CN104389694A - 一种冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机，包括加热器(1)、连板(2)、热交换器(3)、机架(11)、斜盘机构(21)、活塞组(22)，所述的活塞组(22)为4个，每个活塞组(22)包括冷活塞腔和热活塞腔，所述的热活塞腔内设有热活塞(15)，所述的冷活塞腔内设有冷活塞(19)，所述的冷活塞(19)的活塞头与所述的热活塞(15)的活塞杆连接；热活塞腔的上腔与所述的加热器(1)的一端连接，所述的加热器(1)的另一端连接热交换器(3)的一端，所述的热交换器(3)的另一端与活塞组(22)的冷活塞腔的下腔连接。本发明采用独立的冷活塞腔和热活塞腔，缸体与活塞杆处于等温变形，滑动密封效果得到改善，并提高了热力循环系统的运行效率。

Description

一种冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机
技术领域
本发明涉及外燃式发动机技术领域，具体的说是涉及一种冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机。
背景技术
斯特林发动机靠外部热源供能且对热源品质要求不高，凡是热源温度达到450℃以上均可作为斯特林发动机的热源。因此，在现阶段能源利用与开发中有着重要的应用，特别是以生物质和太阳能等清洁能源供能，并将斯特林发动机与发电机组成的发电设备具有非常好的应用前景。
斯特林发动机是闭式热循环系统，现有的四缸双作用斯特林发动机，气缸中的活塞兼具压缩活塞和膨胀活塞的作用，即活塞头部和尾部分别是热腔和冷腔。然而，斯特林发动机正常工作时热腔工质温度在800℃左右，活塞运动过程中存在很高的温差和压差，活塞头部的密封圈在冷热交变作用下极易损坏。同时由于气缸体和活塞的穿梭导热以及热腔气体向冷腔的泄漏均导致冷腔温度升高，从而影响系统运行效率。并且温差交变会导致活塞杆与缸体的滑动密封失效从而导致内部工质的泄漏。
发明内容
为了解决四缸双作用的斯特林发动机存在的上述技术问题，本发明提供一种冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机。本发明具有活塞恒温和无穿梭导热，从而有效提高运行效率，同时可以有效改善因交变温差引起的密封失效问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机，包括加热器、连板、热交换器、机架、斜盘机构、活塞组，所述的活塞组为4个，每个活塞组包括冷活塞腔和热活塞腔，所述的热活塞腔内设有热活塞，所述的冷活塞腔内设有冷活塞，所述的冷活塞的活塞头与所述的热活塞的活塞杆连接；热活塞腔的上腔与所述的加热器的一端连接，所述的加热器的另一端连接热交换器的一端，所述的热交换器的另一端与活塞组的冷活塞腔的下腔连接。
上述的冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机中，所述的连扳呈十字外形且设有八个圆孔，圆孔呈90°夹角分布四个且有内外两层，连板通过螺栓固定在机架上；所述的加热器(1)包括金属管束、热腔体和回热腔体，金属管束的两端分别与热腔体和回热腔体连接，热腔体通过螺栓固定在连扳端面，且热腔体与连板的内层圆孔轴线对正，回热腔体通过螺栓固定在连板的外层圆孔位置，并与热腔体呈90°夹角，加热器依次在连扳上固定四个。
上述的冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机中，所述的活塞组包括热腔端、热活塞、冷活塞、冷腔体和冷腔端盖，所述的热腔端盖设有圆孔和通气孔，热腔端盖通过螺栓固定在连板上，由连板的内层单个圆孔、热腔体和热腔端盖组成热活塞腔，所述热活塞安装有活塞环，热活塞安装在所述的热活塞腔内并通过活塞环滑动密封，所述的热活塞的活塞杆与所述的热腔端盖的圆孔通过密封圈滑动连接；所述的冷腔体是个圆孔，圆孔底部设有通气孔，所述圆孔与连板的内层圆孔位置相对应，冷腔体通过螺栓固定在机架上；所述的冷腔端盖设有圆孔和通气孔，冷腔端盖通过螺栓固定在冷腔体上，由冷腔体的单个圆孔和冷腔端盖组成冷活塞腔，所述的冷活塞的活塞头设有环槽，冷活塞的环槽中安装有活塞环，冷活塞安装在冷活塞腔内并通过活塞环滑动密封，冷活塞的活塞杆与冷腔端盖的圆孔通过密封圈滑动连接。
