CN103306850B - 一种斯特林发动机换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斯特林发动机换热器，包括换热器外壳，换热器外壳呈圆筒状结构，换热器外壳内设有球状体，球状体充满整个换热器外壳内部，球状体之间两两相互接触连接形成换热器本体，换热器外壳的内壁与换热器本体外侧面固定连接，球状体可以由不锈钢或者铜制成，换热器本体由球状体热压成型制成。因此，本发明具有如下有益效果：换热器本体制造、加工成本很低；气体与换热器本体内的球状体的接触面积非常大，换热面积大，热交换效率很高；气体经过换热器本体时，不存在边缘效应，减小边缘热损失，提高热交换效率；流经换热器本体的气流均匀稳定，与球状体表面接触充分，换热效率高。

Description

一种斯特林发动机换热器

技术领域

本发明涉及一种斯特林发动机，尤其涉及一种斯特林发动机换热器。

背景技术

换热器是斯特林发动机的重要部件，加热、冷却、回热都需要经过换热器，斯特林发动机具有较高的热能与机械能之间转换效率，而热能与机械能之间的热交换的效率最主要取决于换热器的热交换效率。目前，斯特林发动机加热普遍采用管式换热器、翅片式换热器或者丝网结构换热器，冷却主要是用水冷换热器，回热都用蓄热式换热器。综合平衡换热器通流容积、工质流阻损失、热交换能力三者的矛盾，是各类换热器必须遵循的原则。常见的典型的斯特林发动机换热器包括一个外筒，外筒内设置多层的金属丝网，为了增大气体与换热器之间的换热面积，金属丝网上的孔目非常致密，而且多大数百层的金属丝网通过焊接叠合在一起，然后与外筒焊接固定，同时由于换热器内的气体压力很大，为了防止金属丝网拱起变形，保证金属丝网的使用寿命，每层金属丝网当都紧密贴合后焊接成一体，并且为了减小气体阻力，每层金属丝网的孔位都一一对应，该种结构的换热器内的金属丝网的制造加工成本非常昂贵，焊接技术复杂，从而导致整个斯特林发动机的成本很高，不利于推广使用；金属丝网周围与外筒焊接的缝隙远大于孔目的间隙，当气体经过金属丝网的时候，金属丝网中心的阻力较周围的阻力大，因此有较多的气体从周围的间隙中通过换热器，造成边缘效应，导致热交换效率低；由于每层金属丝丝网的孔位一一对应，构成直孔通道，气体从最上层的金属丝网经过直孔通道后达到最下层的金属丝网，整个过程中气体与金属丝网的接触面积也较小，热交换面积小，而且气流不稳定，严重影响换热器的热交换效率。因此如何降低换热器的制造成本，最大限度的增加换热面积，提高热交换效率是设计斯特林换热器的一个重点、难点。

例如：中国专利申请公告号：CN102086820A，申请公布日2011年6月8日，公开了一种斯特林热机环形换热器，包括一个环形换热器主体及其两端各有的多个连接管；环形换热器内呈中心对称分布换热通道两条以上，对称中心是中央通道中心，各换热通道两端各有一个连接管，换热通道之间的换热壁内有多个换热孔，环形换热器表面布满换热片。将多个工作腔斯特林热机各自独立的换热器合为一体，满足了处于各热力学过程的工作腔的换热需求；有效增大了换热器与热源间的换热面积，增强了换热能力，完全可以用风冷系统取代现有的水冷系统；尤其是用于斯特林可逆热机，空间利用充分，整机体积更小。其不足之处是该种换热器仍然是采用换热片来实现增大换热面积的效果，整个换热器制造成本仍然很高，同时依靠增加换热孔和换热通道来提高热交换效率，并没有从根本上解决换热器换热效率低的难题，换热效率仍然较低。

