CN1478191A - 斯特林循环发动机 - Google Patents
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Abstract
一种斯特林发动机，包括一再生器，该再生器具有一筒管，一环绕该筒管的外表面卷绕的树脂薄膜，及一安装到树脂薄膜的外周表面上的具有一个狭缝的外套，其中树脂薄膜的一端固定在筒管的外周表面上，另一端由该狭缝沿伸到外侧并固定到狭缝的一个端面上或者外套的外周表面上，外套压配合在缸的内周表面上。工作媒质通过树脂薄膜的不同层之间的间隙流动，从而减少了由于媒质泄漏损失，并可提高再生器中的热交换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种设有再生器的斯特林循环发动机，该再生器提高了热交换效率。
背景技术
如图6中所示，常规的斯特林循环发动机例如设有一个再生器，该再生器由一个圆柱形筒管3构成，该筒管3外表面上卷绕有一个树脂薄膜2，该树脂薄膜2的表面上形成非常微小的不平整处11，从而在树脂薄膜2的不同层之间留有间隙。这些间隙是由于树脂薄膜2在不同层之间有微小的凹凸不平而产生的。图7是设有这种再生器1的自由活塞式斯特林循环制冷机的一个例子的侧面剖视图。首先描述这种自由活塞式斯特林循环制冷机14的结构和操作。
如图7中所示，自由活塞式斯特林循环制冷机14设有一个其中密封有工作气体如氦气的缸6，将缸6内部空间分成一个膨胀空间20和一个压缩空间19的一个驱气活塞17和一个活塞18，一个驱动活塞18往复运动的线性电动机21，一个设置于膨胀空间20侧部以便从外界吸收热量的吸热器12，和一个设置于压缩空间19侧部以便将热量排到外界的热量排出器13。
图7中，标号22和23代表板簧，这些板簧分别支承驱气活塞17和活塞18，从而使它们在其弹力下往复运动。标号15代表热量排出热交换器，标号16代表热量吸收热量排出器。它们用于促进在自由活塞式斯特林循环制冷机14内部与外部之间的热交换。再生器设置在热量排出热交换器15与热量吸收热量排出器16之间。
该结构中，当驱动线性电动机21时，活塞18在缸6内部向上移动，并压缩压缩空间19中的工作气体。这里，工作气体在被压缩时变热，但同时通过热量排出热交换器15与外界空气的热交换而被冷却。因此这里发生的过程是等温压缩。
然后驱气活塞17开始向下移动，使压缩空间19中的工作气体穿过再生器1到达膨胀空间20，该驱气活塞17被控制成相对于活塞18保持一个预定相位差地往复运动。同时，工作气体的热量在形成再生器1的树脂薄膜2中聚积，从而冷却工作气体。
接下来，活塞18向下移动，使位于膨胀空间20中的工作气体膨胀。这里，工作气体变冷，但同时通过热量吸收器12从外界吸收热量而被加热。因此这里发生的过程是等温膨胀。
然后，驱气活塞17开始向上移动，使膨胀空间20中的工作气体穿过再生器1回到压缩空间19。同时，工作气体接收再生器1中聚积的热量，从而变热。一起构成了反斯特林循环的这种冲程顺序通过驱动器的往复运动而重复，结果热量吸收器12继续从外界空气吸收热量，从而使其越来越冷。
如上所述，在能够通过再生器1使工作气体在压缩空间19与膨胀空间20之间往复运动而在热量排出器12处获取冷量的斯特林循环制冷机中，再生器1聚积被压缩的热工作气体的热量，然后以收集冷气的方式将聚积的热量返回到已膨胀的冷工作气体。因此，再生器中聚积的热量越多，则能够越高效地利用热量，因而可以使斯特林循环制冷机的性能越高。
