CN111720236B - 斯特林发动机中的加热器和斯特林发动机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种斯特林发动机中的加热器和斯特林发动机。该加热器具有：外壳，其设置有开口；至少2根中空的加热管，其设置于该外壳内，该加热管具有相互平行设置的第一管部和第二管部、以及连接该第一管部和该第二管部的一端的弯曲部，该弯曲部靠近该外壳的设置有该开口的一侧，接收太阳照射的光，该第一管部的另一端与该斯特林发动机的膨胀腔连通，该第二管部的另一端与该斯特林发动机的回热腔连通；以及翅片，其设置于该加热管的内周壁。通过本发明实施例，能够增大加热管的传热面积，提升传热效果。

Description

斯特林发动机中的加热器和斯特林发动机

技术领域

本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种斯特林发动机中的加热器和斯特林发动机。

背景技术

斯特林发动机是一种由外部热源供热的闭式循环外燃机，具有转换效率高、使用能源广泛等优点。其中，利用太阳能作为外部热源的斯特林发动机具有无污染、无有害气体、不需要利用大量的水资源等优点，其制造过程类似于小型内燃机，环境污染的程度较小。

在利用太阳能作为外部热源的斯特林发动机中，在封闭的气缸内充有一定容积的工质。工质按照斯特林循环，在由加热器、气缸、冷却器、回热器等部件构成的封闭回路中循环流动，借由活塞机构将热能转换为机械能进行输出。

加热器是斯特林发动机中用于传热和热功转换的核心部件，因此提高加热器的集热效率具有重要意义。

目前，已知通过多根U形加热管来实现加热器的技术，即，多根U形加热管接收太阳光，并将太阳光所产生的热量传递到加热管内的工质，工质受热后流入气缸内的膨胀腔。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

发明人发现，在以往的技术中，U形加热管为内外表面光滑的管体，太阳光产生的热量经由加热管的管壁传递给加热管内的工质，由此，加热管中用于将热量传递给工质的传热面积有限，传热效果不佳。

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种斯特林发动机中的加热器以及斯特林发动机，通过该管式加热器，能够增大加热管的传热面积，提升传热效果。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种斯特林发动机中的加热器，该加热器具有：外壳，其设置有开口；至少2根中空的加热管，其设置于该外壳内，该加热管具有相互平行设置的第一管部和第二管部、以及连接该第一管部和该第二管部的一端的弯曲部，该弯曲部靠近该外壳的设置有该开口的一侧，接收太阳照射的光，该第一管部的另一端与该斯特林发动机的膨胀腔连通，该第二管部的另一端与该斯特林发动机的回热腔连通；以及翅片，其设置于该加热管的内周壁。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种斯特林发动机，该斯特林发动机具有：气缸，其借助第一活塞和第二活塞形成膨胀腔和压缩腔；连接机构，其连接该第二活塞与该第一活塞，使该第二活塞与该第一活塞连动；回热器，其内部形成有回热腔，该回热腔与该膨胀腔和该压缩腔分别连通；根据上述第一方面所述的加热器，其连通该回热腔和该膨胀腔；以及冷却器，其连通该回热腔和该压缩腔，进行冷却处理。

本发明实施例的一种有益效果在于，通过在加热管的内周壁上设置翅片，能够增大加热管的传热面积，提升传热效果。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的实施方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因此而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其他实施方式中使用，与其他实施方式中的特征相组合，或替代其他实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、整件、或组件的存在，但并不排除一个或更多个其他特征、整件或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施方式，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。在附图中：

图1是本发明实施例的斯特林发动机的示意图。

图2是本发明实施例1的加热器的剖视图。

图3是本发明实施例1的加热器的一根加热管的剖视图。

图4A是图3中圈出的P区域的局部放大图。

图4B是图3中圈出的Q区域的局部放大图。

图5A是本发明实施例1的沿图3中的A-A位置处的加热管的横截面的示意图。

图5B是本发明实施例1的沿图3中的B-B位置处的加热管的横截面的示意图。

图6是本发明实施例1的加热器的俯视图。

图7是本发明实施例2的回热器的一个俯视图。

图8是本发明实施例2的气缸的一个俯视图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本发明的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，其表明了其中可以采用本发明的原则的部分实施方式，应了解的是，本发明不限于所描述的实施方式，而是包括落入所附权利要求的范围内的全部修改变型以及等同物。

