CN108443028A - 一种旋转式斯特林发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外燃式发动机，特别涉及一种旋转式斯特林发动机，定子包括呈圆筒状的旋转环、呈放射状均匀布置在旋转环壁面上的若干个间隔板，间隔板与旋转环形成呈放射状的若干个工质腔，工质填充于工质腔内，间隔板设有连通间隔板两侧工质腔的过流孔，过流孔设有单向阀，定子包括呈圆筒状的导热板，导热板的壁面上设有呈放射状均匀布置的若干个腔体，若干个腔体包括一一间隔排列布置的热腔体和冷腔体，设有热源与热腔体连接，设有冷源与冷腔体连接，工质腔通过导热板与热腔体和冷腔体进行换热，可实现热能向机械能的转换。本方案提供一种新型的结构简单、成本低、动力响应快、效率高、使用寿命长的旋转式斯特林发动机。
Description
技术领域
本发明涉及外燃式发动机的领域，特别涉及一种旋转式斯特林发动机。
背景技术
斯特林发动机是一种封闭式热力发动机，对于燃料的适应性比传统内燃机更加广泛，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，传统斯特林发动机以传统活塞汽缸为主要部件，需要机械连杆等将活塞的直线运动转化为圆周运动。现有的斯特林发动机存在以下缺点：1、成本高：耐热部件寿命低烧蚀大，动密封困难、寿命短，膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高；2、功率调整不够方便迅速：因为现有斯特林发动机是利用空气冷热温差带动活塞来做功，由于热源来自外部，因此发动机需要经过一段时间才能响应用于气缸的热量变化(通过气缸壁将热量传导给发动机内的气体需要很长时间)发动机内的空气温度的增、减不可能太快，功率加、减速也就不可能太迅速；3、功率、推重比低：现有斯特林发动机是热源传热使工质膨胀再推动活塞，以至功率密度低，实现功率突破难度较大；4、能量损耗量较大：做功时冷热空气混和，导致无效的热量损耗，热效率低，也是功率、推重比低的原因之一；5、同样缸径时，与内燃机相比较输出扭矩不如内燃机大。
人们为了做大比功率，为了和内燃机比拼。把斯特林机升了温度，换了工质，加了压力，还必须再顾及到高温高压条件下的耐腐蚀，密封，润滑，耐磨，导热，隔热，耐压，外部高温热交换，低温热交换，燃烧室耐腐蚀……为了达到能够使用的维保周期和能应对的维护难度，无一不是动用了当今的最新技术最高科技，对斯特林机的发展有一定成果，但成本也是高得难以普及，维保周期、维护难度和效率等还是未够理想，只能用在军事等高价值的场合，还不能成为大批量使用的发动机。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：结合以上现有的技术，提供一种新型的结构简单、成本低、动力响应快、效率高、使用寿命长的旋转式斯特林发动机。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种旋转式斯特林发动机，包括热源、冷源、工质，其特征在于：包括定子、可绕定子转动的转子，所述的转子包括呈圆筒状的旋转环、呈放射状均匀布置在旋转环壁面上的若干个间隔板，若干个所述的间隔板的内端与旋转环的壁面固定连接，若干个所述的间隔板沿旋转环的轴向方向延伸，若干个所述的间隔板与旋转环形成呈放射状的若干个工质腔，若干个所述的间隔板设有连通间隔板两侧工质腔的过流孔，所述的过流孔的内侧固接有单向阀，所述的定子包括呈圆筒状的导热板，所述的导热板的壁面上设有呈放射状均匀布置的若干个腔体，若干个所述的腔体沿导热板的轴向方向延伸，若干个所述的腔体包括一一间隔排列布置的热腔体和冷腔体，若干个所述的间隔板的外端与导热板的壁面接触，所述的旋转环的两端均设有封板，若干个所述的工质腔的两端通过封板密封，所述的工质填充于若干个所述的工质腔内，所述的热源与热腔体连接，所述的冷源与冷腔体连接。
作为上述技术方案的进一步改进，若干个所述的间隔板沿旋转环的轴向均匀设置若干个过流孔。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的单向阀包括与过流孔的内径相匹配的阀体、弹簧，所述的阀体设置在过流孔的左端，所述的弹簧左端与阀体的右壁连接，所述的弹簧右端与过流孔的内壁连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的旋转环、间隔板均采用保温材料制成。
作为上述技术方案的进一步改进，相邻的热腔体与冷腔体之间设有隔热槽。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的热腔体、冷腔体的侧壁均采用保温材料制成。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的导热板采用导热材料制成。