发明内容

本发明为了克服现有技术中的斯特林发动机换热器制造成本高，换热面积小，热交换效率低的不足，提供了一种结构简单、成本低，换热面积显著增加，换热效率高的斯特林发动机换热器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种斯特林发动机换热器，包括换热器外壳，所述的换热器外壳呈圆筒状结构，所述的换热器外壳内设有球状体，所述的球状体充满整个换热器外壳内部，所述的球状体之间两两相互接触连接形成换热器本体，所述的换热器外壳的内壁与换热器本体外侧面固定连接。球状体两两相切连接组合成一个圆柱状的空间结构，即为换热器本体，与常见的翅片形换热器比较，球状体加工非常简单、加工成本低，整体制造成本非常低，从而使得斯特林发动机便于推广使用；气体经过换热器本体的时候与球状体的外表面的接触面积非常大，换热面积非常大，换热效率非常高；换热器本体整体结构均匀，与换热器外壳之间的连接也均匀，气体经过换热器本体一端的时候受到的阻力均匀，不存在边缘效应，热交换效率也提高了；气体从换热器本体的一端流向另一端的时候，气体的路线不是直线，会在不同的球状体表面多次反射，气流均匀稳定，从而保证足够的热交换面积。总之，与现有技术中的各种换热器比较，该种结构的换热器极大的降低了整体成本，促进了斯特林发动机的推广使用，并从根本上解决了换热面积小，热交换效率低的难题。

作为优选，所述的球状体包括第一球状体和第二球状体，所述的第一球状体的半径大于第二球状体的半径，所述的换热器本体包括第一换热器本体和第二换热器本体，所述的第一球状体相互连接在一起形成第一换热器本体，所述的第一换热器本体整体呈圆柱状并设置在换热器外壳的中心部位，所述的第一换热器本体的轴线与换热器外壳的轴线同轴，所述的第二球状体相互连接在一起形成第二换热器本体，所述的第二换热器本体呈圆管状，第二换热器本体的内壁与第一换热器本体的外侧面固定连接，第二换热器本体的外侧面与换热器外壳的内侧面固定连接。换热器外壳边缘处的气体整体而言较中间气体与换热器本体之间的换热面积小，因此把换热器本体分为第一换热器本体和第二换热器本体，第一球状体的半径大于第二球状体的半径，从而使得第一换热器本体内的第一球状体之间的空隙比第二换热器本体内的第二球状体之间的间隙大，气体经过换热器本体一端的时候，第二换热器本体内对气体阻力比第一换热器本体对气体的阻力大，从而大部分气体都是从第一换热器本体内穿过换热器，第二换热器本体内经过的气体较少，因此能减小气体与换热器外壳之间的热交换，减少热损失，该种结构的换热器本体在消除边缘效应的同时进一步提高了第一换热器本体的换热效率，从而提高换热器的整体换热效率。

作为优选，所述的球状体由不锈钢或铜合金制成。不锈钢或者铜合金材料都是一种常见的材料，不锈钢成本低，吸热、导热效率高，强度大；铜合金的成本虽然比不锈钢稍微高一点，然而铜合金的热传递效率比不锈钢高很多，有利于换热器本体快速的吸热或放热，提高热交换效率，与金属丝网结构或者翅片结构的换热器比较，材料成本、加工制造成本很大程度的降低了。

作为优选，所述的第一球状体由铜合金制成，所述的第二球状体由不锈钢或铸铁制成。第一换热器本体置于第二换热器本体内，第二换热器本体的外侧与换热器外壳固定连接，为了减小换热器本体与换热器外壳之间的热交换，第二球状体采用导热性能较小的不锈钢或者铸铁制成，第一球状体采用导热能力较强的铜合金制成，从而最大程度的增强换热器本体中间部位的热交换能力，减小气体与换热器外壳之间的热交换，从而提高换热器的整体换热效率，减小热损失。

