CN115585684A - 斯特林发动机用高温换热器及斯特林发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种斯特林发动机用高温换热器及斯特林发动机，该斯特林发动机用高温换热器包括柱状壳体、圆环形翅片组和多个热管，所述圆环形翅片组设于所述柱状壳体的内侧，且轴线重合，多个所述热管沿垂直于所述柱状壳体的轴线的方向嵌入并贯穿所述柱状壳体和所述圆环形翅片组，多个所述热管相互平行设置。本发明实现增加热管的设置个数，进而增加了热管与圆环形翅片组的接触面积，减小圆环形翅片中的周向温差，增强高温换热器的整体换热性能，提高发动机效率。
Description
技术领域
本发明涉及斯特林发动机技术领域，尤其涉及一种斯特林发动机用高温换热器及斯特林发动机。
背景技术
自由活塞斯特林发动机是一种外部加热的回热式热机，具有高效、可靠、环保等优点。传统自由活塞斯特林发动机由室温换热器、回热器、高温换热器、膨胀腔、调相器以及压缩腔构成。其中，室温换热器、回热器及高温换热器均呈环形，且依次相连，并与调相器同轴布置。高温换热器作为自由活塞斯特林发动机的关键部件，对发动机性能具有重要影响。
现有热管加热型自由活塞斯特林发动机中的高温换热器主要由换热器外壳、圆环形翅片及热管嵌入管组成，各圆环形翅片通过热管嵌入管进行固定及连接。其中，系统中的工作气体在翅片间隙中进行交变流动，并通过换热器本体与热管进行换热。
此换热器中存在以下问题：各热管均需贯穿整个环状换热器，因此，热管的布置位置存在较大的限制，热管数量较少，换热器与热管的接触面积不足，同时，也会导致各热管之间翅片较长，翅片中存在较大周向温差，换热性能差。
发明内容
本发明提供一种斯特林发动机用高温换热器及斯特林发动机，用以解决现有技术中环状换热器换热面积不足，换热能力差的缺陷，实现增加热管与换热器本体的接触面积，增强换热器的换热性能，提高发动机效率。
本发明提供一种斯特林发动机用高温换热器，包括柱状壳体、圆环形翅片组和多个热管，所述圆环形翅片组设于所述柱状壳体的内侧，且轴线重合，多个所述热管沿垂直于所述柱状壳体的轴线的方向嵌入并贯穿所述柱状壳体和所述圆环形翅片组，多个所述热管相互平行设置。
根据本发明提供的一种斯特林发动机用高温换热器，所述圆环形翅片组包括同轴设置的第一圆环形翅片单元和第二圆环形翅片单元，所述第一圆环形翅片单元和所述第二圆环形翅片单元之间设有圆环形气体分隔板，所述圆环形气体分隔板设有多个与所述热管一一对应的贯穿孔。
根据本发明提供的一种斯特林发动机用高温换热器，所述柱状壳体的内侧设有气流转折槽，所述第一圆环形翅片单元通过所述气流转折槽与所述第二圆环形翅片单元连通。
根据本发明提供的一种斯特林发动机用高温换热器，所述第一圆环形翅片单元包括多个同轴设置的圆环形翅片，所述第二圆环形翅片单元包括多个同轴设置的圆环形翅片，所述第一圆环形翅片单元用以与回热器连通，所述第二圆环形翅片单元用以与膨胀腔连通。
根据本发明提供的一种斯特林发动机用高温换热器，所述圆环形气体分隔板与所述回热器的内侧壁连接。
根据本发明提供的一种斯特林发动机用高温换热器，所述圆环形气体分隔板为紫铜材质分隔板，所述圆环形翅片为紫铜材质翅片。
根据本发明提供的一种斯特林发动机用高温换热器，所述柱状壳体为不锈钢材质壳体。
本发明还提供一种斯特林发动机，包括对置设置的发动机单元，所述发动机单元包括室温换热器、回热器、调相器和如上所述的斯特林发动机用高温换热器，所述室温换热器、所述回热器和所述高温换热器同轴依次连接设置，所述调相器插设于所述室温换热器、所述回热器和所述高温换热器构成的压缩腔和膨胀腔内，并可在所述压缩腔和所述膨胀腔内沿所述压缩腔的轴向移动。