本发明的有益效果是：本发明通过相对旋转的定子和转子来实现热能向机械能的转换，热腔体通过导热板把热源的热量传给一工质腔内的工质，工作受热膨胀，冷腔体通过导热板与工质腔内的工质进行热交换，遇冷收缩，工质腔之间的间隔板设置单向阀，使得工质可沿统一的限定方向从加热的工质腔流向冷却的工质腔，使得热能转换为工质的动能，根据动量守恒定律，工质的动量转换为间隔板的动量，工质的动能转换为转子的机械能，从而实现热能与转子的机械能的转换，从而带动转子逆时针\顺时针转动，转子上的每个工质腔与定子上的每个热腔体和冷腔体相互进行换热，以此类推，使得转子相对定子实现连续的转动；采用旋转式做功方式，结构、密封简单化，取消活塞、再生器、连杆等构件，从而大幅降低成本，能增加发动机的使用寿命和减少维护难度，大幅减少了发动机自身重量，加上增加了功率，大幅增加了推重比，工质腔在不同的时间会成为膨胀室或压缩室；若干个工质腔与若干个热腔体和冷腔体进行热交换，使得间隔板的可连续受压，从而连续进行热能—机械(其它型式)能转换，加快响应时间，简化结构，减少了损耗，让工质在冷热的过程中能量都用于连续功率输出，增加了效率；若干个间隔板实现旋转式做功，进一步增大做功面的受压面积，与现在的斯特林发动机比，在相同体积下能大幅增大做功面积与做功时间从而增大输出扭矩、功率。
本发明用于：外燃式发动机的领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明实施例的剖视图；
图2是本发明实施例的转子的局部剖视图；
图3是本发明实施例的定子的剖视图；
图4是本发明实施例的外转子方式组合的示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1～图4，本发明实施例：一种旋转式斯特林发动机，包括热源、冷源、工质，其特征在于：包括定子1、可绕定子1转动的转子2，所述的转子2包括呈圆筒状的旋转环21、呈放射状均匀布置在旋转环21壁面上的若干个间隔板22，若干个所述的间隔板22的内端与旋转环21的壁面固定连接，若干个所述的间隔板22沿旋转环21的轴向方向延伸，若干个所述的间隔板22与旋转环21形成呈放射状的若干个工质腔23，若干个所述的间隔板22设有连通间隔板22两侧工质腔23的过流孔24，所述的过流孔24的内侧固接有单向阀25，所述的定子1包括呈圆筒状的导热板11，所述的导热板11的壁面上设有呈放射状均匀布置的若干个腔体12，若干个所述的腔体12沿导热板11的轴向方向延伸，若干个所述的腔体12包括一一间隔排列布置的热腔体13和冷腔体14，若干个所述的间隔板22的外端与导热板11的壁面接触，所述的旋转环21的两端均设有封板26，若干个所述的工质腔23的两端通过封板26密封，所述的工质填充于若干个所述的工质腔23内，所述的热源与热腔体13连接，所述的冷源与冷腔体14连接。通过相对旋转的定子1和转子2来实现热能向机械能的转换，工质采用膨胀系数大的气体或者液体，本实施方式采用气体，热腔体13通过导热板11把热源的热量传给工质腔23内的工质，工质受热膨胀，冷腔体14通过导热板11与工质腔23内的工质进行热交换，遇冷收缩，工质腔之间的间隔板22设置单向阀25，使得工质可沿单向阀25统一的限定方向从加热的工质腔23流向冷却的工质腔23，使得热能转换为工质的动能，根据动量守恒定律，工质的动量转换为间隔板22的动量，工质的动能转换为转子2的机械能，从而实现热能与转子的机械能的转换，从而带动转子2逆时针\顺时针转动，本实施方式沿导热板11的圆心逆时针转动，转子2上的每个工质腔23与定子1上的每个热腔体13和冷腔体14相互进行换热，以此类推，使得转子2相对定子1实现连续的转动；采用旋转式做功方式，结构、密封简单化，取消活塞、再生器、连杆等构件，从而大幅降低成本，能增加发动机的使用寿命和减少维护难度，大幅减少了发动机自身重量，加上增加了功率，大幅增加了推重比，工质腔23在不同的时间会成为膨胀室或压缩室；若干个工质腔23与若干个热腔体13和冷腔体14进行热交换，使得间隔板22的可连续受压，从而连续进行热能—机械其它型式能转换，加快响应时间，简化结构，减少了损耗，让工质在冷热的过程中能量都用于连续功率输出，增加了效率；若干个间隔板22实现旋转式做功，进一步增大做功面的受压面积，与现在的斯特林发动机比，在相同体积下能大幅增大做功面积与做功时间从而增大输出扭矩、功率。间隔板22设置两个以上，使得工质腔23设置两个以上，腔体12设置两个以上；转子2与定子1的组合方式可分为外转子方式组合或者内转子方式组合，本实施方式采用内转子方式组合。
进一步作为优选的实施方式，若干个所述的间隔板22沿旋转环21的轴向均匀设置若干个过流孔24。根据间隔板22沿旋转环21的轴向方向延伸的长度来设定过流孔24的个数，工质在满足推动间隔板22的前提下，可增加过流孔24的个数，进一步增加工质的流量，增大热能向机械能的转换量，从而增大输出扭矩、功率。
