CN108930609A - 一种新型斯特林热力循环设备 - Google Patents

Abstract

一种新型斯特林热力循环设备主要包括气缸、活塞、密封环、密封法兰、底座、球头关节座、球头杆、球头关节帽、支架、连杆组件、轴承、间隔套、平衡块、主轴、端盖、动密封环、储能元件、气体管道、密封垫、基座、密封垫、底板、底盖板、密封法兰、密封连杆、活动关节、冷腔、热腔、加热管、水冷却器以及冷却水流道，采用直列四缸的布置方式，主要部件均布置在底板上，便于加工和安装。密封部分采用狭缝密封的方式，运动部件采用自润滑方式或者轴承连接，避免了油泵、油路以及润滑油的使用。设备整体结构简单、部件少、加工方便，制造成本低。

Description

一种新型斯特林热力循环设备

技术领域

本发明涉及斯特林热力循环设备，特别是斯特林发动机，具体为一种新型无油四缸斯特林热力发动机。

背景技术

1816年苏格兰人斯特林(O. R. Stirling)提出一个由两个等温过程与两个等容过程组成的热力循环的专利,称为斯特林循环。该循环最初用于热力发动机,系统中的工质气体在不同温位下被不断压缩和膨胀,最后输出功。1834年, J. Hershel试用逆斯特林循环来制冰, 1860年Kirk利用逆斯特林循环制冷获得成功。这种采用逆斯特林循环制冷的机器通常称为斯特林制冷机，其中的回热过程变成蓄冷过程，回热器也被称之为蓄冷器。大约100年之后,荷兰菲利浦实验室在1954年首次制成实用的微型斯特林循环低温制冷机。

斯特林发动机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点热气机又被称作外燃机。斯特林型发动机振动小、噪音、排放低。因为进气压力较小，循环压力比较低（一般为1.5-1.8，而内燃机的至少在7以上），因此压力变化平缓，因而运行平稳、安定。其结构简单、单机容量小，无需燃气压缩机，无需排气装置，比内燃机少50%的零部件。

斯特林发动机最早发明于1816年，比内燃机发明早几十年，但由于受到当时材料与制造水平的限制，没有得到进一步的发展。荷兰的飞利浦公司率先重拾了之前被埋没的斯特林发动机。1938年飞利浦公司成功制成了电功率为200W的斯特林发电机组，与无线电装置配套使用。1947年，飞利浦公司宣布制成1.2kW的斯特林发动机，在重量和体积已经有了大幅度的提升，具有相当的竞争力。为进入第三阶段做好了厚积薄发的准备。

经历了20世纪的能源危机，环境问题也日益严重，越来越多的人开始意识到斯特林发动机的价值。世界各国都投入巨资进行研究，斯特林发动机的各项关键技术得到了突破，从20世纪90年代开始，斯特林发动机在实用化的道路上不断向前发展。目前斯特林发动机已经发展到相当成熟的阶段，经济性比同类内燃机要好得多，最大功率时的效率已经达到33~37%，最佳经济性时的效率在40%以上，具有很大的发展潜力。传统的斯特林发动机机组容量在2-50kw，维护成本较低；燃料选材广泛，可用任何种类的燃料如天然气、丙烷、氢气、柴油、燃料油、垃圾填埋气、煤层气(甲烷)、工业废气、太阳能等。由于吸热和放热均是在等温下进行的，即等温压缩和等温膨胀，因此斯特林发动机有较高的热效率，另外斯特林发动机出力和效率不受海拔高度影响，因此其扫气容积功率是普通活塞式内燃机所望尘莫及的。上述特点决定了斯特林发动机在动力工程和能源利用等领域有着广阔的应用前景。例如，斯特林发动机用于电动汽车，一方面可以给汽车充电，一方面可以冬季提供采暖，夏季可以采用第二台小功率低温区的发动机驱动空调，这样就能解决电动汽车续航里程和空调使用的问题。目前，如果电动汽车采用斯特林发动机，可以采用天然气、氢气为原料，远比汽油和柴油环保。

虽然斯特林发动机有着广阔的应用前景，但是现阶段的斯特林发动机在两个方面尚有巨大的不足，一方面是各种部件的生产成本较高，不利于推广，另一方面是采用油冷却和润滑系统，维护周期短，使用不方便且成本高。