根据本发明提供的一种斯特林发动机，所述调相器的长度小于或等于所述室温换热器和所述回热器沿轴向的长度和。
根据本发明提供的一种斯特林发动机，两个所述高温换热器对置设置，两个所述高温换热器的气流转折槽通过气体连通孔连通和/或所述高温换热器设有中心通孔，两个所述中心通孔用以连通两个所述膨胀腔。
本发明提供的斯特林发动机用高温换热器及斯特林发动机，通过设置柱状壳体、圆环形翅片组和多个热管，所述圆环形翅片组设于所述柱状壳体的内侧，且轴线重合，多个所述热管沿垂直于所述柱状壳体的轴线的方向嵌入并贯穿所述柱状壳体和所述圆环形翅片组，多个所述热管相互平行设置，实现增加热管的设置个数，进而增加了热管与圆环形翅片组的接触面积，减小圆环形翅片中的周向温差，增强高温换热器的整体换热性能，提高发动机效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
图1是本发明提供的斯特林发动机用高温换热器的结构示意图；
图2是本发明提供的斯特林发动机用高温换热器的纵向剖视图；
图3是本发明提供的斯特林发动机用高温换热器的横向剖视图；
图4是本发明提供的斯特林发动机中发动机单元的纵向剖视图；
图5是本发明提供的斯特林发动机的纵向剖视图；
图6是本发明提供的斯特林发动机中两个对置设置的高温换热器的纵向剖视图；
图7是本发明提供的斯特林发动机的纵向剖视图；
图8是本发明提供的斯特林发动机中两个对置设置的高温换热器的纵向剖视图；
附图标记：
1：室温换热器；2：回热器；3：高温换热器；4：膨胀腔；5：调相器；6：压缩腔；7：柱状壳体；8：第一圆环形翅片单元；9：热管；10：第二圆环形翅片单元；11：圆环形气体分隔板；12：气流转折槽；14：气体连通孔；15：中心通孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1至图3描述本发明的一种斯特林发动机用高温换热器，包括柱状壳体7、圆环形翅片组和多个热管9，圆环形翅片组设于柱状壳体7的内侧，且轴线重合，多个热管9沿垂直于柱状壳体7 的轴线的方向嵌入并贯穿柱状壳体7和圆环形翅片组，多个热管9相互平行设置。可以理解的是，圆环形翅片组与柱状壳体7同轴设置，即圆环形翅片组的轴线与柱状壳体7的轴线重合，且圆环形翅片组设置于柱状壳体7的内底侧。多个热管9沿垂直于柱状壳体7的轴线的方向嵌入，并贯穿整个圆环形翅片组和柱状壳体7，通过热管9的贯穿实现圆环形翅片组和柱状壳体7的相对固定。多个热管9之间相互平行设置，沿柱状壳体7的轴线方向热管9设置多排，每排可设置多根热管9。值得说明的是，本实施例中热管9沿柱状壳体7的轴线设置两排。也就是说，采用柱状壳体7较现有的环状壳体，可有效增加每排热管9数量，增加热管9与圆环形翅片组的接触面积，同时可减小圆环形翅片组的周向温差，增强换热器的换热能力，提升发动机的工作效率。
根据本发明提供的一种斯特林发动机用高温换热器，圆环形翅片组包括同轴设置第一圆环形翅片单元8和第二圆环形翅片单元10，第一圆环形翅片单元8和第二圆环形翅片单元10之间设有圆环形气体分隔板11，圆环形气体分隔板11设有多个与热管9一一对应的贯穿孔。可以理解的是，圆环形翅片组包括同轴设置的第一圆环形翅片单元8和第二圆环形翅片单元10，第二圆环形翅片单元10套设于第一圆环形翅片单元8内，其中，第一圆环形翅片单元8的进气口与第二圆环形翅片单元10的出气口位于同侧，第一圆环形翅片单元8的出气口和第二圆环形翅片单元10的进气口位于同侧，保证气体的流通的通畅和均匀性。第一圆环形翅片单元8和第二圆环形翅片单元 10之间设置圆环形气体分隔板11，实现对气体流动的导流作用，在第一圆环形翅片单元8和第二圆环形翅片单元10的进气口和出气口之间均匀稳定流动，防止气体乱窜，保证换热效率。圆环形气体分隔板11设有多个贯穿孔，贯穿孔与热管9一一对应，实现圆环形气体分隔板11与热管9的相对固定，保证换热的稳定性。值得说明的是，圆环形气体分隔板11的轴线与柱状壳体7同轴设置。
