CN103133179A - 一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置，属于热气机、斯特林制冷和机械传动技术领域。固定轴承、皮带轮、反向离心式棘轮、连接轴承、启动离心式棘轮沿轴向依次布置在启动轴上；可调转向电动机通过皮带将动力传递至启动轴；所述斯特林机轴套筒底部开有方孔，斯特林机轴套筒嵌套在反向离心式棘轮、连接轴承、启动离心式棘轮外并与斯特林机轴连接。本发明能够满足中小型斯特林机正向工作的启动要求，并且能够使斯特林机反向工作，成为斯特林制冷机。整个装置结构简单，安装快捷，噪音小，震动轻，能够可靠稳定地控制斯特林机正、反向工作的切换，扩展中小型斯特林机实用机和模型机的用途和应用范围。

Description

一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置

技术领域

本发明涉及一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置，属于热气机、斯特林制冷和机械传动技术领域。

背景技术

斯特林机运转平稳，噪声低，污染轻，可适应多种能源，具有循环扭矩变动量小和部分负荷特性好等优点。当为斯特林机提供热能时，斯特林机被称为热气机，它属于外燃机的一种。当为斯特林机提供机械能时，斯特林机则成为斯特林制冷机，其在制冷和低温领域具有广阔的应用前景。

随着世界化石能源的日趋短缺和全社会环境保护意识的增强，各国开始重视斯特林机的开发研究。目前斯特林机的研究正由实验阶段向实用化阶段发展，国内外出现了大量中小型斯特林机实验模型和实用机型。现有中小型斯特林机的启动通常是手动启动或者通过简易的启动装置启动，启动过程繁琐且稳定性低，而且简易的启动装置无法启动功率和启动扭矩相对较大的斯特林机。此外，尚无一套装置既能够保证斯特林机的正向启动（成为热气机）又能够为其反向工作（成为制冷机）提供动力，这导致斯特林机目前仅能单纯地作为热气机或制冷机使用，功能单一，利用率低。因此，设计一套能够保证斯特林机稳定正向启动与反向工作的装置对提高斯特林机的利用率和应用范围至关重要。

发明内容

本发明的目的是设计一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置。该装置利用一对正反向布置的离心式棘轮机构为斯特林机提供正向启动的启动力以及反向持续工作的驱动力，能够保证斯特林机可靠稳定地正向启动，又能够实现斯特林机的一机两用，解决斯特林机启动可靠性低的问题，增强斯特林机的利用率和实用性。

本发明解决技术问题的技术方案如下：

该装置包括启动轴、启动轴底座、反向离心式棘轮、启动离心式棘轮、斯特林机轴套筒、可调转向电动机；所述启动轴由主动段、挡板段和传动段组成；所述主动段通过固定轴承安装在启动轴底座上，传动段安装在传动轴承上；启动轴底座固定于设备外壳或固定试验台上，并在轴承部位安装挡油板；所述主动段通过一个键槽与启动轴皮带轮相连，所述挡板段为轴体一部分，所述传动段通过两个键槽分别与结构相同的反向离心式棘轮、启动离心式棘轮相连，反向离心式棘轮和启动离心式棘轮分居在传动轴承的两侧；所述可调转向电动机的输出轴与电动机皮带轮；电动机皮带轮与所述启动轴皮带轮之间通过皮带连接；所述斯特林机轴套筒与反向离心式棘轮、启动离心式棘轮固定连接；所述启动轴的传动段与斯特林机之间通过斯特林机轴连接。

所述反向离心式棘轮由内棘轮座和外棘轮组成；内棘轮座通过键槽与启动轴连接，外棘轮通过螺钉与斯特林机轴套筒连接；内棘轮座上设置若干组弹簧钩突柱、弹簧钩限位突柱、棘爪突柱，棘爪装套在棘爪突柱上，弹簧钩的一端与弹簧钩限位突柱固接，另一端绕过弹簧钩突柱与棘爪突柱连接。

