CN108915889A - 一种斯特林发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种斯特林发动机，包括机座，机座上固定有相互分离的第一气缸和第二气缸，第一气缸和第二气缸内分别配合设置有第一活塞和第二活塞，第一活塞的一端通过第一直线旋转转换机构连接有伸出于第一气缸的第一传动轴，第二活塞的一端通过第二直线旋转转换机构连接有伸出于第二气缸的第二传动轴，第二传动轴与第一传动轴同步传动，第一传动轴的另一端或第二传动轴的另一端同轴连接有惯性轮；第一气缸相对第一传动轴的一端外固定连通有换热机构，换热机构与第二气缸相对第二传动轴的一端之间连接有连通管。本发明一种斯特林发动机，能够解决现有的斯特林发动机运行中的密封性、对称性和平稳性的问题。
Description
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种斯特林发动机。
背景技术
斯特林发动机是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的闭式循环往复式活塞发动机，属于外燃机。它以通常使用氢气或氦气为做工质，工质填充在一定容积的气缸内，气缸一端为热腔，另一端为冷腔；工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热膨胀做功，再流入低温冷腔中放热收缩做功，循环往复，按闭式回路热循环的方式进行工作。通过连杆机构或直轴向外输出动力。
随着能源的日趋枯竭和石炭能源产生的严重环境污染，相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点，斯特林发动机的应用显得尤为重要，由于斯特林发动机是一种外燃发动机，避免了类似内燃机的震爆做功和间歇燃烧过程，具有高效、低噪和低排放的优点，其基本原理涉及的循环过程分如下四个段：①定温压缩过程；②定容吸热过程；③定温膨胀过程；④定容放热过程，完成一个循环。在理想吸热的条件下，这种循环的热效率，在理论上其效率几乎等于理论最大效率。斯特林发动机按功率传递机构分为：曲柄连杆传动，菱形传动，斜盘或摆盘传动，液压传动或自由活塞传动等。
然而现有的一些斯特林发动机，其飞轮面平行于动力活塞的运动方向，导致整体斯特林发动机高度太高，缩小了斯特林发动机使用的场合，热气缸上部参数设计往往受到限制，且飞轮需要独立支架支持设置，造成整体复杂，重量大，成本较高，且偏心设置，震动大，噪音大，从而造成斯特林发动机对称性差；且有的是结构复杂，不能在较高的温度下工作，传递的扭矩小，输出功率低，使得斯特林发动机难于普及，很难用于大功率的热能利用上。专利号为ZL201720265819.X的专利克服了以上大多数缺点，但在旋转中仍然存在着精度要求高、受力不平衡、运转偏心、热膨胀率高、容易卡死、工质泄露点多等缺陷，特别是了存在着在膨胀机构外加热，导致气缸、活塞的变形、老化以及密封件过多，导致机构复杂、成本高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种斯特林发动机，解决了现有斯特林发动机传动效率低的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种斯特林发动机，包括机座，机座上固定有相互分离的第一气缸和第二气缸，第一气缸内配合设置有第一活塞，第二气缸内配合设置有第二活塞，第一活塞的一端通过第一直线旋转转换机构连接有伸出于第一气缸的第一传动轴，第二活塞的一端通过第二直线旋转转换机构连接有伸出于第二气缸的第二传动轴，第二传动轴与第一传动轴同步传动，第一传动轴的另一端或第二传动轴的另一端同轴连接有惯性轮；第一气缸相对第一传动轴的一端外固定连通有换热机构，换热机构与第二气缸相对第二传动轴的一端之间连接有连通管。