根据本发明提供的一种斯特林发动机用高温换热器，柱状壳体7 的内侧设有气流转折槽12，第一圆环形翅片单元8通过气流转折槽 12与第二圆环形翅片单元10连通。可以理解的是，柱状壳体7的内底侧设有气流转折槽12，气流转折槽12呈锥形，实现第一圆环形翅片单元8和第二圆环形翅片单元10的连通，气体进入气流转折槽12 后，改变运动方向，以相反方向继续流通。也就是说，第一圆环形翅片单元8中的气体进入气流转折槽12中，并由气流转折槽12中进入第二圆环形翅片单元10中，或者，第二圆环形翅片单元10中的气体进入气流转折槽12中，并由气流转折槽12中进入第一圆环形翅片单元8中，实现气体通过气流转折槽12在第一圆环形翅片单元8和第二圆环形翅片单元10之间的转折流通。
根据本发明提供的一种斯特林发动机用高温换热器，第一圆环形翅片单元8包括多个同轴设置的圆环形翅片，第二圆环形翅片单元 10包括多个同轴设置的圆环形翅片，第一圆环形翅片单元8用以与回热器2连通，第二圆环形翅片单元10用以与膨胀腔4连通。可以理解的是，第一圆环形翅片单元8由多个圆环形翅片同轴设置构成，圆环形翅片与柱状壳体7的同轴设置。第一圆环形翅片单元8用以回热器2连通，第二圆环形翅片单元10用以与膨胀腔4连通，实现气体由回热器2进入第一圆环形翅片单元8，由气流转折槽12进入第二圆环形翅片单元10，再进入膨胀腔4，或者，气体由膨胀腔4进入第二圆环形翅片单元10，由气流转折槽12进入第一圆环形翅片单元 8，再进入回热器2，实现气体的往复循环流通。
根据本发明提供的一种斯特林发动机用高温换热器，圆环形气体分隔板11与回热器2的内侧壁连接。可以理解的是，圆环形气体分隔板11与回热器2的内侧壁固定连接，第一圆环形翅片单元8设于圆环形气体分隔板11的外侧，第二圆环形翅片单元10设于圆环形气体分隔板11的内侧，保证对气体流通的导流作用。
根据本发明提供的一种斯特林发动机用高温换热器，圆环形气体分隔板11为紫铜材质分隔板，圆环形翅片为紫铜材质翅片。可以理解的是，圆环形气体分隔板11和圆环形翅片的材质均选用热导率高的材质，本实施例中，选用紫铜材质。
根据本发明提供的一种斯特林发动机用高温换热器，柱状壳体7 为不锈钢材质壳体。可以理解的是，柱状壳体7和热管9需要具备一定的承压能力，本实施例中，柱状壳体7和热管9的材质均采用不易变形的不锈钢材质。
下面结合图4至图8描述本发明还提供一种斯特林发动机，包括对置设置的发动机单元10，发动机单元10包括室温换热器1、回热器2、调相器5和如上所述的斯特林发动机用高温换热器3，室温换热器1、回热器2和高温换热器3同轴依次连接设置，调相器5插设于室温换热器1、回热器2和高温换热器3构成的压缩腔6和膨胀腔 4内，并可在压缩腔6和膨胀腔4内沿压缩腔6的轴向移动。可以理解的是，发动机单元10对置设置，可有效增强整个发动机的换热性能和效率，同时减小发动机由于调相器5往复运动以及气体交变流动过程中产生的振动。其中，室温换热器1与回热器2连接，回热器2 与高温换热器3连接，且均同轴设置。室温换热器1的内侧空间为压缩腔6，回热器2的内侧空间为膨胀腔4。调相器5插设于压缩腔6 和膨胀腔4内，并在压缩腔6和膨胀腔4内沿发动机单元10的轴向往复移动，使内部气体进行交变流动，从而实现热与功的转换。
根据本发明提供的一种斯特林发动机，调相器5的长度小于或等于室温换热器1和回热器2沿轴向的长度和。可以理解的是，调相器 5的长度小于或等于室温换热器1和回热器2沿轴向的长度和，与现有的调相器5相比，长度缩短，使得发动机单元10整体机构更紧凑。