在本发明实施例中，术语“第一”、“第二”等用于对不同元素从称谓上进行区分，但并不表示这些元素的空间排列或时间顺序等，这些元素不应被这些术语所限制。术语“和/或”包括相关联列出的术语的一种或多个中的任何一个和所有组合。

在本发明实施例中，单数形式“一”、“该”等包括复数形式，应广义地理解为“一种”或“一类”而并不是限定为“一个”的含义；此外术语“所述”应理解为既包括单数形式也包括复数形式，除非上下文另外明确指出。此外术语“根据”应理解为“至少部分根据……”，术语“基于”应理解为“至少部分基于……”，除非上下文另外明确指出。

下面结合附图对本发明实施例进行说明。

图1是本发明实施例的斯特林发动机的示意图。如图1所示，斯特林发动机10具有加热器11、冷却器12、回热器13、气缸14、连接机构15。气缸14借助第一活塞16和第二活塞17形成膨胀腔S1和压缩腔S2；连接机构15连接第二活塞17与第一活塞16，使第二活塞17与第一活塞16连动；回热器13内部形成有回热腔S3，回热腔S3与膨胀腔S1和S2压缩腔分别连通；加热器11连通回热腔S3和膨胀腔S1，进行加热处理；冷却器12连通回热腔S3和压缩腔S2，进行冷却处理。工质能够在由加热器11、气缸14、冷却器12、回热器13所形成的密闭空间内循环流动。

在本发明实施例中，工质为气态工质，例如氢气、氮气、氦气或空气等，此处不再一一列举，但本实施例不限于此。

图1中仅示意性地示出了本发明实施例的斯特林发动机的原理性的构成。其中加热器11的结构可参见后述的实施例1。其他结构可参考现有技术。

实施例1

本实施例1提供一种斯特林发动机中的加热器。所述斯特林发动机可以是具有前述结构的斯特林发动机。

图2是本实施例的加热器的一个剖视图，图3是本实施例的加热器的一根加热管的剖视图，图4A是图3中圈出的P区域的局部放大图，图4B是图3中圈出的Q区域的局部放大图。以下也将图4A和图4B统称为图4。

如图2所示，加热器11具有外壳111、至少2根中空的加热管112以及翅片113。

其中，如图2所示，外壳111设置有开口111s，加热管112设置于外壳111内，加热管112具有相互平行设置的第一管部1121和第二管部1122、以及连接第一管部1121和第二管部1122的一端的弯曲部1123，弯曲部1123靠近外壳111的设置有开口111s的一侧，接收太阳照射的光L，第一管部1121的另一端与斯特林发动机的膨胀腔S1连通，第二管部1122的另一端与斯特林发动机的回热腔S3连通。

如图2至图4所示，翅片113设置于加热管112的内周壁112s。如图3和图4所示，翅片113可沿加热管的中心线X-X的方向设置于内周壁112s。

通过本实施例的加热器11，在加热管112的内周壁上设置翅片113，能够增大加热管112的传热面积，提升传热效果。

在本实施例中，太阳照射的光L可以先经由聚光器(未图示)聚集后，再经由开口111s入射到外壳111的内部。

在本实施例中，翅片113可设置于加热管112的内周壁112s的任意位置，例如，可设置于该内周壁112s的全部，如沿着加热管112的中心线X-X的方向，在整个内周壁112s设置翅片113；例如，也可如图2至图4所示，设置于该内周壁112s的部分位置，如沿着加热管112的中心线X-X的方向，在内周壁112s的部分位置上设置翅片113。

在一个实施方式中，翅片113在加热管112的中心线X-X方向上的长度可设置为加热管112在其中心线X-X方向上的长度的一半或一半以下。这样，能够避免工质的流阻损失过大。

