻质金属做成，如常用铝质金属制造，当然也可以采用很薄不锈钢材料制造，只要保证其有尽量轻的重量，又有必要的刚度即可。活塞体910为一个一端封闭的长形薄壳筒体，其长度一般是其直径的2～3倍，开口的一端套置在活塞座920外，并与其固定连接，采用焊接或粘接方式固定，形成一个封闭的、重量较轻的活塞，活塞座920的上端设置有一个活塞杆930，活塞杆930穿透机身10上的活塞杆孔，活塞杆930的上端部设置有活塞销940，短连杆950的一端通过活塞销940与活塞杆930可转动的连接，另一端与输出轴1的曲拐一110可转动地连接，同样，配气活塞的行程为曲拐一110半径的两倍。在活塞杆孔内嵌套有密封件6，密封件6的材料一般为非金属材料，如聚四氟乙烯材料，活塞杆930与密封件6形成杆式无油润滑密封。上述的配气活塞组9，特别是活塞座920和活塞体910部分也可以做成整体式，只要尽可能减轻重量即可，但是这种整体式加工难度更大，成本更高。

与配气活塞相适配，有一个配气气缸740，配气气缸套由两部分组成，即靠近冷却器710部分的冷端配气气缸套720和靠近加热器8部分的热端配气气缸套730，在配气气缸740的上部也就是靠近配气活塞运动下止点B附近，气缸套720的外侧设置有风冷式翅片式散热器，即热气机的冷却器710，用于对热气机的工质进行冷却，翅片的数量、尺寸，即散热面积根据热气机功率需要而设定，当然改用水冷式或其他的冷却方式都是可以的，不过系统更复杂。为增强冷却效果，可以在输出轴1上带一个小风扇，导流到翅片表面，这样冷却效果会更加。如果该热气机用作风扇动力，可以将部分风量导流过来对冷却器710进行辅助冷却。翅片式散热器可以与配气气缸套720做成一体，用导热性能较好的金属做成，如铝质金属，工艺可以采用铸造、机加工等方式。在配气气缸740的下端也就是靠近配气活塞运动上止点附近，气缸套730为顶端封闭的薄壳耐热筒体，该部分气缸套同时用作热气机的加热器8，其顶部的形状做成与活塞的顶部形状一致，如锥形、半球形。热端气缸套730可以与上端的冷端气缸套720做成两部分，然后固定在一起，如螺纹固定或粘结、焊接方式。加热器8的材料常采用导热性能相对较差的不锈钢材料或耐热不锈钢材料，导热性能较差便于在其上下端形成温度梯度，温差越大热气机的效率就越高。比较简单的加热器结构是如图1所示的表面光滑的圆筒形，为增强外界热源向内部工质的传热效果，也可以在加热器的表面设置翅片。

传统的热气机，包括单作用式热气机或双作用式热气机，都有一个回热器，回热器常用金属丝网烧结而成，其制作工艺复杂，成本高。本发明省略了实体式的回热器，其回热器由位于配气活塞与其气缸套720，730之间的配合间隙A构成，这段狭长的空气间隙A在热气机工作时起到了回热器的作用，配气活塞足够的长度，保证了配合间隙A的足够长度，也起到增大缸套上下端温差梯度的作用，有利于提高效率。配合间隙A的大小与配气活塞的直径、热气机的功率大小有关，一般选用配气活塞直径的0.5％～1.5％。如发明人以一个5W的小型热气机为例，其配气活塞直径为45mm，分别设置配气活塞与配气气缸套之间的配合间隙为0.3mm、0.5mm和0.6mm，经试验都能满足要求，配合间隙A的大小对热气机的效率略有影响。本发明采用配气活塞与配气气缸套720、730之间的配合间隙A作为热气机的回热器用，既省略了一个复杂的回热器，简化了回热器的布置问题，使热气机的机构相当优化，大大降低了成本，同时这个较大的间隙也降低了配气活塞与配气气缸套配合表面的加工精度，降低了工艺要求，进一步降低了加工成本。初略估计，仅此改进，就可使热气机的制造直接成本降低20～30％左右。

在配气气缸740靠近下止点B附近，也就是图1所示的配气气缸740的上端，有一个气道5与动力气缸4的下端连通，便于工质在配气气缸740和动力气缸4中来回流动，要尽量保证气道5长度最短，流动阻力最小，因此其直径可根据需要设定。如对于15W以下的热气机，气道5的直径设置成3～7mm即可。本发明将配气气缸740和动力气缸4布置在输出轴1的同一侧也就是为了保证气道的长度最短。

本发明的输出轴1也即曲轴，带有曲拐一110和曲拐二140两个曲拐，分别连接配气活塞组9和动力活塞组2，两者的相位相差90°或270°，曲拐的半径决定活塞的行程。为了使热气机工作平稳，曲拐一110和/或曲拐二140设计成在有足够重量的圆盘120、130上加偏心轴构成，偏心距即为曲拐的半径，圆盘120、130同时当作热气机的飞轮用，这样既简化了结构又保证了热气机工作平稳。在输出轴1的靠近中心位置有一个支承，与机身10连为一体。

