CN101832197A - 一种常压空气热气机用工质自动补气机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种常压空气热气机用工质自动补气机构，在连接热气机冷腔和热腔之间，即配气活塞和动力活塞之间的工质连接通道上设置一个单向阀，单向阀的入口通向大气，单向阀的出口与上述的工质连接通道连通；其具有结构紧凑、补气效率高、可靠性好的特点，可以实现常压空气热气机自动补充空气工质的需要。

Description

一种常压空气热气机用工质自动补气机构

技术领域

本发明涉及热气机，尤其是关于小型常压空气热气机工质系统。

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，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。热气机主要由加热系统、工质循环系统、传动系统等组成，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。传统的热气机一般有两个活塞，即动力活塞和配气活塞，动力活塞和配气活塞之间有一个连接通道，即工质流道，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。

公开号为CN101216001A的中国专利公开了一种小型热气机，包括机身、动力活塞组、配气活塞组、加热器、回热器、冷却器和输出轴和加热装置；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；回热器由配气活塞与配气气缸套之间的配合间隙构成。上述的小型热气机是一种典型的常压空气热气机，即热气机的工质采用空气，因此工质系统和热气机循环系统工质的密封结构可以做的十分简单，从而可以大大简化热气机的结构，提高可靠性。

上述的常压空气热气机因开放式结构使用纯空气作为工质，理论上最低循环压力等于大气压，在热气机运行初期最低循环压力等于外部压力(大气压)。而当运行至最高循环压力，内部工质压力经过压缩高于外部压力(大气压)，此时由于活塞杆存在动密封不可避免地会发生泄漏，热气机工作腔内的工质就会减少，当热气机再次运行至最低循环压力时，由于内部工质的泄漏就会造成最低循环压力低于外部压力(即大气压)而形成负压，此时工质(空气)就会经原路从外部吸入热气机，进行自动补气。但是由于工质最高循环压力和大气压的压差绝对值，大于最低循环压力和大气压的压差绝对值，这使得热气机在最低循环压力时实际吸入的工质量会少于泄漏出去的工质量，使热气机内部工质的量减少。随着热气机内部工质的量逐步减少，最低循环压力和大气压差绝对值不断提高，最终会与最高循环压力和大气压的压差绝对值相等，热气机泄漏量和进入量会达到平衡，但此时的热气机内部工质量已经小于运行初期的工质量，因此会影响热气机的功率和效率。此外，热气机的工质(空气)从动力活塞的活塞环处和配气活塞的活塞杆密封处进行吸入，由于工质(空气)没有进行过滤，特别是在环境恶劣的工作环境中，补气时会将灰尘和杂质吸入，导致活塞、轴承、密封件等部件的加速磨损。

发明内容

本发明的目的在于提供一种常压空气热气机用工质自动补气机构，解决常压空气热气机空气工质补充效率低，且空气工质已受污染，进而容易引起活塞及运动部件磨损的技术问题，其具有结构紧凑、补气效率高、可靠性好的特点，可以实现常压空气热气机自动补充空气工质的需要。

本发明的目的是通过以下的技术方案来解决的：

一种常压空气热气机用工质自动补气机构，在连接热气机冷腔和热腔之间，即配气活塞和动力活塞之间的工质连接通道上设置一个单向阀，单向阀的入口通向大气，单向阀的出口与上述的工质连接通道连通。

上述的常压空气热气机用工质自动补气机构，单向阀的设置位置尽可能靠近热气机的冷腔即配气活塞端；所述单向阀的启阀压力为2.1×10^-3～6.89×10^-3MPa。

上述的常压空气热气机用工质自动补气机构，所述的单向阀包括阀壳、簧片、滑块、滤芯安装座、滤芯、节流元件，滤芯、节流元件布置在单向阀的进口，阀壳为圆筒形结构，其内部从出口到进口依次安装有簧片、滑块、滤芯安装座、节流元件、滤芯；滑块侧面均匀布置有凹槽，滑块下端抵靠在簧片上，上端面可以与滤芯安装座的底面形成良好密封，即当单向阀关闭状态下，簧片将滑块压紧，滑块上端面与滤芯安装座的底面形成良好密封；滤芯安装座内部布置有节流元件，节流元件为一端封闭的筒体结构，内布置可拆卸的滤芯，在节流元件的封闭端开有一个节流孔。