但对于如上所述构造的再生器1，当环绕圆柱形筒管3的外表面卷绕的树脂薄膜2装入自由活塞式斯特林循环制冷机14中时，树脂薄膜2的外表面没有固定到缸6的内表面上。因此，工作气体会在树脂薄膜2的外表面与缸6的内表面之间泄漏。这样泄漏的工作气体在压缩空间与膨胀空间之间流动，而对于再生器1中的热交换没有贡献。这导致热量大量损失，因而降低了斯特林循环制冷机的性能。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种斯特林循环制冷机，该制冷机通过使用一个再生器而减少了由于气体泄漏而导致的热量损失，该再生器构造成能够容易和廉价地制造，因而提高了再生器中的热交换的效率。
为实现上述目的，根据本发明，在一个设有一个再生器的斯特林循环发动机中，该再生器设置于一个压缩空间与一个膨胀空间之间，从而用作在该压缩和膨胀空间之间往复运动的工作气体的流动通道，并通过从工作气体收集热量或者向工作气体释放热量而工作，该再生器设有一个筒管，一个环绕该筒管的外表面卷绕从而与之密切接触的树脂薄膜，及一个环绕该树脂薄膜的外表面装配而与之密切接触的外套。这里，工作气体在树脂薄膜的不同层之间流动。
该结构中，在树脂薄膜与外套之间以及树脂薄膜与筒管之间不留间隙，因而工作气体不泄漏。这有助于提高再生器中的热交换效率。
可选择地，根据本发明，在一个设有一个再生器的斯特林循环发动机中，该再生器设置于一个压缩空间与一个膨胀空间之间，从而用作在该压缩和膨胀空间之间往复运动的工作气体的流动通道，并通过从工作气体收集热量或者向工作气体释放热量而工作，该再生器设有一个筒管，一个环绕该筒管的外表面卷绕的树脂薄膜，及一个环绕该树脂薄膜的外表面装配且在其中垂直形成一个狭缝的外套。这里，该树脂薄膜的一端固定在筒管的外表面上，另一端通过该狭缝伸出并固定到狭缝的一个端面上或者外套的外表面上。此外，工作气体在树脂薄膜的不同层之间流动。
该结构中，可以将树脂薄膜与外套之间以及树脂薄膜与筒管之间的间隙减到最小。这有助于提高再生器中的热交换效率。
可选择地，根据本发明，在一个设有再生器的斯特林循环发动机中，该再生器设置在位于一个压缩空间与一个膨胀空间之间的缸中，从而用作在该压缩和膨胀空间之间往复运动的工作气体的流动通道，并通过从工作气体收集热量或者向工作气体释放热量而工作，该再生器设有一个筒管，一个环绕该筒管的外表面卷绕的树脂薄膜，及一个环绕该树脂薄膜的外表面装配且在其中垂直形成一个狭缝的外套。这里，该树脂薄膜的一端固定在筒管的外表面上，另一端通过该狭缝伸出并固定到狭缝的一个端面上或者外套的外表面上。另外，外套压配合到缸的内表面上，工作气体在树脂薄膜的不同层之间流动。
该结构中，可以将再生器与缸之间的间隙减到最小，从而防止工作气体泄漏到再生器外部。
在上述斯特林循环发动机中，可将多个O形圈装配到外套的外表面上，从而在外套与缸之间不留间隙。这有助于防止工作气体在再生器与缸之间泄漏。另外，在再生器与缸之间形成一层空气。该层空气阻隔了工作气体的热量，使它不会由于经过外套传导到缸而消散，从而有助于提高再生器中的热交换效率。
在上述斯特林循环发动机中，外套与缸之间的空间中可填充粘结剂，从而在外套与缸之间不留间隙。这有助于防止工作气体在再生器与缸之间泄漏。另外，在再生器与缸之间形成一层粘结剂树脂。该层树脂阻隔了工作气体的热量，使它不会由于经过外套传导到缸而消散，从而有助于提高再生器中的热交换效率。
在上述斯特林循环发动机中，外套可在其一端或两端形成有突出的爪部分，这些爪部分往回折叠到树脂薄膜上，从而固定树脂薄膜使其不会垂直移动。这有助于减少由于工作气体的流动导致的无效工作，从而提高了热交换效率。
在上述斯特林循环发动机中，外套可由高绝热材料制成。这阻隔了流经再生器的工作气体的热量，使它不会传导到缸，因而有助于实现其再生器能以改善的热交换效率工作的斯特林循环发动机。
在根据本发明的这些斯特林循环发动机中，在筒管与外套之间卷绕有树脂薄膜的再生器具有简单的结构。这有助于容易和廉价地制造斯特林循环发动机。
附图简介
图1是一个透视图，表示用于本发明第一实施例中的再生器的制造过程。