上述的冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机中，所述热交换器包括回热器、冷却器、壳体和端盖，所述的回热器安装在连板的外层圆孔内，通过壳体的圆孔进行固定，所述壳体采用螺栓固定在连板上，冷却器安装在壳体中，并通过端盖进行密封和固定。
上述的冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机中，所述对侧的活塞组的热腔端盖的通气孔采用热腔连管进行连通；所述的冷腔体的四个圆孔底部设有通气孔，对侧活塞组的冷腔体的圆孔通过冷腔连管进行连通。
上述的冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机中，所述端盖设有导气管，端盖的导气管与同侧的冷腔端盖的通气孔连通。
上述的冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机中，所述的斜盘机构包括固定架、导杆、滑块、斜盘和输出轴，所述的输出轴通过轴承安装在固定架上，输出轴的轴线与连板内层圆孔的对称轴线重合，所述的固定架通过螺栓固定在机架上，所述导杆安装在固定架上，导杆的轴线与冷活塞的轴线平行；所述滑块通过圆孔与导杆滑动连接，滑块与冷活塞的活塞杆采用螺纹连接，滑块与斜盘通过双半球铰连接且呈90°夹角安装四个滑块，斜盘与输出轴采用键固定连接
本发明的优点在于：在斯特林发动机的工作过程中热活塞和冷活塞的两端温差小，活塞环的热应变作用明显减弱。对侧热活塞腔和冷活塞腔分别通过热腔连管和冷腔连管进行连通而压差小，同时缸体与活塞杆处于等温变形，滑动密封效果得到改善。不存在缸体导热和活塞穿梭导热能够有效提高循环系统温差，有效提高运行效率。
附图说明
图1是本发明的系统内部工质循环原理图。
图2是本发明的左轴测立体图。
图3是本发明的右轴测立体图。
图4是本发明的剖视结构图。
图5是本发明的俯视结构图。
图6是本发明的加热器结构图。
图中标记如下：1—加热器；1a—金属管；1b—热腔体；1c—回热腔体；2—连板；3—热交换器；4—热腔连管；5—冷腔连管；6—冷腔体；7—固定架；8—滑块；9—斜盘；
10—输出轴；11—机架；12—热腔端盖；13—端盖；14—冷腔端盖；15—热活塞；
16—回热器；17—壳体；18—冷却器；19—冷活塞；20—导杆；21—斜盘机构；22—活塞组；A—第1象限活塞组；B—第2象限活塞组；C—第3象限活塞组；D—第4象限活塞组。
具体实施方式
如图1—图6所示，本发明包括连板2、加热器1、活塞组22、热交换器3、斜盘机构21、机架11。所述的连扳2呈十字形且设有八个圆孔，圆孔呈90°夹角分布四个且有内外两层，连板2通过螺栓固定在机架11上；所述加热器1包括金属管1a、热腔体1b和回热腔体1c，所述的金属管1a的两端分别与热腔体1b和回热腔体1c连接，热腔体1b通过螺栓固定在连扳2端面，且热腔体1b与连板2的内层圆孔轴线对正，回热腔体1c通过螺栓固定在连板2的外层圆孔位置，并与热腔体1b呈90°夹角。所述的加热器1依次在连扳2上固定四个。如图1—图6所示，所述的活塞组22包括热腔端盖12、热活塞15、冷活塞19、冷腔体6和冷腔端盖14。所述的热腔端盖12设有圆孔和通气孔，热腔端盖12通过螺栓固定在连扳2上。