在本实施例中，可在加热管112的内周壁112s上仅1个位置上设置翅片113，也可在内周壁112s的至少2个位置上设置翅片113。

例如，如图2至图4所示，翅片113可设置于加热管112的内周壁112s的2个不同的位置上，即翅片113a和翅片113b所在的位置上。翅片113a和翅片113b为加热管112的中心线X-X的方向上的不同位置。

在本实施例中，在每个不同的位置上，沿加热管112的周向可设置至少1个翅片。即，在每个不同的位置上，在周向上可仅设置1个翅片，也可设置至少2个翅片。在周向上设置至少2个翅片的情况下，该至少2个翅片可在加热管112的周向上等间隔或非等间隔配置。在等间隔配置的情况下，加热管112内的工质可均匀受热。

图5A是沿图3中的A-A位置处的加热管112的横截面的示意图，图5B是沿图3中的B-B位置的加热管112的横截面的示意图。如图5A和图5B所示，在每个不同的位置A-A、B-B上，分别设置有4个沿周向等间隔排列的翅片113a、113b。

在本实施例中，不同位置上设置的翅片可配置为在加热管112的周向上错开。由此，能够引导加热管112内的工质产生螺旋流，由此能够增大工质的扰动，工质在加热管112内的传热效果得到强化。例如，如图5A和图5B所示，位于位置A-A处的翅片113a的周向上的位置D1与位于位置B-B处的翅片113b的周向上的位置D2错开。

不同位置上设置的翅片113a和翅片113b的错开角度可根据实际需要确定，使得加热管112内的工质的扰动达到所需的规定程度即可。例如，可将该错开角度设置为大于20度。

但本实施例不限于此，不同位置上设置的翅片113a和翅片113b也可配置为在加热管112的周向上不错开。

在本实施例中，翅片113可至少设置于弯曲部1123。例如，如图2至图4所示，翅片113a的一部分设置于弯曲部1123，由于加热管的弯曲的位置以及接收光L的位置为光热转换的重要位置，即，弯曲部1123为光热转换的重要位置，因此，通过将翅片113至少设置于加热管112的弯曲部1123，可增强光热转换的效果。此外，翅片113也可设置于第一管部1121和第二管部1122，如图2至图4所示，翅片113b设置于第二管部1122。

在本实施例中，翅片113的横截面的形状可以为任意形状。例如，矩形、三角形、半圆形、针形、米字形等。图5A和图5B中示出了翅片113的横截面为矩形的情形。

在本实施例中，翅片113的横截面沿径向的宽度可根据实际需要而确定。确定该宽度的原则是，既能够充分增大加热管112的截面积以对工质进行充分的扰动，又能够避免使工质流动时的阻力过大。例如，使设置于同一位置处的翅片113的横截面的总宽度大致等于加热管112的内径的一半。

在本实施例中，如图2所示，至少2根加热管112可配置为，一部分加热管具有第一长度L1，另一部分加热管具有与第一长度L1不同的第二长度L2。由此，能够使加热管112在不同高度位置接收光L的照射，从而提高光L的利用率以及加热管112的温度。

在本实施例中，加热管112的数量可以根据需求任意设置。例如，加热管112可以是至少20根，这样，能够进一步增强加热管112的加热效果。

在本实施例中，外壳111可设置为任意形状，例如，可设置为以中心轴线为中心的中心对称的形状。这样，能够提高外壳111内部的辐射热流分布均匀性。这样，能够减小外壳111内部的辐射热流峰值，减少局部过热对加热管112和外壳111造成的危害，从而延长加热管112和外壳111的寿命或降低对加热管112和外壳111的材料要求。此外，还可提高加热器11的换热效率。

图6是本实施例的加热器的俯视图。例如，如图2和图6所示，外壳111可以中心轴线O-O为中心，呈椭球形。但本实施例不限于此，外壳111还可呈椭球形、半球形或圆锥形等。

在外壳111设置为椭球形、半球形或圆锥形的情况下，反射光更易于在外壳111的不同部位的内壁之间反射，反射率较高，这样，从外壳111溢出的反射光较少，能够避免光量损失；并且，外壳111内部的辐射热流的均匀性较好、峰值较小，能够避免加热管112和外壳111局部过热，这样，能够延长加热管112和外壳111的寿命或降低对加热管112和外壳111的材料要求。