所述棘爪与棘爪突柱为铰连接，以棘爪突柱为分割点，垂直于弹簧钩做分割线，则棘爪与弹簧钩相连部分的质量小于棘爪另一部分的质量。

所述固定轴承为角接触球轴承，所述连接轴承为深沟球轴承。

所述启动轴皮带轮和电动机皮带轮为V带轮或圆带轮。

所述弹簧钩为向内收缩式弹簧钩；所述棘爪为类月牙形棘爪。

所述启动离心式棘轮与反向离心式棘轮相对于连接轴承镜像布置。

所述斯特林机轴套筒用轻质铝合金制作，斯特林机套筒底部与斯特林机轴相连处开有方孔。

所述可调转向电动机为直流电动机。

上述离心式棘轮的应用：当使用斯特林机的系统处于不工作状态时，棘爪在弹簧钩的作用下收缩在内棘轮内。当启动轴在电动机的带动下动作时，内棘轮随启动轴转动。转动产生的离心力使得棘爪克服弹簧钩的束缚，棘爪外沿做离心运动，棘爪绕突柱转动。当棘爪外沿达到外棘轮的斜突时即完成内、外棘轮的啮合，启动轴上的转动通过棘轮传向斯特林机轴套筒。当启动轴停止动作时，离心力消失，棘爪在弹簧钩的作用下重新回到内棘轮内，实现内、外棘轮的完全分离。

上述控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置的应用：当斯特林机作为热气机时，该装置在电动机的带动下通过启动离心式棘轮的内、外棘轮啮合为热气机提供一个扭矩足够的扰动使其启动，在热气机启动结束后启动电机停止工作，内、外棘轮完全分离即启动装置与热气机完全分离，实现热气机的自主运行。当斯特林机作为斯特林制冷机使用时，该装置可在电动机的带动下通过反向离心式棘轮的内、外棘轮啮合向斯特林制冷机提供一个持续的轴输入功率使斯特林制冷机实现制冷的工作状态。改变电动机转向可分别通过启动离心式棘轮和反向离心式棘轮自由控制斯特林机的制冷端位置，即同一端可以实现制热与制冷的自由切换。

该装置与系统匹配时，所选用电动机的功率不小于斯特林机轴输出功率。

本发明具有以下积极效果和技术特征：

1．采用离心式棘轮机构，能够保证动力的单向传递，并且斯特林机自主运行时可实现斯特林机与启动装置完全分离，降低了能耗，减小了噪音和震动；

2．采用离心式棘轮机构，启动动力能够向斯特林机无损耗传递，斯特林机能够获得充足的扰动，启动稳定可靠；

3．该装置能够实现斯特林机从热气机向制冷机的切换，并可自由控制制冷端的位置。

总之，本发明结构简单，安装简单，造价低，噪音小，震动轻能，够稳定可靠的启动斯特林机，能够实现斯特林机一机两用，提高斯特林机的利用率，适用于需要斯特林机间断性提供驱动力和冷量的系统。

附图说明

图1是一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置的结构图；

图2和图3分别是离心式棘轮的俯视图和立体图；

图中标号：

1-启动轴；2-启动轴底座；3-固定轴承；4-启动轴皮带轮；5-螺钉；6-反向离心式棘轮；7-连接轴承；8-启动离心式棘轮；9-斯特林机轴套筒；10-斯特林机轴；11-电动机皮带轮；12-可调转向电动机；13-内棘轮键槽；14-内棘轮轴孔；15-内棘轮座；16-弹簧钩突柱；17-弹簧钩；18-弹簧钩限位突柱；19-棘爪突柱；20-棘爪；21-外棘轮；22-外棘轮斜突；23-螺纹孔。

具体实施方式

本发明提供了一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的结构如图1所示，该装置主要包括可调转向电动机12、启动轴1、反向离心式棘轮6、启动离心式棘轮8、斯特林机轴套筒9、斯特林机轴10几部分。