为了满足不同应用场合的需要，热气机的输出轴1上还可以带有一个变速箱11，根据需要设定变速比，如用作风扇动力时，就设置了一个变速增速变速箱。

在加热器8的下端还设置有一个加热装置，加热装置的类型可以根据燃料类型设计，可以是利用燃油、气体燃料式，如酒精、柴油、天然气、液化石油气等燃烧加热式，也可以是太阳能聚光装置，或固体燃料式加热式，或其他工业预热加热形式。

本发明所述的热气机可以适用于输出功率为100W以下要求的多种场合，特别是25W以下功率要求的场合，其具有结构简单、成本低廉、可靠性高的特点，但是也有效率较低的弱点，该类型的热气机效率一般在5％以下。其一般用空气作工质，不需要携带工质气瓶或设置制氢装置，使用方便，且使用维护费用很低。该热气机可以有多种用途，如集成一个小型发电机，组成一个小型发电系统；输出轴上携带一个风扇，组成一个送风系统；也可以作为其他的小型动力源。

以图1所示结构，发明人设计制造了一台5W的小型热气机，燃用液化石油气，配气活塞的直径为45mm，长度为120mm，动力活塞的直径为40mm，配气活塞的行程为20mm，热气机的转速为600r/min，采用1∶4的增速齿轮箱，带动一个风扇，配气活塞与气缸套的配合间隙即回热器间隙为0.5mm，气道直径为5mm，活塞、机身材料采用铝，整机尺寸为150mm(长)×120mm(宽)×350mm(高)，质量约4kg，经试验测试，输出功率为5.5W，可以产生105cfm的风量。

本发明不局限以上的形式，还可以变换成其他的形式，如改变活塞的布置方式，设计成对置式，或改变加热器的形式，或者曲轴的结构，或者其他等同的替换，总之，只要采用以上以空气间隙作为回热器等类似的结构都将落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种小型热气机，包括机身(10)、在动力气缸(4)中作往复运动的动力活塞组(2)、在配气气缸(740)中作往复运动的配气活塞组(9)、加热器(8)、回热器、冷却器(710)和带有两个曲拐的输出轴(1)，以及对加热器(8)进行加热作用的加热装置；动力活塞组(2)通过长连杆(210)与曲拐二(140)活动连接，配气活塞组(9)通过短连杆(950)与曲拐一(110)活动连接，其特征在于：所述的动力气缸(4)和配气气缸(740)布置在输出轴(1)的同一侧，且在动力气缸(4)靠近上止点(C)的一端与配气气缸(740)靠近下止点(B)的一端通过气道(5)连通；输出轴(1)的曲拐一(110)和曲拐二(140)的相位差为90°或270°；所述的回热器由配气活塞与配气气缸套(720，730)之间的配合间隙(A)构成。

2.根据权利要求1所述的小型热气机，其特征在于：所述的冷却器(710)为靠近配气气缸(740)下止点(B)，布置在配气气缸套(720)外的风冷式翅片式散热器构成，其与气缸套(720)做成一体；所述的加热器(8)为布置在配气活塞上止点附近，由导热性能较差的耐热薄壁金属材料筒体制成，其同时兼作配气气缸套(730)。

3.根据权利要求1或2所述的小型热气机，其特征在于：所述的配气活塞组(9)由轻质金属材料做成的配气活塞，以及活塞杆(930)、活塞销(940)和短连杆(950)组成，配气活塞由活塞座(920)和活塞体(910)构成，活塞体(910)为薄壁筒体，其一端封闭，另一端与活塞座(920)固定连接在成一体；活塞杆(930)一端与短连杆(950)可转动地连接，另一端与活塞座(920)固定连接。

4.根据权利要求1或2所述的小型热气机，其特征在于：所述的配气活塞与配气气缸套(720，730)之间的配合间隙(A)为配气活塞外径的0.5％～1.5％。

5.根据权利要求3所述的小型热气机，其特征在于：所述的配气活塞与配气气缸套(720，730)之间的配合间隙(A)为配气活塞外径的0.5％～1.5％。

6.根据权利要求3所述的小型热气机，其特征在于：所述的配气活塞高度与其直径之比为2.0～3.0。

7.根据权利要求1或2所述的小型热气机，其特征在于：所述的配气活塞、动力活塞座(230)的材料为铝质金属。

8.根据权利要求1或2所述的小型热气机，其特征在于：所述的曲拐一(110)和/或曲拐二(140)设置成兼作飞轮用的圆盘(120，130)上加偏心轴结构。

9.根据权利要求1或2所述的小型热气机，其特征在于：在所述的输出轴上连接有变速箱(11)。

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