在本实施例中，至少2根加热管112可设置在外壳111内的、能够接收到太阳光照射的光L的任意位置。

在一个实施方式中，如图2和图6所示，至少2根加热管112可沿着以中心轴线O-O为中心的圆周方向排列，其中，每个加热管112中的第一管部1121靠近中心轴线，第二管部1122沿着径向远离中心轴线O-O。由此，能够使加热管112更充分地接收光L的照射，从而提高光L的利用率以及加热管112的温度。但本实施例不限于此，至少2根加热管112也可通过其他方式排列，例如，排列为矩形或正多边形等。

在本实施例中，加热管112的外表面上还可涂覆有吸热涂层，以增强加热管112对热量的吸收效果，由此，能够提升对加热管112内的工质的加热效果。例如，该吸热涂层可以由石墨烯材料形成。并且，石墨烯涂层还具有耐高温、受氧化影响小、高硬度、低摩擦系数等特点，因此，通过在加热管112的外表面上设置石墨烯涂层，能够稳定、高效地增强加热管112的吸热效果以及对工质的加热效果，且该石墨烯涂层不易磨损和脱落。

在本实施例中，如图2所示，加热器11还可包括反射体114，反射体114设置于外壳111内，与开口111s对置，且邻近加热管，反射体114接收光L并将光L反射到至少2根加热管112上。由此，能够提高光L的利用率以及加热管112的温度。例如，如图2所示，反射体114可设置于外壳111的居中的位置，由此，可进一步提高光L的利用率和加热管112的温度。

在本实施例中，反射体114可设置为表面抛光度达到规定阈值以上，由此，能够提高反射率，进一步提高对光L的利用率。此外，可采用耐高温且具有良好散热效果的材料制成，例如陶瓷材料等。由此，能够提高反射体114的可靠性以及反射性能。

反射体114可以形成为任意有利于将光L反射到加热管112的形状。例如，如图2所示，反射体114可形成为锥体，并且该椎体可设置为顶点朝向开口111s设置。

通过本实施例的加热器，在加热管的内周壁上设置翅片，能够增大加热管的传热面积，提升传热效果。

实施例2

本实施例2提供一种斯特林发动机。

如前所述，图1示出了本实施例的斯特林发动机的构成。如图1所示，斯特林发动机10具有加热器11、冷却器12、回热器13、气缸14、连接机构15。气缸14借助第一活塞16和第二活塞17形成膨胀腔S1和压缩腔S2；连接机构15连接第二活塞17与第一活塞16，使第二活塞17与第一活塞16连动；回热器13内部形成有回热腔S3，回热腔S3与膨胀腔S1和S2压缩腔分别连通，膨胀腔S1、回热腔S3和压缩腔S2内填充有工质(图1中未示出)；加热器11连通回热腔S3和膨胀腔S1，并对工质进行加热；冷却器12连通回热腔S3和压缩腔S2，进行冷却处理。工质在由加热器11、气缸14、冷却器12、回热器13所形成的密闭空间内循环流动。

其中，加热器11可具有实施例1中所述的结构，此处不再赘述。

冷却器12可采用任意类型的具有制冷功能的装置实现，例如，水冷式冷却装置、风冷式冷却装置、氨冷式冷却装置等。

图7是本实施例的回热器13的一个俯视图。在本实施例中，如图7所示，回热器13的外表面上可具有孔131，孔131的直径可设置为与加热器11的加热管112的外径大致相同。由此，能够通过焊接等工艺将加热管112的一端固定于孔131内，从而使加热器11以密封的方式连通回热腔S3。但本实施例不限于此，也可通过其他方式连通加热管112和回热腔S3。

如图1所示，膨胀腔S1和压缩腔S2可利用一个气缸14形成，但本实施例不限于此，也可利用两个气缸分别形成。

图8是本实施例的气缸14的一个俯视图。在本实施例中，如图8所示，气缸14可具有孔141，孔141的直径可设置为与加热器11的加热管112的外径相同。由此，能够通过焊接工艺将加热管112的另一端焊接于孔141内，从而使加热器11以密封的方式连通膨胀腔S1。但本实施例不限于此，也可通过其他方式连通加热管112和膨胀腔S1。

