CN105927419B - 转子式置换工质的斯特林发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子式置换工质的斯特林发动机，它包括由冷腔壳、热腔壳、隔热壳、活塞缸、活塞缸盖、导流腔冷腔盖和导流腔热腔盖及多条管道构成的缸体，所述缸体内设有一个与活塞缸连通的连杆腔，在连杆腔内有一根连杆，连杆一端与动力活塞连接，另一端两侧各连接一块第一挡板；在连杆腔的两侧各有一个导流腔，导流腔内设有一个离心式的导流轮，第二挡板固定在导流轮前侧；第一挡板、第二挡板及导流轮均连接在同一根旋转轴上；多条冷通道和多条热通道分别连通连杆腔与导流腔。本发明的斯特林发动机结构紧凑、死容积小、振动小、阻尼小、损耗小、回热效率高、可靠性高。

Description

转子式置换工质的斯特林发动机

技术领域

本发明属于热力发动机技术领域，尤其涉及转子式置换工质的斯特林发动机。

背景技术

斯特林发动机是一种封闭式热力发动机，与内燃机相比，它具有环保、安全、低成本的优点，目前，在全世界新能源领域得到了广泛应用。

斯特林发动机的工作原理是使工质气体在一个封闭空间内周期性接触冷、热体，通过工质热胀冷缩作用实现对外做功。工质置换是指将工质从冷腔转移到热腔或从热腔转移到冷腔，它是实现斯特林发动机的关键。传统斯特林发动机普遍采用往复式置换工质方案，即通过(置换)活塞运动实现冷、热缸体的工质交换。这种方案需要将置换活塞(置换器)与动力活塞的往复式运动耦合成一套动力系统，其缺点是振动大，机械损耗大，可靠性差。由于换热器的存在，气阻较大，尤其是在高速运转条件下，气阻损耗甚至会超过20％。而要减小气阻，通常要牺牲换热器的回热性能。这是往复式斯特林发动机的一大设计难题。

转子式置换系统具有一个可旋转的置换器，它通常为半圆体形，安装在一个具有冷、热腔的圆柱形缸体内。转子式置换方案通过旋转置换器实现工质置换，具有振动小、气阻小、机械损耗小等优点。但转子式置换系统具有特殊的结构，传统的换热器无法安装于这种系统。由于没有换热器，回热效率低是现有的转子式置换方案普遍存在的问题。与往复式置换系统相比，转子式置换系统需要在结构上做进一步改进，提升其回热效率，才能具有更大市场应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、死容积小、振动小、阻尼小、损耗小、回热效率高、可靠性高的转子式置换工质的斯特林发动机。

本发明采如下技术方案解决上述技术问题：

转子式置换工质的斯特林发动机，包括由冷腔壳、热腔壳、隔热壳、活塞缸、活塞缸盖、导流腔冷腔盖和导流腔热腔盖及多条管道构成的缸体，所述缸体内设有一个与活塞缸连通的连杆腔，在连杆腔内有一根连杆，连杆一端与动力活塞连接，另一端两侧各连接一块第一挡板；在连杆腔的两侧各有一个导流腔，导流腔内设有一个离心式的导流轮，第二挡板固定在导流轮叶片侧的轮盘上；第一挡板、第二挡板及导流轮均连接在同一根旋转轴上；多条冷通道和多条热通道分别连通连杆腔与导流腔。