由连板2的内层单个圆孔、热腔体1b和热腔端盖12组成热活塞腔，所述热活塞15的活塞头设有环槽，热活塞15的环槽中安装有活塞环，热活塞15安装在热活塞腔内并通过活塞环滑动密封，热活塞15的活塞杆与热腔端盖12的圆孔通过密封圈滑动连接；所述的冷腔体6设有四个圆孔，所述四个圆孔与连扳2的内层圆孔位置相对应，冷腔体6通过螺栓固定在机架11上；所述的冷腔端盖14设有圆孔和通气孔，冷腔端盖14通过螺栓固定在冷腔体6上，由冷腔体6的单个圆孔和冷腔端盖14组成冷活塞腔，所述的冷活塞19的活塞头设有环槽，冷活塞19的环槽中安装有活塞环，冷活塞19安装在冷活塞腔内并通过活塞环滑动密封，冷活塞19的活塞杆与冷腔端盖14的圆孔通过密封圈滑动连接，冷活塞19的活塞头与热活塞15的活塞杆采用螺纹连接；所述的活塞组22沿连板2的内层圆孔位置安装有四个。
如图2—图4所示，所述热交换器3包括回热器16、冷却器18、壳体17和端盖13，所述的回热器16安装在连板2的外层圆孔内，通过壳体17的圆孔进行固定，所示壳体17采用螺栓固定在连板2上，冷却器18安装在壳体17中，并通过端盖13进行密封和固定。所述热交换器3沿连板2的外层圆孔安装有四个呈90°夹角分布。
如图2—图5所示，所述的热腔端盖12在连扳2上固定有四个，对侧的热腔端盖12的通气孔采用热腔连管4进行连通；所述的冷腔体6的四个圆孔底部设有通气孔，冷腔体6的对侧圆孔通过冷腔连管5进行连通；所述端盖13上设有导气管，端盖13的导气管与同侧的冷腔端盖14的通气孔固定并连通。
如图2—图5所示，所述斜盘机构21包括固定架7、导杆20、滑块8、斜盘9和输出轴10。所述的输出轴10通过轴承安装在固定架7上，输出轴10的轴线与连板2内层圆孔的对称轴线重合，所述的固定架7通过螺栓固定在机架11上，所述导杆20安装在固定架7上，导杆20的轴线与冷活塞19的轴线平行；所述滑块8通过圆孔与导杆20滑动连接，滑块8与冷活塞19的活塞杆采用螺纹连接，滑块8与斜盘9通过双半球铰连接且呈90°夹角安装四个滑块8，斜盘9与输出轴10采用键固定连接。
本发明的工作原理如下：工作时，加热器1外部提供热源，使金属管1a中的气体工质加热至450℃以上，此时通过外部动力带动输出轴10转动，即完成斯特林发动机的初始启动。以图1和图4所示，四个活塞组22的热活塞15相差90°相位，加热器1中工质受热膨胀，使C活塞组的热活塞15和冷活塞19向右运动并接近下止点，C活塞组的热活塞腔右侧工质受压并通过热腔连管4流向A活塞组的热活塞腔右侧，并推动A活塞组的热活塞15向左运动。C活塞组的冷活塞腔右侧工质受压并通过端盖13的导气管流向同侧的热交换器3中。此时A活塞组向左运动并接近上止点，同侧的热交换器3将低温冷工质流向A活塞组的冷活塞腔右侧，A活塞组的冷活塞腔左侧工质受压并通过冷腔连管5流向C活塞组的冷活塞腔左侧。
本发明的优点在于：工作过程中，热活塞15和冷活塞19的是通过热活塞15的活塞杆连接，穿梭导热基本没有。独立的热活塞腔和冷活塞腔使得缸体导热不存在，提高了热力循环系统的温差并有效增加了运行效率。系统经过一段时间的运行，热活塞15和冷活塞19基本处于恒温状态，减轻了活塞的交变热应力作用，活塞头和活塞缸处于同样的膨胀系数下，有效提高密封圈的滑动密封效果。冷腔端盖14的圆孔的密封圈与冷活塞19的活塞杆的温度恒定其热应变作用小且密封圈磨损小。

Claims (7)

1.一种冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机，包括加热器(1)、连板(2)、热交换器(3)、机架(11)、斜盘机构(21)、活塞组(22)，其特征在于：所述的活塞组(22)为4个，每个活塞组(22)包括冷活塞腔和热活塞腔，所述的热活塞腔内设有热活塞(15)，所述的冷活塞腔内设有冷活塞(19)，所述的冷活塞(19)的活塞头与所述的热活塞(15)的活塞杆连接；热活塞腔的上腔与所述的加热器(1)的一端连接，所述的加热器(1)的另一端连接热交换器(3)的一端，所述的热交换器(3)的另一端与活塞组(22)的冷活塞腔的下腔连接。