作为优选，第一换热器本体的横向中心部位设有缓冲层，所述的缓冲层包括第三球状体，所述的第三球状体相互连接在一起形成缓冲层，所述的缓冲层的两端端面与第一换热器本体固定连接，所述的缓冲层的侧面与第二换热器本体固定连接，所述的第三球状体的半径小于第一球状体的半径，第三球状体的半径大于第二球状体的半径。缓冲层中的第三球状体的直径比第一球状体的直径小而比第二球状体的直径大，当气体经过换热器本体一端的时候，由于第二换热器本体的阻力比第一换热器本体的阻力大，因此大量的气体从第一换热器本体的内经过，为了延长气体与第一球状体之间充足的接触时间，保证气体与第一球状体之间充足的热交换，缓冲层内的间隙比第一换热器本体内的间隙小，因此气体从第一换热器本体一侧进入后遇到缓冲层的时候阻力增大，气体的速度会经过缓冲稍微降低一点，从而保证充足的热交换时间，提高热交换效率，同时缓冲层内的间隙比第二换热器本体内的间隙大，这样就能保证大部分气体仍然是从第一换热器本体内穿过的，不会因为缓冲层的阻力而进入第二换热器本体内。

作为优选，所述的第三球状体由不锈钢或者铸铁制成。当气体从第一换热器本体的一端进入后，高温气体的热量被第一换热器内的一端的第一球状体吸收，由于第一球状体是相互连接的，第一球状体之间也能够相互传递热量，而且是由铜合金制成的，热传递较快，第一换热器本体一端的第一球状体吸收热量后会把热量传递到另一端的第一球状体上，而气体从第一换热器的一端进入另一端的时候，第一换热器另一端的第一球状体已经带有热量，气体经过第一换热器另一端的时候，另一端的第一球状体的吸热效果就比较差，从而会影响第一球状体与气体之间的热交换，在第一换热器本体的中间设置有缓冲层，第一换热器本体内的第一球状体由铜合金制成，第三球状体由不锈钢或者铸铁制成，不锈钢和铸铁的热传递能力比铜合金的热传递能力差，缓冲层把第一换热器本体分隔成两部分，分别位于缓冲层的两端，位于换热器外壳一端的第一换热器本体在缓冲层的阻隔下，减慢了两端的第一球状体之间的热传递，从而气体从换热器的一端进入，从另一端出来之后相当于经过二次热交换，热交换效率高。

作为优选，换热器本体由球状体热压成型制成。球状体装满换热器外壳，然后换热器两端用压板压紧，整体放入高温炉内，相邻的两颗球状体之间的接触面在高温作用下发生熔融，冷却后就紧密的连接在一起，同时球状体与换热器外壳内侧壁之间也相互固定连接在一起，整个制造非常简单，加工成本低，而且稳定、可靠。

因此，本发明具有如下有益效果：（1）球状体的取材、加工都非常方便，成本很低，很大程度的降低了换热器的生产制造成本，便于推广使用；（2）气体与换热器本体内的球状体的接触面积非常大，换热面积大，热交换效率很高；（3）换热器本体的中心与周围的结构相同，不存在边缘效应，减小边缘热损失，热交换效率高；（4）流经换热器本体的气流均匀稳定，与球状体表面接触充分，换热效率高。

附图说明

图1为本发明的第一种结构示意图。

图2为图1的侧剖图。

图3为本发明的第二种结构示意图。

图4为图3的侧剖图。

图5为本发明的第三种结构侧剖图。

图中：换热器外壳1  球状体2  换热器本体3  第一球状体4  第二球状体5  第一换热器本体6  第二换热器本体7  缓冲层8  第三球状体9。

具体实施方式

    下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

实施例1：如图1和图2所示的一种斯特林发动机换热器，包括换热器外壳1，换热器外壳1呈圆筒状结构，换热器外壳1内设有球状体2，球状体2充满整个换热器外壳1内部，球状体2之间两两相互接触连接形成换热器本体3，换热器外壳1的内壁与换热器本体3外侧面固定连接，球状体2可以由不锈钢或者铜合金制成，本实施例中采用不锈钢制成，换热器本体3由球状体2热压成型制成，即在换热器外壳内塞满球状体，然后换热器外壳的两端通过压板压紧一起放入高温炉中，高温炉的温度在1000摄氏度左右，此时相邻的两颗不锈钢制成的球状体的接触点在压力作用下上会熔融变形，换热器外壳以及球状体冷却后就会固定连结成一体，整体连接强度非常稳定。不锈钢制成的球状体加工非常简单、成本低，整体制造成本非常低，从而使得斯特林发动机便于推广使用；气体从换热器本体的一端流向另一端的时候，气体的路线不是直线，会在不同的球状体表面多次反射，气流均匀稳定，气体经过换热器本体的时候与球状体的外表面的接触面积非常大，换热面积非常大，换热效率非常高；换热器本体整体结构均匀，与换热器外壳之间的连接也均匀，气体经过换热器本体一端的时候受到的阻力均匀，不存在边缘效应，热交换效率极大的提高了。