本发明的特点还在于，
第一直线旋转转换机构包括与第一活塞同轴固定的圆筒形第一活塞柄，第一活塞柄内设置有与第一传动轴同轴连接的圆柱形第一凸轮，第一凸轮的外侧壁沿周向开设有闭合的双S形第一斜槽；还包括第一气缸的内壁对应第一凸轮沿轴向轴对称开设的两个第一滑道，第一活塞柄远离第一活塞的一端沿径向轴对称的固定有两个第一滑杆，第一滑杆的两端分别卡合于第一斜槽和靠近的第一滑道内；
第二直线旋转转换机构包括与第二活塞同轴固定的圆筒形第二活塞柄，第二活塞柄内设置有与第二传动轴同轴连接的圆柱形第二凸轮，第二凸轮的外侧壁沿周向开设有闭合的双S形第二斜槽，第二斜槽和第一斜槽的相位角相差45°；还包括第一气缸的内壁对应第二凸轮沿轴向轴对称开设的两个第二滑道，第二活塞柄远离第二活塞的一端沿径向轴对称的固定有两个第二滑杆，第二滑杆的两端分别卡合于第二斜槽和靠近的第二滑道内。
第一斜槽和第二斜槽的横截面均为三角形、半圆形、梯形或者矩形中的一种。
第一传动轴伸出第一气缸的位置、第二传动轴伸出第二气缸的位置均套合有固定在机座上的轴套。
机座为倒T形，第一气缸和第二气缸并列设置在机座的同一侧，第一传动轴位于第一气缸外的一端和第二传动轴位于第二气缸外的一端均套合有圆柱齿轮，两个圆柱齿轮相互啮合。
机座为U形，第一气缸和第二气缸分别设置于机座相对的两侧外，第一传动轴位于第一气缸外的一端和第二传动轴位于第二气缸外的一端均伸入到机座内且位于同一轴线，惯性轮连接于第一传动轴和第二传动轴之间。
机座为L形，第一气缸和第二气缸分别设置于机座相邻的两侧外，第一传动轴位于第一气缸外的一端和第二传动轴位于第二气缸外的一端均套合有圆锥齿轮，两个圆锥齿轮相互啮合。
换热机构包括中空的外壳体，外壳体内靠近第一气缸间隙套合有内壳体，外壳体内还设置有一端穿过内壳体与第一气缸固定连通的通气管，外壳体的外壁上对应内壳体的位置套合有回热器，连通管穿过回热器与外壳体连接。
本发明的有益效果是：本发明一种斯特林发动机，通过将换热机构与第一气缸前后排列，避免直接加热第一气缸，减少了气缸、活塞的变形及老化，减少了内部工质的泄漏，增加动力输出；通过直线旋转转换机构设置的双S形斜槽及对称的双滑杆，使作用在旋转传动轴上的受力平衡、无偏心；通过设置相互分离的第一气缸和第二气缸并通过连通管连通，避免了直轴式结构传动轴直接穿过活塞导致的泄漏点增多的问题。并且相对现有的曲轴连杆式结构震动小、摩擦阻力小，从而提高了整体的传动效率，保证了运动中整体的平稳性。
附图说明
图1是本发明一种斯特林发动机第一种实施例的结构示意图；
图2是本发明一种斯特林发动机第二种实施例的结构示意图；
图3是本发明一种斯特林发动机第三种实施例的结构示意图；
图4是本发明一种斯特林发动机中第一凸轮的展开图；
图5是本发明一种斯特林发动机中第二凸轮的展开图。
