CN1100203C - 斯特林发动机 - Google Patents

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Abstract

一种斯特林发动机，它具有一个设有许多近似弯成U形的加热细管的可加热的气缸盖，并具有一个冷却器，利用这种发动机来优化其中的能量平衡。特别是，提出这样一种方案，利用它来改善对加热细管的热量传递和冷却器的工作效率。上述方案是这样实现的：流过工作介质的加热细管(4)朝外的管段(4c)至少局部带有陶瓷背圈(11)，以使加热气体的流动(10)最优化；冷却器在一锅形的壳体(21)内设计成被冷却水环绕的、带若干径向肋的轻金属体(20)，其中，径向肋(23)相互之间的间隔比径向肋外边缘到壳体内壁的间隙(25)宽。

Description

斯特林发动机
本发明涉及一种斯特林发动机，它具有一个带有许多近似弯成U形的加热细管的可加热的气缸盖，以及一个工作气体的冷却器。
斯特林发动机有许多已知的形式。这里以DE 4 016 238 C2作为这种发动机和蒸汽发生器结合的例子。
这类斯特林发动机的基本原理在于，一定容积的气体(现在基本上用氦气)被两个活塞强迫在斯特林发动机内部作往复运动。在发动机的一端，氦气在加热细管中被气体燃烧器的火焰加热，而在另一端氦气由冷却器冷却。中间是一个热回收器，在气体从加热端到冷却端的过程中从气体中提取热量，并将热量在回流过程中又供给气体。两个活塞之间连接有传动齿轮箱，因此可以例如通过发电机引出动力。两个活塞相互平行或反向地作交替运动，因此气体由一个活塞压缩，然后利用另一个活塞在输入热量之后而再次膨胀。
除了机械问题以外，人们还发现了一个疑难问题，即一方面要优化燃烧器火焰的热量传递给加热细管的过程，而另一方面又要优化冷却器。相应于开头所述类型的斯特林发动机由DE 2 821 164 A1已知。该文献所公开的高温气体发动机与前述能量问题无关，这一点也可适用于现有技术所述的其它解决方案。例如，DE 3 444 995 A1说明了在相应涡轮机中的紊流装置。
此外，由DE 4 232 555 A1或例如由DE 4 401 247 A1已知冷却器，这种冷却器的冷却体具有一个在外部环绕并流过冷却液的螺旋槽。这种开有螺旋槽的冷却体制造起来比较昂贵，而且冷却液总是在途经螺旋槽时被加热，因此这种冷却体不可能进行最佳设计。
本发明的目的是为了优化斯特林发动机中的能量平衡，特别是提供这样一种解决方案，利用它改进对加热细管的热量传递和冷却器的效率。
为实现此目的，按本发明提供了这样一种斯特林发动机，它具有一个气缸盖，并包括多个近似弯成U形的加热细管和一个冷却器，所述多个加热细管具有朝内和朝外的管段，工作介质流过所述加热细管，一个陶瓷背圈布置在至少局部地靠近加热细管的朝外的管段的位置，以优化加热气体围绕朝外的管段的流动。
在这里所讨论的结构中，加热器通常包括两组同轴的细管，这些管子围着同一中心排成圆形，并经管子弯头连成U形的加热器细管，其中，细管的一端与膨胀室相连，另一端与热回收器相连。
考虑到内侧的热传递技术，设置成圆环形的细管组有利地相互并置，但由于几何空间的原因，外侧的细管组自然就排列得比较疏，因此废气流在缝隙间速度减慢，热量传递变差。正如定义所讨论类型的说明书中指出的，迄今所采取的应付措施是，将外侧的细管设计成加肋管，例如在管子上焊加热传递肋，这必然涉及很大的费用，从而被证明不够经济。
在本发明中，利用带陶瓷导流元件的背圈，如为一种陶瓷背圈，用经济、可承受的手段优化了外侧细管周围气体的流动。
陶瓷背圈的部件可有利地由横断面近似为T型的陶瓷成型元件构成，其中，T立股在相邻的细管之间由外指向内，T头部盖住细管外侧局部。从这一点看，应当指出，冷却管上的导流元件本身是已知的，例如JP 61-226 547-A中所示的那样。
为了保证外侧细管外表面和陶瓷背圈间的规定的流动通道，本发明规定，在陶瓷背圈的内表面特别是在从T立股向T头部的过渡区域，为形成环流或穿流间隙设有间距定位装置。这种间距定位装置可以是浇注在陶瓷上的小隔肋，如果需要，也可以是点状的圆形陶瓷凸起或陶瓷圆点或类似的结构。
按本发明还规定，加热细管顶部的弯曲部分设有一个陶瓷环形盖，其中，为了优化经过外侧细管自由空间的横向流动，陶瓷环形盖有一个带流动隔肋的顶部盘，因此在环形盖内表面和顶部弯曲部分的外表面间没有间隙。
为了使冷却器的致冷能力最佳，本发明规定，冷却器为一块被冷却水环绕的带有径向肋的轻金属体，位于锅形壳体内，径向肋相互之间的间隔比径向肋外边缘到壳体内壁的间隙宽。这个冷却块能很容易就特别有效地致冷是因为，它可确保全部的冷却液从径向肋之间的间隙中通过。