2.根据权利要求1所述的冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机，其特征在于：所述的连扳(2)呈十字外形且设有八个圆孔，圆孔呈90°夹角分布四个且有内外两层，连板(2)通过螺栓固定在机架(11)上；所述的加热器(1)包括金属管束(1a)、热腔体(1b)和回热腔体(1c)，金属管束(1a)的两端分别与热腔体(1b)和回热腔体(1c)连接，热腔体(1b)通过螺栓固定在连扳(2)端面，且热腔体(1b)与连板(2)的内层圆孔轴线对正，回热腔体(1c)通过螺栓固定在连板(2)的外层圆孔位置，并与热腔体(1b)呈90°夹角，加热器(1)依次在连扳(2)上固定四个。
3.根据权利要求2所述的冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机，其特征在于：所述的活塞组(22)包括热腔端盖(12)、热活塞(15)、冷活塞(19)、冷腔体(6)和冷腔端盖(14)，所述的热腔端盖(12)设有圆孔和通气孔，热腔端盖(12)通过螺栓固定在连板(2)上，由连板(2)的内层单个圆孔、热腔体(1b)和热腔端盖(12)组成热活塞腔，所述热活塞(15)安装有活塞环，热活塞(15)安装在所述的热活塞腔内并通过活塞环滑动密封，所述的热活塞(15)的活塞杆与所述的热腔端盖(12)的圆孔通过密封圈滑动连接；所述的冷腔体(6)是个圆孔，圆孔底部设有通气孔，所述圆孔与连板(2)的内层圆孔位置相对应，冷腔体(6)通过螺栓固定在机架(11)上；所述的冷腔端盖(14)设有圆孔和通气孔，冷腔端盖(14)通过螺栓固定在冷腔体(6)上，由冷腔体(6)的单个圆孔和冷腔端盖(14)组成冷活塞腔，所述的冷活塞(19)的活塞头设有环槽，冷活塞(19)的环槽中安装有活塞环，冷活塞(19)安装在冷活塞腔内并通过活塞环滑动密封，冷活塞(19)的活塞杆与冷腔端盖(14)的圆孔通过密封圈滑动连接。
4.根据权利要求3所述的冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机，其特征在于：所述热交换器(3)包括回热器(16)、冷却器(18)、壳体(17)和端盖(13)，所述的回热器(16)安装在连板(2)的外层圆孔内，通过壳体(17)的圆孔进行固定，所述壳体(17)采用螺栓固定在连板(2)上，冷却器(18)安装在壳体(17)中，并通过端盖(13)进行密封和固定。
5.根据权利要求4所述的冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机，其特征在于：所述对侧的活塞组(22)的热腔端盖12的通气孔采用热腔连管4进行连通；所述的冷腔体6的四个圆孔底部设有通气孔，对侧活塞组(22)的冷腔体6的圆孔通过冷腔连管5进行连通。
6.根据权利要求4所述的冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机，其特征在于：所述端盖13设有导气管，端盖13的导气管与同侧的冷腔端盖14的通气孔连通。
7.根据权利要求1任一权利要求所述的冷热腔独立式动力活塞的斯特林发动机，其特征在于：所述的斜盘机构(21)包括固定架(7)、导杆(20)、滑块(8)、斜盘(9)和输出轴(10)，所述的输出轴(10)通过轴承安装在固定架(7)上，输出轴(10)的轴线与连板(2)内层圆孔的对称轴线重合，所述的固定架(7)通过螺栓固定在机架(11)上，所述导杆(20)安装在固定架(7)上，导杆(20)的轴线与冷活塞(19)的轴线平行；所述滑块(8)通过圆孔与导杆(20)滑动连接，滑块(8)与冷活塞(19)的活塞杆采用螺纹连接，滑块(8)与斜盘(9)通过双半球铰连接且呈90°夹角安装四个滑块(8)，斜盘(9)与输出轴(10)采用键固定连接。
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