图中，1.机座，2.第一气缸，3.第二气缸，4.第一活塞，5.第二活塞，6.第一传动轴，7.第二传动轴，8.惯性轮，9.连通管，10.第一活塞柄，11.第一凸轮，12.第一斜槽，13.第一滑道，14.第一滑杆，15.第二活塞柄，16.第二凸轮，17.第二斜槽，18.第二滑道，19.第二滑杆，20.轴套，21.圆柱齿轮，22.圆锥齿轮，23.外壳体，24.内壳体，25.通气管，26.回热器，27.热气室，28.第一气室，29.第二气室。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种斯特林发动机，如图1至图5所示，包括机座1，机座1上固定有相互分离的第一气缸2和第二气缸3，第一气缸2和第二气缸3内分别配合设置有第一活塞4和第二活塞5，第一活塞4的一端通过第一直线旋转转换机构连接有伸出于第一气缸2的第一传动轴6，第二活塞5的一端通过第二直线旋转转换机构连接有伸出于第二气缸3的第二传动轴7，第二传动轴7与第一传动轴6同步传动，第一传动轴6伸出第一气缸2的位置、第二传动轴7伸出第二气缸3的位置均套合有固定在机座1上的轴套20，第一传动轴6的另一端或第二传动轴7的另一端同轴连接有惯性轮8；第一气缸2相对第一传动轴6的一端外固定连通有换热机构，换热机构包括中空的外壳体23，外壳体23内靠近第一气缸2间隙套合有内壳体24，外壳体23内还设置有一端穿过内壳体24与第一气缸2固定连通的通气管25，外壳体23的外壁上对应内壳体24的位置套合有回热器26，外壳体23外穿过回热器26连接有连通管9，连通管9的另一端连接至第二气缸3相对第二传动轴7的一端。
第一直线旋转转换机构包括与第一活塞4同轴固定的圆筒形第一活塞柄10，第一活塞柄10内设置有与第一传动轴6同轴连接的圆柱形第一凸轮11，第一凸轮11的外侧壁沿周向开设有闭合的双S形第一斜槽12；还包括第一气缸2的内壁对应第一凸轮11沿轴向轴对称开设的两个第一滑道13，第一活塞柄10远离第一活塞4的一端沿径向轴对称的固定有两个第一滑杆14，第一滑杆14的两端分别卡合于第一斜槽12和靠近的第一滑道13内；第二直线旋转转换机构包括与第二活塞5同轴固定的圆筒形第二活塞柄15，第二活塞柄15内设置有与第二传动轴7同轴连接的圆柱形第二凸轮16，第二凸轮16的外侧壁沿周向开设有闭合的双S形第二斜槽17，第二斜槽17和第一斜槽12的相位角相差45°，其形状均为闭合的双S形斜槽，是由四段方向不同的小斜槽平滑吻接而成，第一斜槽12和第二斜槽17的横截面均为三角形、半圆形、梯形或者矩形中的一种；还包括第一气缸2的内壁对应第二凸轮16沿轴向轴对称开设的两个第二滑道18，第二活塞柄15远离第二活塞5的一端沿径向轴对称的固定有两个第二滑杆19，第二滑杆19的两端分别卡合于第二斜槽17和靠近的第二滑道18内。直线旋转机构运动过程中，在气缸内另一侧的气相作用下活塞做直线运动，进而带动第一活塞柄10或第二活塞柄15直线运动，使得活塞柄上的第一滑杆14或第二滑杆19沿气缸轴向直线运动，由于滑杆的一端被限制在气缸的固定第一滑道13或第二滑道18内，则滑杆的另一端则通过第一斜槽12或第二斜槽17推动第一凸轮11或第二凸轮16旋转，结合第二斜槽17和第一斜槽12的相位角相差45°来实现凸轮上第一传动轴6和第二传动轴7的同步旋转，最后通过气缸外的连接机构实现第一传动轴6和第二传动轴7的同步传动。
本发明提供了三种实施例用以实现第一传动轴6和第二传动轴7的同步传动，这三种方式均将能够实现两者同步的结构设置在了第一气缸2和第二气缸3外，可避免现有直轴式斯特林发动机传动轴穿过活塞实现同步旋转运动的同时结合直线旋转转换机构实现活塞的相互直线运动导致的泄露点增多的问题，本发明通过固定的连通管9结合第一气缸2上的换热机构将相互分离的第一气缸2和第二气缸3连通用以实现热冷气缸的气相传导，气缸内的直线旋转转换机构单独设置在活塞的另一侧，只参与将同步的旋转运动转换为活塞的相互直线运动，减少了密封泄漏点。具体如下：