所述启动轴1由主动段、挡板段和传动段组成；启动轴1的主动段通过固定轴承3安装在启动轴底座2上，传动段安装在传动轴承7上；启动轴底座2固定于设备外壳或固定试验台上；主动段通过一个键槽与启动轴皮带轮4相连，所述挡板段为轴体一部分，所述传动段通过两个键槽分别与结构相同的反向离心式棘轮6、启动离心式棘轮8相连，反向离心式棘轮6和启动离心式棘轮8分居在传动轴承7的两侧；可调转向电动机12的输出轴与电动机皮带轮11；电动机皮带轮11与所述启动轴皮带轮4之间通过皮带连接；斯特林机轴套筒9与反向离心式棘轮6、启动离心式棘轮8固定连接，确保启动轴1的动力无损失传递至棘轮机构；启动轴1的传动段与斯特林机之间通过斯特林机轴10连接。斯特林机轴套筒9与斯特林机轴10相连的底部开有方孔，便于斯特林机轴套筒9与斯特林机轴10的连接与传动。

如图2和图3所示，反向离心式棘轮6由内棘轮座15和外棘轮21组成，内棘轮座15的中心设置内棘轮轴孔14；内棘轮座15通过内棘轮键槽13与启动轴1连接，外棘轮21通过螺钉5和螺纹孔23与斯特林机轴套筒9连接；内棘轮座15上设置若干组弹簧钩突柱16、弹簧钩限位突柱18、棘爪突柱19，棘爪20装套在棘爪突柱19上，弹簧钩17的一端与弹簧钩限位突柱18固接，另一端绕过弹簧钩突柱16与棘爪突柱19连接。弹簧钩17拉紧棘爪20，使棘爪20在非工作状态时回缩在内棘轮座15中。

以下结合图1、图2和图3，说明一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作装置的工作原理：

说明中规定：图1中斯特林机轴处箭头所示转动方向为正向转动，相反方向为反向转动；启动离心式棘轮正向转动时，为启动离心式棘轮的正向动作；反向离心式棘轮反向转动时，为反向离心式棘轮的正向动作；图1中斯特林机处所示A端、B端代表斯特林机的两个汽缸端；作为热气机叙述时，假定A端为加热端。

当斯特林机作为热气机使用时，该装置可为热气机的启动提供可靠的启动力。当该装置进入启动工作状态时，可调转向电动机12正向转动，可调转向电动机12的皮带轮11通过皮带带动启动轴1上的皮带轮4。皮带轮4带动启动轴1转动。同时，启动离心式棘轮8正向动作，棘爪20在离心力的作用下克服弹簧钩17的束缚，沿轴向运动到外棘轮21上的外棘轮斜突22处，实现内、外棘轮的啮合。启动力通过斯特林机轴套筒9从启动轴1传递至斯特林机轴10，斯特林机的启动完成。启动过程中，反向离心式棘轮6处于反向动作状态，棘爪20与外棘轮21不啮合，棘爪20光滑扫过外棘轮21，启动离心式棘轮8的内、外棘轮啮合后，反向离心式棘轮6的内、外棘轮无相对运动。启动动力的传递不会受到阻碍，整个启动过程噪音和振动较低。当斯特林机可自主、持续运转后，关闭可调转向电动机12，启动轴1随之停止转动，启动离心式棘轮8的棘爪20在弹簧钩17的作用下收回到内棘轮座15中，内、外棘轮完全分离，实现热气机在无额外负载的状态下自主运转。

当斯特林机作为制冷机使用时，该装置可为制冷机的运转提供持续的驱动力。制冷工况下，还可通过该装置的两个模式自由的控制制冷端的位置。

模式一：斯特林制冷机B端制冷。可调转向电动机12反向转动，可调转向电动机12上的电动机皮带轮11通过皮带带动启动轴1上的启动轴皮带轮4。启动轴皮带轮4带动启动轴1反向转动。反向离心式棘轮6正向动作，反向离心式棘轮6的棘爪20在离心力的作用下克服弹簧钩17的束缚，沿轴向运动到外棘轮21上的外棘轮斜突22处，实现内、外棘轮的啮合。这样，驱动力便可从启动轴1通过斯特林机轴套筒9传递至斯特林机轴10，驱动斯特林制冷机在B端制冷。此过程中，启动离心式棘轮8处于反向动作状态，启动离心式棘轮8的棘爪20与外棘轮21不啮合，棘爪20光滑扫过外棘轮21；当反向离心式棘轮6的内、外棘轮啮合后，启动离心式棘轮8的内、外棘轮不再相对运动，不会阻碍驱动动力的传递。