所述连杆腔的截面为网球拍状。

所述第一挡板为半圆形，与连杆销接。

所述导流轮轮面上连接有多列叶片，多列叶片排布成半圆环状。

所述导流腔为圆柱体，第二挡板为半圆形，其位置对应于导流轮无叶片的半个轮面。

所述多条冷通道为管道的内通道。

所述多条热通道为直孔道，嵌在一块截面为半圆形的金属实体内，该金属实体与热腔壳为一体化。

所述多条冷通道的端口与所述多条热通道的端口所在区域为2个对称的半圆区域。

所述第一挡板与第二挡板具有相同的半圆形截面，它们在共有的旋转轴的轴向方向上对齐排列。

本发明的有益技术效果在于：

1)整个缸体空间紧凑，死容积小，工质置换能在整个缸体实现。

2)与往复式斯特林发动机相比，本发明的动力系统少了一套往复式活塞运动组件，不但减少了机械损耗，还节约成本，提高可靠性。

3)采用离心式导流技术实现导流腔与连杆腔之间的冷、热通道工质交换，具有气阻小，振动小的特点。

4)对工质做功产生负面作用的冷通道和热通道采取封闭措施，使置换系统具有很高的冷却和回热效率，无需装设回热器和冷却器。

5)往复式斯特林发动机有动力活塞和置换活塞两处需要做动密封，而本发明只有动力活塞一处需要做动密封，在气密性方面可以做得更好。

所述的斯特林发动机具有振动小，阻力小，损耗小及效率高的技术特点。在相同初始压强、气缸容量、温差等条件下，与现有的斯特林发动机相比，所述的斯特林发动机额定功率可以提高15％～30％，维护周期可延长20％～40％。

附图说明

图1为本发明的斯特林发动机外观示意图。

图2是图1的正视图。

图3是图2的A-A向剖视图。

图4是图3的C-C向剖视图。

图5是图2的B-B向剖视图。

图6是图5中的导流轮与第二挡板的装配示意图。

图中：1.冷腔壳；2.热腔壳；3.隔热壳；4.活塞缸；5.导流腔冷腔盖；6.导流腔热腔盖；7.动力活塞；8.活塞缸盖；9.连杆腔；10.连杆；11.第一挡板；12.销孔；13.导流腔；14.导流轮；15.第二挡板；16.旋转轴；17.配气室；18.气阀接头；19.冷通道；20.热通道；21.管道；22.叶片。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作详细说明，但不构成对本发明权利要求保护范围的限制。

如图1所示，本发明的转子式置换工质的斯特林发动机，包括由冷腔壳1、热腔壳2、隔热壳3、活塞缸4、活塞缸盖8、导流腔冷腔盖5和导流腔热腔盖6及多条管道21构成的缸体。

如图2所示，所述的斯特林发动机为对称结构，其对称面为A-A剖面。

如图3至图6所示，所述缸体内设有一个与活塞缸4连通的连杆腔9，在连杆腔9内有一根连杆10，连杆10一端与动力活塞7连接，另一端两侧各连接一块第一挡板11；在连杆腔9的两侧各有一个导流腔13，导流腔13内设有一个离心式的导流轮14，第二挡板15固定在导流轮14前侧；第一挡板11、第二挡板15及导流轮14均连接在同一根旋转轴16上；多条冷通道19和多条热通道20分别连通连杆腔9与导流腔13。

所述连杆腔9的截面为网球拍状。

所述第一挡板11为半圆形，通过连杆10上的销孔12进行销接。

所述导流轮14轮面上连接有多列叶片22，多列叶片22排布成半圆环状。

所述导流腔13为圆柱体，第二挡板15为半圆形，其位置对应于导流轮14无叶片22的半个轮面。

所述多条冷通道19为管道21的内通道，其路径可以曲折。

所述多条热通道20为直孔道，嵌在一块截面为半圆形的金属实体内，该金属实体与热腔壳2为一体化。

所述多条冷通道19的端口与所述多条热通道20的端口所在区域为2个对称的半圆区域。

所述第一挡板11与第二挡板15具有相同的半圆形截面，它们在共有的旋转轴16的轴向方向上对齐排列。

所述隔热壳3位于冷腔壳1与热腔壳2之间，导流腔冷腔盖5与导流腔热腔盖6之间。

所述活塞缸4的开放式沟槽通过与隔热壳3连接实现封闭。

所述动力活塞7为长柱形，其密封圈位于活塞缸4的开放式沟槽中，其导向环通过活塞缸盖8固定。

所述连杆腔9的顶端设有配气室17，配气室17上有气阀接头18，气阀接头18与冷腔壳1连接。

本实施例的斯特林发动机工作原理：

如图5所示，由于第二挡板15的摭挡，只有一个半圆区域的冷通道19和热通道20通向导流腔13，根据叶片22分布特征，该半圆区域被分成对应于叶片22的半圆环区和内半圆区。随着导流轮14旋转，端口对应于内半圆区的冷通道19、热通道20的工质被吸入导流腔13，由于离心力作用，导流腔13内工质被压入端口对应于半圆环区的冷通道19和热通道20内。这种离心式导流技术除了具有气阻小、振动小的优点外，还有一个重要特征是连杆腔9与导流腔13之间冷通道19和热通道20的工质不需要一次性完成交换，换句话说，就是工质气体可以在冷通道19和热通道20的驻留更长的时间。这是往复式斯特林发动机所不具有的技术优势。在冷通道19和热通道20的两端通道口分别装设第一挡板11和第二档板15的目的就是将产生负面作用的腔体封闭，一方面防止做功工质与负面腔体及其内部工质接触而导致做功能力下降，另一方面可以使封闭腔体内的工质尽可能得到冷却或加热，提高工质冷却和回热效率。