如图1所示，机座1为倒T形，第一气缸2和第二气缸3并列设置在机座1的同一侧，第一传动轴6位于第一气缸2外的一端和第二传动轴7位于第二气缸3外的一端均套合有圆柱齿轮21，两个圆柱齿轮21相互啮合。
如图2所示，机座1为U形，第一气缸2和第二气缸3分别设置于机座1相对的两侧外，第一传动轴6位于第一气缸2外的一端和第二传动轴7位于第二气缸3外的一端均伸入到机座1内且位于同一轴线，惯性轮8连接于第一传动轴6和第二传动轴7之间。
如图3所示，机座1为L形，第一气缸2和第二气缸3分别设置于机座1相邻的两侧外，第一传动轴6位于第一气缸2外的一端和第二传动轴7位于第二气缸3外的一端均套合有圆锥齿轮22，两个圆锥齿轮22相互啮合。
工作时，用手拨一下惯性轮8使得其具有一定的初始速度，惯性轮8运转带动第一传动轴6或第二传动轴7旋转，进而通过传动轴上的两个圆柱齿轮21、圆锥齿轮22同步啮合或者直接将两个传动轴同轴连接使得两个传动轴同步转动，进一步结合第一气缸2和第二气缸3内的直线旋转转换机构，使得旋转运动转化为第一活塞4和第二活塞5的相互直线往复运动。当启动后，第二活塞5做往复运动的动力源是通过气体的膨胀收缩来实现的，回热器26吸热，使第一气缸2和第二气缸3分别形成热气缸和冷气缸，从而使两个活塞相互移动，工作介质在第一气缸2的第一气室28和第二气缸3的第二气室29之间来回流动，如图1所示，完成四个循环过程：
1.定容吸热过程，第一活塞4和第二活塞5均处于左止点位置不动，外壳体23与内壳体24外形成的热气室27的空气实现定容情况下温度升高，热气室27、第一气室28压力升高。
2.定温膨胀过程，第一活塞4由左止点开始右行，第二活塞5处于左止点位置不动，其间热气室27的空气通过加热，吸收热量，维持温度不变。
3.定容放热过程，第一活塞4向左行至整个冲程，而第二活塞5以同样的速度向左达到左止点，在定容情况下，将空气从第一气室28推向热气室27，热气室27的热空气经外壳体23与内壳体24之间狭窄的空间及连通管9流过，被推到第二气室29，热量被回热器26吸收，空气温度下降；即热空气从热气室推到冷气室，向回热器26释放热量，使空气温度下降，第二气缸3相对第二气室29的部分空气压力升高。
4.定温压缩过程，第二活塞5由右止点开始左行，压缩第二气室29的空气，使第二气室29空气压力升高，维持工质温度不变，热气室27的空气被推向第一气室28，推动第一活塞4左行。这样回到初始状态完成一次闭合循环。
通过上述方式，本发明一种斯特林发动机通过将换热机构与第一气缸2前后排列，避免直接加热第一气缸2，减少了气缸、活塞的变形及老化，减少了内部工质的泄漏，增加动力输出；通过直线旋转转换机构设置的双S形斜槽及对称的双滑杆，使作用在旋转传动轴上的受力平衡、无偏心；通过设置相互分离的第一气缸2和第二气缸3并通过连通管9连通，避免了直轴式结构传动轴直接穿过活塞导致的泄漏点增多的问题。并且相对现有的曲轴连杆式结构震动小、摩擦阻力小，从而提高了整体的传动效率，保证了运动中整体的平稳性。
Claims (8)
1.一种斯特林发动机，其特征在于，包括机座(1)，机座(1)上固定有相互分离的第一气缸(2)和第二气缸(3)，第一气缸(2)内配合设置有第一活塞(4)，第二气缸(3)内配合设置有第二活塞(5)，第一活塞(4)的一端通过第一直线旋转转换机构连接有伸出于第一气缸(2)的第一传动轴(6)，第二活塞(5)的一端通过第二直线旋转转换机构连接有伸出于第二气缸(3)的第二传动轴(7)，第二传动轴(7)与第一传动轴(6)同步传动，第一传动轴(6)的另一端或第二传动轴(7)的另一端同轴连接有惯性轮(8)；第一气缸(2)相对第一传动轴(6)的一端外固定连通有换热机构，换热机构与第二气缸(3)相对第二传动轴(7)的一端之间连接有连通管(9)。