发明内容

本发明是对有油润滑四缸斯特林热力设备的改进，在该类型斯特林热力设备中，在曲柄连杆结构、气缸活塞等位置都需要油润滑，因此需要额外的润滑油、油泵、油槽、除油活塞环、填料密封等部件，造成系统部件多、结构复杂，维护周期短，制造成本高。本发明的改进在于采用直列并排的多缸布置方式，曲柄连杆结构采用轴承和偏心轮结构，活塞和气缸采用间隙密封的方式，密封部位工作在室温区。活塞将气缸分为上下两个部分，分别为热腔和冷腔，冷腔通过密封连杆与下面的曲轴空间隔离。斯特林热力循环的热腔与冷腔体积变化存在一定的相位差，因此在设计中，一个活塞的热腔总是与相邻活塞的冷腔通过气体管道连接。活塞在气缸内进行往复运动，通过活动关节与密封连杆连接，密封连杆再通过活动关节与连杆组件连接，连杆组件通过轴承与主轴连接,主轴伸出基座，并通过动密封环与基座形成密封，主轴在基座外面的部分与其他设备连接，输出轴功。

本发明的优点在于：（1）采用直列四缸的结构，活塞推动连杆机构直接将力和扭矩作用在主轴上，避免圆形或者类圆形机构需要齿轮传递的弊端，传动效率高；（2）活塞下端与气缸通过精密配合形成狭缝密封，上面部分形成热腔，下面部分利用密封连杆与密封法兰，形成冷腔，相对于传统的热腔、冷腔分别设计的方法，减少了一半的气缸和活塞；（3）采用悬挂式结构布置方案，以底座为基准，气缸通过密封环固定在底座上，密封法兰也固定在底座上，主轴通过支架也固定在底座上，这样布置的优点是所有精密部件的安装都以底座为基准，便于安装；（4）活塞、连杆、偏心机构等都采用具有自润滑功能的活动连接部件，活塞和密封连杆采用具有自润滑功能的活动关节。密封连杆和连杆组件采用球头关节的连接方式，球头关节座和关节帽形成一个封闭的区域，里面可以在装配时预先填充耐高温高粘度的润滑油。连杆组件和主轴通过带调心功能的自润滑滚珠轴承连接。设备中所有的运动部件均不采用外部油润滑，因此避免了油泵、油路以及润滑油；（5）主轴上设置两个平衡块，补偿动平衡不完善带来的振动。

附图说明

图1是本发明一种新型斯特林热力设备的主剖视图

图2是本发明一种新型斯特林热力设备的左侧剖视图

图中符号说明：

1：气缸 2：活塞 3：密封环 4：密封法兰 5：底座 6：球头关节座 7：球头杆

8：球头关节帽 9：支架 10：连杆组件 11：滚针轴承 12：间隔套 13：平衡块

14：主轴15：端盖 16：动密封环 17：储能元件 18：气体管道 19：密封垫

20：基座 21：密封垫 22：底板 23：底盖板 24：冷却水流道 25：密封连杆

26：活动关节 27：冷腔 28：热腔 29：加热管 30：水冷却器

具体实施方式

如图1和2所示，本发明涉及的斯特林热力循环设备主要包括气缸1、活塞2、密封环3、密封法兰4、底座5、球头关节座6、球头杆7、球头关节帽8、支架9、连杆组件10、轴承11、间隔套12、平衡块13、主轴14、端盖15、动密封环16、储能元件17、气体管道18、密封垫 19、基座20、密封垫 21、底板22、底盖板23、冷却水流道24、密封连杆25、活动关节26、冷腔27、热腔28、加热管29、水冷却器30。

四个活塞和气缸成直列线性布置，每组气缸1和活塞2对应有一套连杆组件10、一套加热管29、一套储能元件17、一套水冷却器30，水冷却器30通过气体管道18与相邻活塞的冷腔27连接，形成一个封闭的工作容积。最后一个活塞的热腔与第一个活塞的冷腔相连。当活塞2下移的时候，相邻活塞冷腔内的气体经过气体管道18进入水冷却器30，经过水冷却器30后进入储能元件17，再经过加热管29被外部高温热源加热后进入热腔28，气体被加热后膨胀推动活塞2下移，活塞带动连杆从而输出轴工。活塞到达底部后开始往上运动，热腔28中的气体被排除，经过加热管29后进入储能元件18再经过水冷却器30和气体管道18进入相邻活塞的冷腔27。当活塞2达到气缸顶部气体完全被排空后，活塞2开始下移，进入下一次循环。四个活塞相互配合并周而复始的不停重复上述过程，实现轴功的输出。