为保证冷却水只通过冷却体内部一条特别短的路线，以获得好的致冷效果，本发明在边缘至少开两个跨经所有径向肋的槽，这样就形成了冷却水的入流和出流。这样通过冷却器中的一个槽，冷却水就能被分流到所有冷却肋之间的间隙中去，并且冷却水可以从另一边的槽中流出，所以每股冷却水实际上绕了半圈。长的路线，例如已知的螺旋冷却肋就由此可靠地避免了。
按本发明，向内偏移一段距离，有钻孔或轴向肋，用于要冷却的工作气体。
为了解决容纳冷却体的锅形壳体和冷却体间的密封问题，采取了一些简单措施，本发明规定，冷却体至少在其与壳体底部相应的底部表面，设有环形密封圈。
更进一步的结构上的简单设计在于，冷却体在其朝向加热器的边缘表面上设有一个带有至少一个环形密封圈的向外指的密封凸缘。环形密封圈可做为密封装置，不受轴向载荷。当然，作为环形密封圈的补充，在冷却体的圆柱形外壁上设适当的密封装置。
为了防止或处理可能的泄漏，本发明规定，在壳体的与冷却器凸缘共同作用的边缘区域设有一个排流装置。
下面参照附图更详细地描述本发明，附图中：
图1为一种带加热器细管和冷却器的斯特林发动机的简化的原理图，
图2是大致沿图1中II-II线剖开加热头的放大的截面图，
图3用简单立体图示出了陶瓷背圈的一个元件，
图4用比较视图示出了陶瓷背圈的细节，
图5为带有陶瓷背圈的细管底部的细节截面图，
图6示出了陶瓷顶盖，
图7用简单立体图示出了冷却体，以及
图8为大致沿图7中VIII-VIII线通过带有冷却体的壳体的局部区域的细节剖视图。
图1中简化地示出了总的用1表示的斯特林发动机，它包括：一个被燃烧器的火焰加热、总的用3表示的气缸盖，它带有许多U型弯曲加热细管4；一个画出了轮廓的热回收器5；一个相邻的冷却体6；一个驱气活塞7；一个作功活塞8；以及，一个传动齿轮箱9，这里不提及任何传动齿轮箱的细节。
正如前面已说明的，被火焰2加热的气缸盖3包括许多加热细管4，与气缸盖相关，这些加热细管由内侧直的管段4a，相应的弯头4b和外侧的管段4c构成，其中，管段4a处接入膨胀室7a，而外侧的管段4c导入热回收器5。
正如图2中详细表示的，从几何图形上看，内侧的管段4a互相之间排列得较密，而外侧管段4c则相对较疏。内侧管段4a为废气提供了优良的流动条件，流动路线见图1和图2中箭头10所示。
为了使气体在相隔较远的外侧管段4c之间有同样优良的流动路线，外侧管段4c具有陶瓷背圈11。陶瓷背圈11由各个横断面近似为T型的陶瓷成型元件12组成，各陶瓷成型元件12有一个由内向外延伸的T立股12a和一个T头部12b，T头部12b在管段4c的外侧，并保留一段间隙。
这个间隙的形成是这样实现的：陶瓷成型元件12的内侧表面在T立股12a和T头部12b间的过渡区域有恰好紧贴靠着外侧管段4c的加强肋13。由此，废气在外侧管段4c的周围获得了与内侧管段4a周围同样的流动条件。
为了在外侧管段4c区域获得有利的横向流动，在本发明中，在上面盖上一个陶瓷环形盖14，这个环形盖14具有用于陶瓷元件12顶部区域的定位凸缘15。
在图5中还示出了每个陶瓷元件12的底部区域是如何被定位在缸壁17内的，这时，在那里设有一个固定相应的底部区域的定位凸缘18。
图7和8所示的斯特林发动机1的冷却器6，基本上由一块轻金属冷却块20组成，该冷却块装在锅形壳体21内，壳体21具有入流22和空间位置相对、在图8中未示出的冷却水出流。
冷却块20被设计为一块轻金属体，具有许多平行的外部环绕的径向肋23，这些径向肋23在其间形成了流动通道24，并且径向肋和壳体21内壁间有一段比较窄的间隙25，这段间隙明显比每个流动通道24的宽度窄。在两侧，在冷却水的入口22和相对的冷却水出口区域，在冷却体20上设两个轴向槽26，轴向槽26跨经了所有的径向肋23，通过轴向槽26将经过的冷却水分流到各个流动通道24，或者，冷却水由轴向槽26得以排走。
位置更靠里，冷却块20具有许多轴向钻孔28，它们也可以是许多肋，作为要冷却的工作介质的相应流动通道。
为了最有效地把冷却块20相对相邻的部件密封，冷却块在其面向壳体下部的底部20a在图示实施例中有两个轴向密封圈29，在其上侧有一个径向密封圈30和另一个轴向密封圈31，如图8所特别示出的那样，其上侧被设计成一个径向向外的密封凸缘32。
最后，可以在壳体21的与冷却块20凸缘32共同作用的区域33，以及在两个缸底密封圈29之间的区域34，设一个排流槽或类似的结构，以便泄漏的冷却水流出，这一点只在图8中示意示出。
当然，在不脱离本发明基本思路的情况下，可在许多方面对本发明的上面描述的实施方案进行变化。