实施例2：如图3和图4所示的一种斯特林发动机换热器，包括换热器外壳1，换热器外壳1呈圆筒状结构，换热器外壳1内设有球状体2，球状体2充满整个换热器外壳1内部，球状体2之间两两相互接触连接形成换热器本体3，换热器外壳1的内壁与换热器本体3外侧面固定连接，球状体2包括第一球状体4和第二球状体5，第一球状体4的半径大于第二球状体5的半径，换热器本体3包括第一换热器本体6和第二换热器本体7，第一球状体4相互连接在一起形成第一换热器本体6，第一换热器本体6整体呈圆柱状并设置在换热器外壳的中心部位，第一换热器本体6的轴线与换热器外壳1的轴线同轴，第二球状体5相互连接在一起形成第二换热器本体7，第二换热器本体7呈圆管状，第二换热器本体7的内壁与第一换热器本体6的外侧面固定连接，第二换热器本体7的外侧面与换热器外壳1的内侧面固定连接，本实施例中，第一球状体4由铜合金制成，第二球状体5由不锈钢制成，换热器外壳边缘处的气体整体而言较中间气体与换热器本体之间的换热面积小，因此把换热器本体分为第一换热器本体和第二换热器本体，第二换热器本体套在第一换热器本体的外周，第一球状体之间的间隙比第二球状体之间的间隙大，气体经过换热器本体一端的时候，换热器本体周围的气体阻力较中间的气体阻力大，从而大部分气体都是从第一换热器本体内穿过，第二换热器本体内经过的气体较少，从而尽可能的减小气体与换热器外壳之间的热交换，减少热损失，该种结构的换热器本体在消除边缘效应的同时进一步提高中换热器中间部位的换热效率，从而提高换热器的整体换热效率。第一换热器本体和第二换热器本体也是通过热压成型制成，现在换热器外壳内如放入一个用白蜡制成的薄壁套筒，然后把第一球状体和第二球状体慢慢的分别转入薄壁套筒的内侧和外侧，直到装满整个加热器外壳，然后然后换热器外壳的两端通过压板压紧一起放入高温炉中，压板上开有小孔，白蜡制成的薄壁套筒在高温炉内融化后从小孔处流出来，冷却后，第一球状体、第二球状体和换热器外壳就紧密连结成一体，制造非常方便，成本很低。