在使用两个气缸分别形成膨胀腔和压缩腔的情况下，用于形成膨胀腔的气缸可形成为如图8所示的结构。

此外，在本实施例中，如图1所示，连接机构15可以是包括连杆151、曲轴盘152和齿轮153的曲柄连杆机构，但本实施例不限于此，也可以是能够实现类似功能的任意其他连接机构。并且，连接机构15的具体实现可根据所使用的气缸的数量以及排列方式进行适应性的调整。

本实施例的斯特林发动机10的工作过程如下：加热管11接收光L的照射而获得热量，并将热量传递给工质；工质受热后进入膨胀腔S1并在膨胀腔S1内膨胀，推动第一活塞16移动而做功；在连接机构15的作用下，第二活塞17与第一活塞16连动；由于惯性作用，第一活塞16在做功后推动工质经过回热腔S3，进入压缩腔，冷却器12对工质进行冷却，工质的温度下降。由此，能够实现斯特林循环。

通过本实施例的斯特林发动机，在加热管的内周壁上设置翅片，能够增大加热管的传热面积，提升传热效果。

以上参照附图详细叙述了本发明实施例，指明了本发明的原理可以被采用的方式。然而应当理解，本发明的实施不限于上述实施例的方式，还包括不脱离本发明主旨范围的所有改变、修改和等同等。

Claims (9)

1.一种斯特林发动机中的加热器，其特征在于，所述加热器具有：

外壳，其设置有开口；

至少2根中空的加热管，其设置于所述外壳内，所述加热管具有相互平行设置的第一管部和第二管部、以及连接所述第一管部和所述第二管部的一端的弯曲部，所述弯曲部靠近所述外壳的设置有所述开口的一侧，接收太阳照射的光，所述第一管部的另一端与所述斯特林发动机的膨胀腔连通，所述第二管部的另一端与所述斯特林发动机的回热腔连通；以及

翅片，其设置于所述加热管的内周壁，

在所述加热管的内周壁的沿所述加热管的中心线的方向的至少2个不同的位置上间隔地设置所述翅片，在每个所述不同的位置上沿周向设置至少1个翅片，不同位置上设置的所述翅片在周向上错开，不同位置上设置的所述翅片的错开角度大于20度。

2.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述翅片在沿所述加热管的中心线的方向上设置于所述加热管的内周壁的一部分。

3.根据权利要求2所述的加热器，其特征在于，所述翅片至少设置于所述弯曲部。

4.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，

至少2根所述加热管中的一部分加热管具有第一长度，另一部分加热管具有与所述第一长度不同的第二长度。

5.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，

在所述加热管的外表面涂覆有吸热涂层，所述吸热涂层由石墨烯形成。

6.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，

所述外壳呈以中心轴线为中心的中心对称的形状，至少2根所述加热管沿着以所述中心轴线为中心的圆周方向排列，其中每个加热管中的所述第一管部靠近所述中心轴线，所述第二管部沿着径向远离所述中心轴线。

7.根据权利要求6所述的加热器，其特征在于，

所述外壳呈椭球形、半球形或圆锥形。

8.根据权利要求6所述的加热器，其特征在于，

反射体，其设置于所述外壳内，所述反射体与所述开口对置且邻近所述加热管，所述反射体接收所述光并将所述光反射到至少2根所述加热管上。

9.一种斯特林发动机，其具有：

气缸，其借助第一活塞和第二活塞形成膨胀腔和压缩腔；

连接机构，其连接所述第二活塞与所述第一活塞，使所述第二活塞与所述第一活塞连动；

回热器，其内部形成有回热腔，所述回热腔与所述膨胀腔和所述压缩腔分别连通；

根据权利要求1至8中任一项所述的加热器，其连通所述回热腔和所述膨胀腔；以及

冷却器，其连通所述回热腔和所述压缩腔，进行冷却处理。