进一步作为优选的实施方式，所述的单向阀25包括与过流孔24的内径相匹配的阀体27、弹簧28，所述的阀体27设置在过流孔24的左端，所述的弹簧28左端与阀体27的右壁连接，所述的弹簧28右端与过流孔24的内壁连接。冷腔14和热腔13未加上冷、热源，单向阀25在弹簧28的作用下全部处打开状态；冷腔14和热腔13加上冷、热源，工质腔23内的气体遇冷收缩，相邻左侧的工质腔23内的气体遇热膨胀则推动工质腔23左侧的单向阀25的阀体27对弹簧28进行压紧，使得工质腔23左侧的单向阀25关闭，无气体流动，相邻右侧的工质腔23内的气体遇热膨胀则推动工质腔23右侧的单向阀25保持开启，相邻右侧的工质腔23内的气体可流向该工质腔23，从而实现热源和冷源的热量转换为工质的动量，工质的动量转换为工质腔23的动量，工质腔23再带动旋转环21转动，以此类推，通过在旋转环21设置呈放射状的若干个工质腔23以及在导热板11的圆周上一一间隔排列布置的热腔体13和冷腔体14，实现了热能连续向机械能的转换；单向阀25设置阀体27、弹簧28，简化结构，降低制造成本，阀体27的面积和过流孔24的内径可相应做到最大化，在实现工质单向流动的前提下，增大工质的流量，从而增大工质的动能，实现热能最大化转换为机械能，提高发动机的输出功率，同时弹簧28的弹力也可根据发动机所需的参数进行限定。
进一步作为优选的实施方式，所述的旋转环21、间隔板22均采用保温材料制成。旋转环21采用保温材料主要降低工质腔23与外部环境的换热量，连减少工质的热损失；间隔板22采用保温材料主要是降低工质腔23之间的换热量，减少受热的工质腔23与冷却的工质腔23之间的换热，使得受热的工质腔23只与热腔体13进行热交换，冷却的工质腔23只与冷腔体14进行热交换，提高热能与机械能的转换效率，提高发动机的功率。
进一步作为优选的实施方式，相邻的热腔体13与冷腔体14之间设有隔热槽15。尽可能隔绝热腔体13与冷腔体14之间的换热，使得热腔体13充分加热受热的工质腔23，冷腔体14充分吸收冷却的工质腔23的热量，提高热源和冷源的利用率，进一步提高发动机的功率。
进一步作为优选的实施方式，所述的热腔体13、冷腔体14的侧壁均采用保温材料制成。这可减少热腔体13、冷腔体14与环境的换热量，降低发动机的热损失，提高能源的利用率。
进一步作为优选的实施方式，所述的导热板11采用导热材料制成。工质腔23是通过导热板11与热腔体13、冷腔体14进行热交换，导热板11采用导热材料制成可提高换热效果，工质腔23内的工质受热膨胀与冷却收缩的响应时间更快速。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (7)
1.一种旋转式斯特林发动机，包括热源、冷源、工质，其特征在于：包括定子(1)、可绕定子(1)转动的转子(2)，所述的转子(2)包括呈圆筒状的旋转环(21)、呈放射状均匀布置在旋转环(21)壁面上的若干个间隔板(22)，若干个所述的间隔板(22)的内端与旋转环(21)的壁面固定连接，若干个所述的间隔板(22)沿旋转环(21)的轴向方向延伸，若干个所述的间隔板(22)与旋转环(21)形成呈放射状的若干个工质腔(23)，若干个所述的间隔板(22)设有连通间隔板(22)两侧工质腔(23)的过流孔(24)，所述的过流孔(24)的内侧固接有单向阀(25)，所述的定子(1)包括呈圆筒状的导热板(11)，所述的导热板(11)的壁面上设有呈放射状均匀布置的若干个腔体(12)，若干个所述的腔体(12)沿导热板(11)的轴向方向延伸，若干个所述的腔体(12)包括一一间隔排列布置的热腔体(13)和冷腔体(14)，若干个所述的间隔板(22)的外端与导热板(11)的壁面接触，所述的旋转环(21)的两端均设有封板(26)，若干个所述的工质腔(23)的两端通过封板(26)密封，所述的工质填充于若干个所述的工质腔(23)内，所述的热源与热腔体(13)连接，所述的冷源与冷腔体(14)连接。
2.根据权利要求1所述的一种旋转式斯特林发动机，其特征在于：若干个所述的间隔板(22)沿旋转环(21)的轴向均匀设置若干个过流孔(24)。
3.根据权利要求2所述的一种旋转式斯特林发动机，其特征在于：所述的单向阀(25)包括与过流孔(24)的内径相匹配的阀体(27)、弹簧(28)，所述的阀体(27)设置在过流孔(24)的左端，所述的弹簧(28)左端与阀体(27)的右壁连接，所述的弹簧(28)右端与过流孔(24)的内壁连接。
4.根据权利要求1所述的一种旋转式斯特林发动机，其特征在于：所述的旋转环(21)、间隔板(22)均采用保温材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种旋转式斯特林发动机，其特征在于：相邻的热腔体(13)与冷腔体(14)之间设有隔热槽(15)。
6.根据权利要求1所述的一种旋转式斯特林发动机，其特征在于：所述的热腔体(13)、冷腔体(14)的侧壁均采用保温材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种旋转式斯特林发动机，其特征在于：所述的导热板(11)采用导热材料制成。
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- 2018-04-28 CN CN201810402185.7A patent/CN108443028B/zh active Active
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