根据本发明提供的一种斯特林发动机，两个高温换热器3对置设置，两个高温换热器3的气流转折槽12通过气体连通孔14连通和/ 或高温换热器3设有中心通孔15，两个中心通孔15用以连通两个膨胀腔4。可以理解的是，如图5和图6所示，两个发动机单元10的高温换热器3对置设置，两个高温换热器3的气流转折槽12通过柱状壳体7的气体连通孔14实现连通，实现工作气体的连通。
或者，如图7和图8所示，柱状壳体7的中心处设置中心通孔 15，中心通孔15与膨胀腔4连通，实现两个发动机单元10的膨胀腔 4通过中心通孔15的连通，进而实现膨胀腔4内的工作气体的连通，降低发动机的振动。
本发明提供的斯特林发动机用高温换热器及斯特林发动机，通过设置柱状壳体、圆环形翅片组和多个热管，圆环形翅片组设于柱状壳体的内侧，且轴线重合，多个热管沿垂直于柱状壳体的轴线的方向嵌入并贯穿柱状壳体和圆环形翅片组，多个热管相互平行设置，实现增加热管的设置个数，进而增加了热管与圆环形翅片组的接触面积，减小圆环形翅片中的周向温差，增强高温换热器的整体换热性能，提高发动机效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种斯特林发动机用高温换热器，其特征在于，包括柱状壳体、圆环形翅片组和多个热管，所述圆环形翅片组设于所述柱状壳体的内侧，且轴线重合，多个所述热管沿垂直于所述柱状壳体的轴线的方向嵌入并贯穿所述柱状壳体和所述圆环形翅片组，多个所述热管相互平行设置。
2.根据权利要求1所述的斯特林发动机用高温换热器，其特征在于，所述圆环形翅片组包括同轴设置的第一圆环形翅片单元和第二圆环形翅片单元，所述第一圆环形翅片单元和所述第二圆环形翅片单元之间设有圆环形气体分隔板，所述圆环形气体分隔板设有多个与所述热管一一对应的贯穿孔。
3.根据权利要求2所述的斯特林发动机用高温换热器，其特征在于，所述柱状壳体的内侧设有气流转折槽，所述第一圆环形翅片单元通过所述气流转折槽与所述第二圆环形翅片单元连通。
4.根据权利要求3所述的斯特林发动机用高温换热器，其特征在于，所述第一圆环形翅片单元包括多个同轴设置的圆环形翅片，所述第二圆环形翅片单元包括多个同轴设置的圆环形翅片，所述第一圆环形翅片单元用以与回热器连通，所述第二圆环形翅片单元用以与膨胀腔连通。
5.根据权利要求4所述的斯特林发动机用高温换热器，其特征在于，所述圆环形气体分隔板与所述回热器的内侧壁连接。
6.根据权利要求5所述的斯特林发动机用高温换热器，其特征在于，所述圆环形气体分隔板为紫铜材质分隔板，所述圆环形翅片为紫铜材质翅片。
7.根据权利要求1至6任一项所述的斯特林发动机用高温换热器，其特征在于，所述柱状壳体为不锈钢材质壳体。
8.一种斯特林发动机，其特征在于，包括对置设置的发动机单元，所述发动机单元包括室温换热器、回热器、调相器和如权利要求1至7任一项所述的斯特林发动机用高温换热器，所述室温换热器、所述回热器和所述高温换热器同轴依次连接设置，所述调相器插设于所述室温换热器、所述回热器和所述高温换热器构成的压缩腔和膨胀腔内，并可在所述压缩腔和所述膨胀腔内沿所述压缩腔的轴向移动。
9.根据权利要求8所述的斯特林发动机，其特征在于，所述调相器的长度小于或等于所述室温换热器和所述回热器沿轴向的长度和。
10.根据权利要求8所述的斯特林发动机，其特征在于，两个所述高温换热器对置设置，两个所述高温换热器的气流转折槽通过气体连通孔连通和/或所述高温换热器设有中心通孔，两个所述中心通孔用以连通两个所述膨胀腔。
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