工作过程：动力活塞7从下止点开始运动，带动连杆10作旋转运动，在第一挡板11从0度角逆时针旋转90度过程中，冷通道19从半开放状态至完全封闭，热通道20从半关闭状态至完全开放，此时，热通道20的工质受热膨胀推动动力活塞7做功，同时进入未封闭冷通道19的热工质会逐渐减少；当第一挡板11转至90度时，由于冷通道19完全封闭，热通道20的工质膨胀基本上作用于动力活塞7，使其具有最大出力。在第一挡板11从90度旋转至180度过程中，冷通道19从完全封闭至半开放状态，热通道20从完全开放至半封闭状态，尽管热工质仍然在膨胀做功，但是随着冷通道19逐渐开放，越来越多热工质进入冷通道19，同时，参与膨胀做功的工质逐渐减少。当第一挡板11转至180度时，动力活塞7达到上止点，此时热通道20被完全封闭，残余的热工质只能进入冷通道19不再做功。动力活塞7从上止点返回下止点的过程与以上过程正好相反。

除了导流轮14外，连杆10运动也可以实现工质置换，但仅限于连杆腔9内，对于整个缸体而言只起到辅助作用。

所述斯特林发动机额定转速为1800转/分钟，热通道20长度为0.2米，导流腔13的直径为0.18米，工作在500℃温度时，额定功率可达到6千瓦。与现有的商业级斯特林发动机相比，在相同初始压强、气缸容量、温差等条件下，所述的斯特林发动机额定功率可以提高15％～30％，维护周期可延长20％～40％，成本可以减少30％以上。

Claims (7)

1.转子式置换工质的斯特林发动机，包括由冷腔壳（1）、热腔壳（2）、隔热壳（3）、活塞缸（4）、活塞缸盖（8）、导流腔冷腔盖（5）和导流腔热腔盖（6）及多条管道（21）构成的缸体，其特征在于：所述缸体内设有一个与活塞缸（4）连通的连杆腔（9），在连杆腔（9）内有一根连杆（10），连杆（10）一端与动力活塞（7）连接，另一端两侧各连接一块第一挡板（11）；在连杆腔（9）的两侧各有一个导流腔（13），多条冷通道（19）和多条热通道（20）分别连通连杆腔（9）与导流腔（13）；导流腔（13）内设有一个离心式的导流轮（14），导流腔（13）内还设有第二挡板（15）摭挡冷通道（19）和热通道（20）的部分端口；第一挡板（11）、第二挡板（15）及导流轮（14）均连接在同一根旋转轴（16）上。

2.根据权利要求1所述的转子式置换工质的斯特林发动机，其特征在于：所述连杆腔（9）的截面为网球拍状。

3.根据权利要求2所述的转子式置换工质的斯特林发动机，其特征在于：所述第一挡板（11）为半圆形，与连杆（10）销接。

4.根据权利要求1所述的转子式置换工质的斯特林发动机，其特征在于：所述导流轮（14）轮面上连接有多列叶片（22），多列叶片（22）排布成半圆环状。

5.根据权利要求1所述的转子式置换工质的斯特林发动机，其特征在于：所述导流腔（13）为圆柱体，第二挡板（15）为半圆形，其位置对应于导流轮（14）无叶片的半个轮面。

6.根据权利要求1所述的转子式置换工质的斯特林发动机，其特征在于：所述多条冷通道（19）的端口与所述多条热通道（20）的端口所在区域为2个对称的半圆区域。

7.根据权利要求1所述的转子式置换工质的斯特林发动机，其特征在于：所述第一挡板（11）与第二挡板（15）具有相同的半圆形截面，它们在共有的旋转轴（16）的轴向方向上对齐排列。