上述的常压空气热气机用工质自动补气机构，所述的单向阀在进口设置有一个滤芯，过滤精度为0.05～0.08mm；在单向阀上设置有一个节流元件，节流孔直径为0.6～0.8mm。

本发明的有益效果是：

传统的常压空气工质热气机为提高其工作的稳定性和提高功率往往在动密封的配合精度和材料上有严格的设计要求，例如气缸与活塞进行精磨和互配，以降低泄漏率，此外，还采用牺牲效率的方法弥补因工质泄漏而损失的功率。而上述的技术方案采用自动补气机构可以有效提高补气效率，显著增强常压空气热气机工作稳定性，提高工作效率。该自动补气机构工作无任何耗功，结构简单、体积小、可靠性高。

经试验，采用上述的技术方案可以将热气机的最低循环压力提高10％，可以提高热气机的效率近一个百分点，此外由于自动补气机构的进气阻力远小于动密封漏点的阻力，动密封的气体流动由双向流动变成只出不进的单向流动，可以有效防止空气杂质或粉尘进入热气机工作腔，可以有效提高热气机的工作可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

图1是传统小型热气机工质系统的结构原理图。

图2是本发明小型热气机用工质自动补气机构的结构原理图。

图3是图2中单向阀的结构剖视图。

图中：1.动力活塞，2.单向阀，201.滤芯，202.节流元件，203.滤芯安装座，204.滑块，205.簧片，206.阀壳，3.配气活塞，4.连接通道。

具体实施方式

图1所示为传统的常压空气工质热气机的结构原理图，其包括配气活塞3和动力活塞1，动力活塞1和配气活塞3之间有一个工质连接通道4，热气机工作时，空气工质在动力活塞1和配气活塞3之间往复流动。图中箭头A、B所示为工质泄漏的部位和方向示意，箭头C、D所示为工质吸入或补气的流向和位置示意。工质的补气经由其泄漏点补入，热气机在动密封的漏点有“吸”和“漏”两个方向的气流，由于漏点阻力大，压差小，热气机最低循环压力将低于大气压，将影响热气机的效率和功率，此外外部空气杂质和粉尘吸入动密封会加速热气机的磨损，影响可靠性。

图2和图3所示为本发明的一个实施例，在配气活塞3和动力活塞1的连接通道4上设置有一个带有滤器的单向阀2，单向阀2的入口通向大气，单向阀2的出口与上工质流道连通；为保证补气的效率，缩短压力波传递的时间，单向阀2的设置位置尽可能靠近热气机的冷腔，即配气活塞端，单向阀2的启阀压力一般为2.1×10^-3～6.89×10^-3MPa。图2中箭头E、F所示为工质泄漏的部位和方向示意，箭头G所示为工质补气的流向示意。

上述的单向阀2由阀壳206、簧片205、滑块204、滤芯安装座203、滤芯201、节流元件202等部件组成，滤芯201、节流元件202布置在单向阀2的进口，阀壳206为圆筒形结构，其内部从出口到进口依次安装有簧片205、滑块204、滤芯安装座203、节流元件202、滤芯201；滑块204侧面均匀布置有凹槽，滑块204下端抵靠在簧片205上，上端面可以与滤芯安装座203的底面形成良好密封，即当单向阀2关闭状态下，簧片205将滑块204压紧，滑块204上端面与滤芯安装座203的底面形成良好密封；滤芯安装座203内部布置有节流元件202，节流元件202为一端封闭的筒体结构，内布置可拆卸的滤芯201，在节流元件202的封闭端开有一个节流孔，节流孔的直径为0.6～0.8mm。滤芯201的过滤精度为0.05～0.08mm。上述的单向阀2集成了单向阀2、滤器和节流元件202的综合功能，结构紧凑，体积小，安装方便。当然，上述的结构也可以设置成单向阀、滤器、节流功能各自分离的结构，或两种功能组合的结构。

