CN102678383A - 一种分置式自由活塞斯特林发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分置式自由活塞斯特林发动机。包括并列的具有活塞的热气缸和冷气缸；冷气缸的顶部连通着回热器；与热活塞底部对应的热气缸内装有热端弹簧；与冷活塞底部对应的冷气缸内装有线圈箍，线圈箍呈轮毂状，且与冷气缸轴向同轴，线圈箍外部套装有线圈和冷端弹簧；冷活塞底部开设有螺纹孔，与螺纹孔配合连接着安装柱，安装柱下部的柱体上开设有磁铁安装槽，每个磁铁安装槽内均装有磁铁块；且安装柱下部插设于线圈箍内。本发明的运行机理偏向于热声式斯特林发动机机理，即由循环不可逆性引起的传热滞后导致热力学与动力学的相位差，通过这个相位差构建成为等温膨胀，等容降温，等温压缩，等容升温四个热力学过程组成的斯特林循环。

Description

一种分置式自由活塞斯特林发动机

技术领域

 本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种自由活塞斯特林发动机。

背景技术

由于低碳环保逐渐成为国际社会的共识，斯特林发动机作为环保型引擎，除了利用太阳能和地热能发电的前景可期之外，在其他能源领域利用方面也深具潜力，在新的能源时代，它势必扮演更全面的角色。斯特林发动机的理想热力循环由等容加热、等温膨胀、等容冷却、等温压缩各过程构成，其实际循环受机械动力、传热和工质流动损失等方面因素影响，是偏离理论循环的。斯特林发动机采用分置式结构，可以有效地避免穿梭损失和导热损失。传统斯特林发动机的热力学平衡和动力学平衡是通过曲柄连杆机构所提供的压力相角联系在一起，而分置式斯特林发动机不能由机械结构保证运动相角，其动力学和热力学分析密不可分，必须建立以活塞位移量为中心来耦合热力学平衡和动力学平衡的动力学分析模型。

国内外斯特林发动机发展状况：第一阶段：提出以空气为工质的斯特林发动机的概念，并发展小型发动机。飞利浦公司对102C型斯特林发动机进行大量研究，到1954年共生产了100台发电机组。第二阶段：发展斯特林循环制冷机。1955年，按斯特林循环原理工作的制冷机在飞利浦公司投产；1963年，斯特林循环制冷机的制冷温度达12K。斯特林循环制冷机还被用于高空红外线照相技术。第三阶段：发展菱形传动机构的单作用、配气活塞式发动机。1953年，罗尔夫梅耶发明了用于斯特林发动机的菱形传动机构。采用菱形传动机构，可以保证活塞做直线运动，活塞不受气缸侧推力的作用，易对活塞和活塞杆进行密封，因此可以大幅度地提高工质的循环压力。此外，采用氢气或者氦气作为工质，提高了热交换效果，而且大大降低了工质的流动损失，是发动机效率提高到了50%。第四阶段：发展斜盘传动的双作用发动机。飞利浦公司于1968年设计了4-65型双作用式发动机，该发动机是斜盘传动的四缸双作用式斯特林发动机，其主要目的是确定斜盘传动机构的摩擦损失、验证斜盘传动机构轴承的可靠性以及发动机的功率调节功能，试验结果表明其性能良好，达到设计目标。联合斯特林发动机公司与美国STM公司合作，研制了V160型斯特林发动机发电机组。发动机的结构呈90°V型布置，是双缸双活塞发动机，用氦气为工质，该机组被安装在家用旅行车上，作为空调、照明和炊事的电力源。虽然斜盘传动的斯特林发动机减少了部分活塞侧向摩擦损失，但是斜盘处的摩擦损失骤升，而且其机械结构复杂，加工成本大。自由活塞斯特林发动机没有运动学部件连接循环部件，一般使用机械式弹簧或是气弹簧来保持运动的周期性，其具有以下优势：机械结构设计简单故可降低成本，没有任何机械侧压力作用在活塞上从而减少了活塞环的磨损保证了长时间工作的能力。保持自由运动能让它非常适合在高可靠性为基础的系统中得应用，例如工业废热发电，乡村热电联产，空间站功率系统，人工心脏及偏远地区电力发电机等。自由活塞斯特林发动机主要能量损失有不可逆过程损失，回热器径向导热损失，穿梭损失等，由于分置式的自由活塞斯特林发动机能有效减少穿梭损失，故本设计采取了分置式的自由活塞斯特林发动机结构。

发明内容

分置式斯特林发动机的动力活塞直接连接直线发电机，通过往复运动输出电能。建立分置式斯特林发动机耦合电磁力的动力学模型并进行仿真研究，对于斯特林发动机的设计及运行参数的选择，提高其循环热效率，具有十分重要的工程意义。