模式二：斯特林制冷机A端制冷。可调转向电动机12的皮带轮11通过皮带带动启动轴1上的启动轴皮带轮4。启动轴皮带轮4带动启动轴1转动。同时，启动离心式棘轮8正向动作，棘爪20在离心力的作用下克服弹簧钩17的束缚，沿轴向运动到外棘轮21上的外棘轮斜突22处，实现内、外棘轮的啮合。可调转向电动机12持续工作，驱动力持续的通过启动离心式棘轮8向斯特林制冷机传输，实现该制冷模式的动力传输。

当该装置需要检修时，只需将装置整体拆下或者只拆除轴部件，便可轻松的拆除斯特林机轴9。整个装置的问题便一目了然。因此该装置结构简单易维护，可单独检修更换部分零件也可整体更换。

本发明轴体部分采用分体嵌套结构，轴体需要布置在斯特林机的轴向上。电动机的布置相对随意，可按需要布置其位置，只需保证两个皮带轮径向在同一直线上即可。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置，包括启动轴（1）、启动轴底座（2）、反向离心式棘轮（6）、启动离心式棘轮（8）、斯特林机轴套筒（9）、可调转向电动机（12），其特征在于，

所述启动轴（1）由主动段、挡板段和传动段组成；所述主动段通过固定轴承（3）安装在启动轴底座（2）上，传动段安装在传动轴承（7）上；启动轴底座（2）固定于设备外壳或固定试验台上；

所述主动段通过一个键槽与启动轴皮带轮（4）相连，所述挡板段为轴体一部分，所述传动段通过两个键槽分别与结构相同的反向离心式棘轮（6）、启动离心式棘轮（8）相连，反向离心式棘轮（6）和启动离心式棘轮（8）分居在传动轴承（7）的两侧；

所述可调转向电动机（12）的输出轴与电动机皮带轮（11）；电动机皮带轮（11）与所述启动轴皮带轮（4）之间通过皮带连接；

所述斯特林机轴套筒（9）与反向离心式棘轮（6）、启动离心式棘轮（8）固定连接；

所述启动轴（1）的传动段与斯特林机之间通过斯特林机轴（10）连接。

2.根据权利要求1所述的一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置，其特征在于，所述反向离心式棘轮（6）由内棘轮座（15）和外棘轮（21）组成；内棘轮座（15）通过键槽与启动轴（1）连接，外棘轮（21）通过螺钉与斯特林机轴套筒（9）连接；内棘轮座（15）上设置若干组弹簧钩突柱（16）、弹簧钩限位突柱（18）、棘爪突柱（19），棘爪（20）装套在棘爪突柱（19）上，弹簧钩（17）的一端与弹簧钩限位突柱（18）固接，另一端绕过弹簧钩突柱（16）与棘爪突柱（19）连接。

3.根据权利要求1所述的一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置，其特征在于，所述固定轴承（3）为角接触球轴承，所述连接轴承（7）为深沟球轴承。

4.根据权利要求1所述的一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置，其特征在于，所述启动轴皮带轮（4）和电动机皮带轮（11）为V带轮或圆带轮。

5.根据权利要求2所述的一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置，其特征在于，所述弹簧钩（17）为向内收缩式弹簧钩；所述棘爪（20）为类月牙形棘爪。

6.根据权利要求1所述的一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置，其特征在于，所述启动离心式棘轮（8）与反向离心式棘轮（6）相对于连接轴承（7）镜像布置。

7.根据权利要求1所述的一种控制中小型斯特林机正向启动与反向工作的装置，其特征在于，所述棘爪（20）与棘爪突柱（19）为铰连接，以棘爪突柱为分割点，垂直于弹簧钩（17）做分割线，则棘爪（20）与弹簧钩（17）相连部分的质量小于棘爪另一部分的质量。

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