上述的自动补气机构能自动补充泄漏的工质并始终保持最低循环压力等同外部压力，在某些配气活塞扫气容积大于动力活塞工作容积的机型中，最低循环压力将比外部压力高0.98×10^-3MPa～1.47×10^-3MPa。

本发明的自动补气机构是基于配气活塞过上止点至之后1/16周期内内部压力低于外部压力的原理，实现自动补气的，其工作原理如下：当热气机工质出现泄漏后，配气活塞3过上止点至之后1/16周期内由于大气压力高于热气机内部压力，自动补气机构的单向阀2打开进气，当热气机运动至内部压力高于外部压力时，单向阀2关闭，完成补气。由于单向阀2开启后流通能力远高于泄漏点处的流通能力，且进入的气体流速高，进入的气体量会大于泄漏量，此时热气机的最低循环压力将大于外部压力，单向阀2关闭，补气结束，直至热气机最低循环压力低于大气压时单向阀2再次开启完成下一次补气过程。因自动补气机构的单向阀2流通能力大，为防止瞬时进气量过大导致热气机内部工作循环扰动过大，甚至导致热气机停机，特设置了节流元件202，对进气进行节流，一般设计时节流孔的孔径和流通能力与热气机的排量、转速和泄漏率等参数有关，如排量在10～20ml、转速为600～1400r/min的热气机，其节流孔直径可选0.6～0.8mm。

采用上述方案对一台缸径为40mm，行程为14mm的Gama型空气工质常压热气机进行了改造，试验测得热气机效率提高了约一个百分点，且经300小时试验考核，热气机功率稳定，动密封部件工作正常，无异常磨损，可靠性得到显著提高。

以上实施例仅用于说明本发明而非限制本发明所描述的技术方案，并不局限于以上的形式，还可以对本发明进行修改或等同的替换；一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，都将落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种常压空气热气机用工质自动补气机构，其特征在于：在连接热气机冷腔和热腔之间，即配气活塞(3)和动力活塞(1)之间的工质连接通道(4)上设置一个单向阀(2)，单向阀(2)的入口通向大气，单向阀(2)的出口与上述的工质连接通道(4)连通。

2.根据权利要求1所述的常压空气热气机用工质自动补气机构，其特征在于：单向阀(2)的设置位置尽可能靠近热气机的冷腔即配气活塞(3)端；所述单向阀(2)的启阀压力为2.1×10^-3～6.89×10^-3MPa。

3.根据权利要求1或2所述的常压空气热气机用工质自动补气机构，其特征在于：所述的单向阀(2)包括阀壳(206)、簧片(205)、滑块(204)、滤芯安装座(203)、滤芯(201)、节流元件(202)，滤芯(201)、节流元件(202)布置在单向阀(2)的进口，阀壳(206)为圆筒形结构，其内部从出口到进口依次安装有簧片(205)、滑块(204)、滤芯安装座(203)、节流元件(202)、滤芯(201)；滑块(204)侧面均匀布置有凹槽，滑块(204)下端抵靠在簧片(205)上，上端面可以与滤芯安装座(203)的底面形成良好密封，即当单向阀(2)关闭状态下，簧片(205)将滑块(204)压紧，滑块(204)上端面与滤芯安装座(203)的底面形成良好密封；滤芯安装座(203)内部布置有节流元件(202)，节流元件(202)为一端封闭的筒体结构，内布置可拆卸的滤芯(201)，在节流元件(202)的封闭端开有一个节流孔。

4.根据权利要求1或2所述的常压空气热气机用工质自动补气机构，其特征在于：所述的单向阀(2)在进口设置有一个滤芯(201)，过滤精度为0.05～0.08mm；在单向阀(2)上设置有一个节流元件(202)，节流孔直径为0.6～0.8mm。

5.根据权利要求3所述的常压空气热气机用工质自动补气机构，其特征在于：所述的滤芯(201)的过滤精度为0.05～0.08mm；节流孔直径为0.6～0.8mm。

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