一种分置式自由活塞斯特林发动机包括并列设置在底座上的热气缸3和冷气缸9，热气缸3内设有热活塞11，冷气缸9内设有冷活塞14，冷气缸9下部一侧设有充气阀接头10；热气缸3和冷气缸9的下部之间由缓冲腔19连通，热气缸3顶部设有热腔上端盖2，热气缸3顶面和热腔上端盖2底面之间设有余隙腔18，热腔上端盖2上设有两根以上倒U形的加热弯管1，两根以上倒U形的加热弯管1的两端分别连通着余隙腔18；冷气缸9的顶部设有冷腔上端盖8，冷腔上端盖8上连通着回热器6的底部，回热器6内填充有不锈钢丝，填充率为50%-80%；回热器6的顶部连通着连接管5的一端，连接管5的另一端位于热腔上端盖2内，且连通着热腔上端盖余隙腔18；其特征在于：与热活塞11底部对应的热气缸3内设有热端弹簧12，热端弹簧12的上端与热活塞11底部接触；与冷活塞14底部对应的冷气缸9内设有线圈箍16，线圈箍16呈轮毂状，且与冷气缸9轴向同轴，线圈箍16外部套设有线圈和冷端弹簧13，冷端弹簧13的上端与冷活塞14底部接触；所述冷活塞14底部设有螺纹孔，与螺纹孔配合连接着安装柱15，安装柱15下部的柱体上开设有一个以上的磁铁安装槽21，所述磁铁安装槽21内设有磁铁块；且安装柱15下部插设于线圈箍16内；所述热活塞11和冷活塞14头部分别开设有两条以上的活塞环槽。

所述安装柱15为胶木柱；安装柱15下部的柱体上开设有两个磁铁安装槽21。

所述热活塞11和冷活塞14头部分别开设有三条活塞环槽。

 本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本斯特林发动机实现使能量由太阳能通过机械能再向电能转换。为发动机实现真正的零污染零排放提供了又一可能的途径。当外部热源温度为300℃，冷缸为常温时，考虑本设计的死容积：即加热管内容积，热腔余隙容积及回热器内部孔隙率之和，本斯特林发动机仍能实现40%的热效率；

2.本发明总体布置合理，由于冷热活塞都是轴向自由振动，故没有横向载荷，减少阻尼。热活塞初始位置在气缸顶部使得余隙容易得到降低并能提高循环效率。回热器的横向布置能减少气体受热膨胀后流动的不规则性从而降低流阻。磁电部分设计在冷活塞段则能保护不耐热的线圈。

附图说明

图1为本发明外观示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图3的B-B剖视图。

图5为热腔和加热管处局部剖视图。

上图中序号：加热弯管1、热腔上端盖2、热气缸3、底座4、连接管5、回热器6、回热器变径接头7、冷腔上端盖8、冷气缸9、充气阀接头10、热活塞11、热端弹簧12、冷端弹簧13冷活塞14、安装柱15、线圈箍16、余隙腔18、缓冲腔19、不锈钢丝网填充腔20、磁铁安装槽21。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例：

参见图1、图2和图3，一种分置式自由活塞斯特林发动机包括并列安装在底座4上的热气缸3和冷气缸9，热气缸3内装有热活塞11，冷气缸9内装有冷活塞14，热活塞11和冷活塞14头部分别开设有三条活塞环槽。冷气缸9下部一侧安装有充气阀接头10；热气缸3和冷气缸9的下部之间由缓冲腔19连通，热气缸3顶部装有热腔上端盖2，热气缸3顶面和热腔上端盖2底面之间设有余隙腔18，热腔上端盖2上装有四根倒U形的加热弯管1，四根倒U形的加热弯管1的两端分别连通着余隙腔18；冷气缸9的顶部装有冷腔上端盖8，冷腔上端盖8上连通着回热器6的底部，回热器6内填充有不锈钢丝，填充率为70%。回热器6的顶部连通着连接管5的一端，连接管5的另一端位于热腔上端盖2内，且连通着余隙腔18。与热活塞11底部对应的热气缸3内装有热端弹簧12，热端弹簧12的上端与热活塞11底部接触；与冷活塞14底部对应的冷气缸9内装有线圈箍16，线圈箍16呈轮毂状，且与冷气缸9轴向同轴，线圈箍16外部套装有线圈和冷端弹簧13，冷端弹簧13的上端与冷活塞14底部接触。冷活塞14底部开设有螺纹孔，与螺纹孔配合连接着安装柱15，安装柱15为胶木柱；安装柱15下部的柱体上开设有两个磁铁安装槽21，每个磁铁安装槽21内均装有磁铁块；且安装柱15下部插设于线圈箍16内。