2.如权利要求1所述的一种斯特林发动机，其特征在于，所述第一直线旋转转换机构包括与第一活塞(4)同轴固定的圆筒形第一活塞柄(10)，第一活塞柄(10)内设置有与第一传动轴(6)同轴连接的圆柱形第一凸轮(11)，第一凸轮(11)的外侧壁沿周向开设有闭合的双S形第一斜槽(12)；还包括第一气缸(2)的内壁对应第一凸轮(11)沿轴向轴对称开设的两个第一滑道(13)，第一活塞柄(10)远离第一活塞(4)的一端沿径向轴对称的固定有两个第一滑杆(14)，第一滑杆(14)的两端分别卡合于第一斜槽(12)和靠近的第一滑道(13)内；
第二直线旋转转换机构包括与第二活塞(5)同轴固定的圆筒形第二活塞柄(15)，第二活塞柄(15)内设置有与第二传动轴(7)同轴连接的圆柱形第二凸轮(16)，第二凸轮(16)的外侧壁沿周向开设有闭合的双S形第二斜槽(17)，第二斜槽(17)和第一斜槽(12)的相位角相差45°；还包括第一气缸(2)的内壁对应第二凸轮(16)沿轴向轴对称开设的两个第二滑道(18)，第二活塞柄(15)远离第二活塞(5)的一端沿径向轴对称的固定有两个第二滑杆(19)，第二滑杆(19)的两端分别卡合于第二斜槽(17)和靠近的第二滑道(18)内。
3.如权利要求2所述的一种斯特林发动机，其特征在于，所述第一斜槽(12)和第二斜槽(17)的横截面均为三角形、半圆形、梯形或者矩形中的一种。
4.如权利要求1所述的一种斯特林发动机，其特征在于，所述第一传动轴(6)伸出第一气缸(2)的位置、第二传动轴(7)伸出第二气缸(3)的位置均套合有固定在机座(1)上的轴套(20)。
5.如权利要求1所述的一种斯特林发动机，其特征在于，所述机座(1)为倒T形，第一气缸(2)和第二气缸(3)并列设置在机座(1)的同一侧，第一传动轴(6)位于第一气缸(2)外的一端和第二传动轴(7)位于第二气缸(3)外的一端均套合有圆柱齿轮(21)，两个圆柱齿轮(21)相互啮合。
6.如权利要求1所述的一种斯特林发动机，其特征在于，所述机座(1)为U形，第一气缸(2)和第二气缸(3)分别设置于机座(1)相对的两侧外，第一传动轴(6)位于第一气缸(2)外的一端和第二传动轴(7)位于第二气缸(3)外的一端均伸入到机座(1)内且位于同一轴线，惯性轮(8)连接于第一传动轴(6)和第二传动轴(7)之间。
7.如权利要求1所述的一种斯特林发动机，其特征在于，所述机座(1)为L形，第一气缸(2)和第二气缸(3)分别设置于机座(1)相邻的两侧外，第一传动轴(6)位于第一气缸(2)外的一端和第二传动轴(7)位于第二气缸(3)外的一端均套合有圆锥齿轮(22)，两个圆锥齿轮(22)相互啮合。
8.如权利要求1所述的一种斯特林发动机，其特征在于，所述换热机构包括中空的外壳体(23)，外壳体(23)内靠近第一气缸(2)间隙套合有内壳体(24)，外壳体(23)内还设置有一端穿过内壳体(24)与第一气缸(2)固定连通的通气管(25)，外壳体(23)的外壁上对应内壳体(24)的位置套合有回热器(26)，连通管(9)穿过回热器(26)与外壳体(23)连接。
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2018
- 2018-07-06 CN CN201810735082.2A patent/CN108915889B/zh active Active
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