实施例3：如图5所示的一种斯特林发动机换热器，包括换热器外壳1，换热器外壳1呈圆筒状结构，换热器外壳1内设有球状体2，球状体2充满整个换热器外壳1内部，球状体2之间两两相互接触连接形成换热器本体3，换热器外壳1的内壁与换热器本体3外侧面固定连接，球状体2包括第一球状体4和第二球状体5，第一球状体4的半径大于第二球状体5的半径，换热器本体3包括第一换热器本体6和第二换热器本体7，第一球状体4相互连接在一起形成第一换热器本体6，第一换热器本体6整体呈圆柱状并设置在换热器外壳的中心部位，第一换热器本体6的轴线与换热器外壳1的轴线同轴，第二球状体5相互连接在一起形成第二换热器本体7，第二换热器本体7呈圆管状，第二换热器本体7的内壁与第一换热器本体6的外侧面固定连接，第二换热器本体7的外侧面与换热器外壳1的内侧面固定连接，第一换热器本体6的横向中心部位设有缓冲层8，缓冲层8包括第三球状体9，第三球状体9相互连接在一起形成缓冲层8，缓冲层8的上下端面与第一换热器本体6固定连接，缓冲层8的侧面与第二换热器本体7固定连接，第三球状体9的半径小于第一球状体4的半径，第三球状体9的半径大于第二球状体5的半径，第三球状体9由不锈钢或者铸铁制成。缓冲层内的间隙比第一换热器本体的间隙小，当气体经过换热器本体上端的时候，大量的气体从第一换热器本体内经过，为了延长气体与第一球状体之间充足的接触时间，保证气体与第一球状体之间充足的热交换，缓冲层能增大气体阻力增大，气体的速度会经过缓冲稍微降低一点，从而保证充足的热交换时间，提高热交换效率，而缓冲层内的间隙比第二换热器本体内的间隙大，这样就能保证大部分气体仍然是从第一换热器本体内穿过的，不会因为缓冲层的阻力而进入第二换热器本体内。因为第一球状体是相互连接的，第一球状体之间也能够相互传递热量，而且是由铜合金制成的，热传递较快，第一换热器本体上端的第一球状体吸收热量后会把热量传递到下端的第一球状体上，而气体从第一换热器的上端进入下端的时候，第一换热器下端的第一球状体已经带有热量，气体经过第一换热器下端的时候，下端的第一球状体的吸热效果就比较差，从而会影响第一球状体与气体之间的热交换，缓冲层内的第三球状体由铸铁制成，铸铁的热传递能力比铜合金的热传递能力差很多，因此缓冲层能减缓第一换热器本体上端与下端之间的热传递，气体从换热器的上端进入，从下端出来之后相当于经过二次热交换，热交换效率高。

Claims (5)

1.一种斯特林发动机换热器，包括换热器外壳（1），其特征是，所述的换热器外壳（1）呈圆筒状结构，所述的换热器外壳（1）内设有球状体（2），所述的球状体（2）充满整个换热器外壳（1）内部，所述的球状体（2）之间两两相互接触连接形成换热器本体（3），所述的换热器外壳（1）的内壁与换热器本体（3）外侧面固定连接；所述的球状体（2）包括第一球状体（4）和第二球状体（5），所述的第一球状体（4）的半径大于第二球状体（5）的半径，所述的换热器本体（3）包括第一换热器本体（6）和第二换热器本体（7），所述的第一球状体（4）相互连接在一起形成第一换热器本体（6），所述的第一换热器本体（6）整体呈圆柱状并设置在换热器外壳的中心部位，所述的第一换热器本体（6）的轴线与换热器外壳（1）的轴线同轴，所述的第二球状体（5）相互连接在一起形成第二换热器本体（7），所述的第二换热器本体（7）呈圆管状，第二换热器本体（7）的内壁与第一换热器本体（6）的外侧面固定连接，第二换热器本体（7）的外侧面与换热器外壳（1）的内侧面固定连接；换热器本体（3）由球状体（2）热压成型制成。

2.根据权利要求1所述的一种斯特林发动机换热器，其特征是，所述的球状体（2）由不锈钢或铜合金制成。

3.根据权利要求1所述的一种斯特林发动机换热器，其特征是，所述的第一球状体（4）由铜合金制成，所述的第二球状体（5）由不锈钢或铸铁制成。

4.根据权利要求1或3所述的一种斯特林发动机换热器，其特征是，第一换热器本体（6）的横向中心部位设有缓冲层（8），所述的缓冲层（8）包括第三球状体（9），所述的第三球状体（9）相互连接在一起形成缓冲层（8），所述的缓冲层（8）的两端端面与第一换热器本体（6）固定连接，所述的缓冲层（8）的侧面与第二换热器本体（7）固定连接，所述的第三球状体（9）的半径小于第一球状体（4）的半径，第三球状体（9）的半径大于第二球状体（5）的半径。

5.根据权利要求4所述的一种斯特林发动机换热器，其特征是，所述的第三球状体（9）由不锈钢或者铸铁制成。