本发明的运行机理偏向于热声式斯特林发动机，即由循环不可逆性引起的传热滞后所导致的热力学与动力学的相位差，通过这个相位差来构建成等温膨胀，等容降温，等温压缩，等容升温四个热力学过程组成的斯特林循环。

本发明的具体工作原理如下：

空气经过空气压缩机压缩至20个大气压后储存于压缩空气瓶组中，经减压器减压到10Bar以上的一个值，从充气阀接头10输入至本发明的斯特林发动机中，并通过缓冲腔19中间位置的压力表数值来调整空压机通电时间来调整腔内工质压力。由于活塞环槽部分的气体流通，使发动机上下两部分压力都达到输气压力。通过热风机将热流吹在四根加热弯管1上，如图5所示。四根加热弯管1的高度依次增加，这样热流可以流过每根加热管，加热面积大，故能提高加热效率。热腔上端盖2内工质气体受热膨胀扩散推动热活塞11向下运动，同时有一部分热工质气体通过余隙腔18经连接管5进入回热器6，与回热器6内填充的不锈钢丝网换热，将热量储存在回热器中，进入冷腔并与冷腔工质气体进行混合。由于热端弹簧12和冷端弹簧13的作用，冷活塞14滞后于热活塞11一段时间从平衡位置开始向上运动，将冷端气体压入回热器6，并吸收存储于其内不锈钢丝的热量，然后输入热气缸3。在热端弹簧12和冷端弹簧13的作用下，当热端弹簧12回复力大于热腔的压力时，热活塞11开始减速，并达到下止点之后反向，将热端空气通过回热器6储存热量后返回到冷气缸9。冷活塞14在冷端弹簧13回复力大于冷腔压力时开始减速，并达到下止点之后反向向上运动，将冷端空气通过回热器6吸收其中储存的热量后返回到热气缸3。

一般说来，回热器6的回热过程是不可逆的，由于回热过程的不可逆性所产生的传热滞后会导致动力学和热力学上的相位差，所以冷活塞14的相位滞后于热活塞11一定角度。通过冷活塞14的往复运动，安装柱15上的磁铁块的磁力线与绕在线圈箍16外的线圈产生相对运动，由此产生电能，并通线圈末端对外输出电能。

当外部热源为300℃，冷气缸9为常温时，考虑到本设计的死容积：即加热弯管1内容积、余隙腔18容积和回热器内部空隙体积之和，本发明斯特林发动机仍有40%的热效率。

Claims (3)

1.一种分置式自由活塞斯特林发动机，包括并列设置在底座上的热气缸（3）和冷气缸（9），热气缸（3）内设有热活塞（11），冷气缸（9）内设有冷活塞（14），冷气缸（9）下部一侧设有充气阀接头（10）；热气缸（3）和冷气缸（9）的下部之间由缓冲腔（19）连通，热气缸（3）顶部设有热腔上端盖（2），热气缸（3）顶面和热腔上端盖（2）底面之间设有余隙腔（18），热腔上端盖（2）上设有两根以上倒U形的加热弯管（1），两根以上倒U形的加热弯管（1）的两端分别连通着余隙腔（18）；冷气缸（9）的顶部设有冷腔上端盖（8），冷腔上端盖（8）上连通着回热器（6）的底部，回热器（6）内填充有不锈钢丝，填充率为50%-80%；回热器（6）的顶部连通着连接管（5）的一端，连接管（5）的另一端位于热腔上端盖（2）内，且连通着热腔上端盖余隙腔（18）；其特征在于：与热活塞（11）底部对应的热气缸（3）内设有热端弹簧（12），热端弹簧（12）的上端与热活塞（11）底部接触；与冷活塞（14）底部对应的冷气缸（9）内设有线圈箍（16），线圈箍（16）呈轮毂状，且与冷气缸（9）轴向同轴，线圈箍（16）外部套设有线圈和冷端弹簧（13），冷端弹簧（13）的上端与冷活塞（14）底部接触；所述冷活塞（14）底部设有螺纹孔，与螺纹孔配合连接着安装柱（15），安装柱（15）下部的柱体上开设有一个以上的磁铁安装槽（21），所述磁铁安装槽（21）内设有磁铁块；且安装柱（15）下部插设于线圈箍（16）内；所述热活塞（11）和冷活塞（14）头部分别开设有两条以上的活塞环槽。

2.根据权利要求1所述的一种分置式自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述安装柱（15）为胶木柱；安装柱（15）下部的柱体上开设有两个磁铁安装槽（21）。

3.根据权利要求1所述的一种分置式自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述热活塞（11）和冷活塞（14）头部分别开设有三条活塞环槽。

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