Claims (10)

1.一种斯特林发动机，它具有一个气缸盖，并包括多个近似弯成U形的加热细管(4)和一个冷却器，所述多个加热细管具有朝内和朝外的管段(4a，4c)，工作介质流过所述加热细管，其特征在于：一个陶瓷背圈(11)布置在至少局部地靠近加热细管(4)的朝外的管段(4c)的位置，以优化加热气体围绕朝外的管段(4c)的流动(10)。
2.按照权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于：陶瓷背圈(11)的部件由横断面近似为T型的陶瓷成型元件(12)组成，T立股(12a)在相邻的细管(4)之间由外指向内，T头部(12b)盖住细管(4c)外侧局部。
3.按照权利要求2所述的斯特林发动机，其特征在于：内表面尤其是在从T立股(12a)向T头部(12b)的过渡区域，为形成环流或穿流间隙设有间距定位装置(13)。
4.按照权利要求2所述的斯特林发动机，其特征在于加热细管(4)的顶部弯曲部分(4b)设有陶瓷环形盖(14)。
5.按照权利要求4所述的斯特林发动机，其特征在于：陶瓷环形盖(14)上有一个带隔肋(15)的顶部盘，使环形盖(14)内表面(16)和顶部弯曲部分(4b)的外表面间没有间隙。
6.按照权利要求4或5所述的斯特林发动机，其特征在于：在陶瓷环形盖(14)和壳体壁(17)上有定位凸缘(15或18)，分别用于固定陶瓷元件(12)的顶部和底部。
7.按照权利要求1至5之一所述的斯特林发动机，其特征在于：冷却器在一锅形的壳体(21)内设计成被冷却水环绕的、带若干径向肋的轻金属体(20)，其中，径向肋(23)相互之间的间隔比径向肋外边缘到壳体内壁的间隙(25)宽。
8.按照权利要求7所述的斯特林发动机，其特征在于：在边缘至少开两个跨经所有径向肋(23)的槽(27)，以形成冷却液的入流和出流。
9.按照权利要求7所述的斯特林发动机，其特征在于：冷却体(20)至少在其与壳体底部相应的底部表面设有环形密封圈(29)。
10.按照权利要求7所述的斯特林发动机，其特征在于：冷却体(20)在其朝向加热器的边缘表面上设有一个带环形密封圈(31)的向外指的密封凸缘(32)。
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