四组活塞2和气缸1固定在底座5上，成直列线性排布，气缸1直接固定在底座5上，并通过密封环3形成密封。密封法兰4也安装在底座5上，并形成密封。活塞2通过活动关节26与密封连杆25连接，密封连杆25穿过密封法兰4依靠精密配合形成狭缝密封，然后再与球头杆7连接，球头杆7的球头部分和高温润滑脂密封在球头关节座6和球头关节帽8中。连杆组件10包括连杆、轴承、偏心轮，偏心轮的外圈与轴承的内圈连接固定，轴承的外圈与连杆的内孔连接固定。偏心轮的内孔套在主轴上，并通过键与主轴连接。支架9固定在底座5上，主轴14外圆穿过滚针轴承11内圈，滚针轴承11的外圈与支架9上的轴承孔连接，从而实现主轴的固定。平衡块13通过销钉固定在主轴14上，起到动平衡和加大转动惯量的作用，提高主轴旋转的平顺性。间隔套12主要用来调节四组连杆组件以及平衡块在主轴14上沿轴向的分布。基座20通过螺栓与底座5连接并固定，主轴14右端伸出基座20，并过动密封环16和端盖15与基座20形成密封。底板22与基座20通过螺母固定在一起，并采用密封垫21形成密封。底盖板23固定在在底板22上，并形成密封。密封法兰4固定在底座5上，并形成密封。

储能元件17主要作用是将气体的热量储存起来，当气体从热腔28经过储能元件17时，将热量交给储能元件17，恢复到常温，在经过水冷却器30和气体管道18进入相邻活塞的冷腔27。当气体从相邻活塞的冷腔27经过气体管道18、水冷却器30后再进入储能元件17，气体从储能元件17获取热量，在经过加热管29进入活塞2的热腔28，进行吸热膨胀。储能元件的中的储能部件采用多孔介质，如层层叠加的不锈钢丝网或者直径非常小的不锈钢球，也可以采用其他金属材料。水冷却器30可以采用管壳式换热器，在一个大直径金属管中布置很多小直径金属管，两端用端板密封，工质气体从小直径金属管中来回流动，冷却水在小直径金属外面、大直径金属管里面流动，冷却小直径金属管中的工质气体。水冷却器30也可以采用板式或者板翅式换热器。气缸1的上半部分为热腔28，下半部分为冷腔27，热腔28和冷腔27的隔离通过活塞2冷端和气缸1的狭缝密封实现，冷腔27与基座20内的气体隔离，通过密封法兰4和密封连杆25实现，两者之间采用精密公差配合形成狭缝密封。所有涉及的狭缝密封的地方，形成密封的两个面都需要做自润滑处理,如渗氮、渗碳、碳氮共渗、镀石墨、DLC类金刚石粉或者陶瓷材料，或者采用特种的具有自润滑功能的金属、非金属材料。设备工作过程中，加热管29接受外部热源的热量，底座5上设计有冷却水流道24，冷却水从中不停的流过，防止热量沿气缸1和活塞2导热到底座5上，采用这种设计可以避免底座5和基座20之间的高温密封，降低密封难度，同时保障底座5不会产生热变形，影响设备的装配精度。

Claims (9)

1.一种斯特林热力循环设备主要包括气缸1、活塞2、密封环3、密封法兰4、底座5、球头关节座6、球头杆7、球头关节帽8、支架9、连杆组件10、轴承11、间隔套12、平衡块13、主轴14、端盖15、动密封环16、储能元件17、气体管道18、密封垫 19、基座20、密封垫 21、底板22、底盖板23、冷却水流道24、密封连杆25、活动关节26、冷腔27、热腔28、加热管29、水冷却器30。

2.一种斯特林热力循环设备，其特征在于：四组活塞2和气缸1固定在底座5上，成直列线性排布，气缸1直接固定在底座5上，并通过密封环3形成密封。

3.一种斯特林热力循环设备，其特征在于：活塞2通过活动关节26与密封连杆25连接，密封连杆25穿过密封法兰4依靠精密配合形成狭缝密封，然后再与球头杆7连接，球头杆7的球头部分和高温润滑脂密封在球头关节座6和球头关节帽8中。

4.一种斯特林热力循环设备，其特征在于：支架9固定在底座5上，主轴14通过滚针轴承11被支撑在支架9上，七个间隔套12、四组连杆组件10以及两个平衡块13在主轴14上沿轴向分布。

5.一种斯特林热力循环设备，其特征在于：基座20通过螺栓与底座5连接并固定，主轴14右端伸出基座20，并过动密封环16和端盖15与基座20形成密封。

6.根据权利要求1所述的一种斯特林热力循环设备，其特征在于：在底座5上布置有冷却水流道24。

7.根据权利要求1所述的一种斯特林热力循环设备，其特征在于：活塞2冷端和气缸1的采用狭缝密封，气缸1上半部分形成热腔28。

8.根据权利要求1所述的一种斯特林热力循环设备，其特征在于：密封法兰4固定底座5上，并形成密封；密封法兰4和密封连杆25采用精密公差配合形成狭缝密封，气缸1下半部分形成冷腔27。

9.根据权利要求1所述的一种斯特林热力循环设备，其特征在于：形成狭缝密封的两个面均做自润滑处理，如渗氮、渗碳、碳氮共渗、镀石墨、镀DLC类金刚石粉、镀陶瓷材料等，或者狭缝密封的两个面采用具有自润滑功能的金属、非金属材料。