图2是用于本发明第一实施例中的再生器的透视图。
图3是用于本发明第三实施例中的再生器及环绕它的部分的侧剖视图。
图4是用于本发明第四实施例中的再生器及环绕它的部分的侧剖视图。
图5是用于本发明第五实施例中的再生器的透视图。
图6是常规再生器的透视图。
图7是常规的自由活塞式斯特林循环制冷机的侧剖视图。
实现发明的最佳方式
在下面描述的实施例中，整体结构基本上与图7中所示的常规的自由活塞式斯特林循环制冷机相同，只是再生器1的结构彼此不同。因此，在下面的描述中，用相同名称表示的这些元件用相同的标号识别，不再重复说明。注意在本说明书中筒管表示一个基本上圆柱形的空心或实心芯部，一个树脂薄膜环绕该芯部卷绕。
第一实施例
图1是一个透视图，表示本发明第一实施例中使用的再生器1的制造过程。一个圆柱形筒管3穿过一个支承台架25，环绕圆柱形筒管3装有一个直径大于圆柱形筒管3的薄壁圆柱形外套4。该薄壁圆柱形外套4用止动器24固定到支承台架25上。薄壁圆柱形外套4具有一个垂直形成在其中的狭缝5。
接下来，将树脂薄膜2的一端穿过狭缝5插入，固定到圆柱形筒管3的外表面上，然后在箭头F1所示方向旋转圆柱形筒管3，从而如箭头F2所示进一步将树脂薄膜穿过狭缝5插入，并环绕圆柱形筒管3的外表面卷绕。当这样卷绕的树脂薄膜2到达薄壁圆柱形外套4的内表面时，停止圆柱形筒管3的旋转。然后切割树脂薄膜2，将树脂薄膜2的这一端固定到狭缝5的一个端面上，或者固定到薄壁圆柱形外套4的外表面。
然后从支承台架25取出作为一个整体单元形式的薄壁圆柱形外套4、树脂薄膜2和圆柱形筒管3，然后如图2所示切下圆柱形筒管3的多余部分而获得再生器1。通过将该再生器1压配合到图7中所示缸6的内表面上，能够获得一个自由活塞式斯特林循环制冷机，其中工作气体在树脂薄膜2的不同层之间流动。
该结构中，树脂薄膜2环绕圆柱形筒管3卷绕，直到到达薄壁圆柱形外套4的内表面。因此，在树脂薄膜2与薄壁圆柱形外套4之间以及树脂薄膜2与圆柱形筒管3之间都没有留下间隙，因而工作气体不会泄漏。这有助于提高再生器1中的热交换效率。另外，再生器1还压配合到图7中所示的缸6的内表面上。这样将薄壁圆柱形外套4与缸6之间的间隙减到最小，因而有助于防止工作气体泄漏到再生器1外部。
树脂薄膜2可以就像图6中所示的常规薄膜2那样成形。优选地，树脂薄膜2由具有高比热、低导热导性、高热阻和低吸水性的材料制成，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚酰亚胺。
对于如何将树脂薄膜2固定到圆柱形筒管3以及薄壁圆柱形外套4上没有特别限制。例如，它们可以用粘结剂粘结在一起，或者熔融在一起。可替换地，可以在实心圆柱形筒管而不是空心圆柱形筒管3的基础上制造再生器(未图示)，并装到缸6的外表面上。
第二实施例
当自由活塞式斯特林循环发动机工作时，被压缩的热工作气体和膨胀的冷工作气体以往复运动流动经过再生器1。同时，热量在树脂薄膜2与工作气体之间交换。这里，靠近薄壁圆柱形外套4的内表面流动的工作气体的热量由于经过薄壁圆柱形外套4传导到缸6而消散。这导致缸6中热量的损失，因而降低了再生器的性能。
为避免这种情况，与第一实施例相比，在本发明的第二实施例中，薄壁圆柱形外套4是由高绝热材料制成的。高绝热材料的例子包括树脂，如聚碳酸酯和陶瓷。
该结构中，流经再生器1的工作气体的热量由薄壁圆柱形外套4阻隔，因而不会传导到缸6。这提高了再生器1的热量储存能力，从而有助于提高热交换效率。
第三实施例
图3是本发明第三实施例中使用的再生器1及环绕它的部分的侧剖视图。与第一实施例相比，第三实施例中，环绕再生器1的外表面，即环绕薄壁圆柱形外套4的外表面，装配有O形圈8和8’，用于密封薄壁圆柱形外套4与缸6之间的空间。
该结构中，防止了工作气体在薄壁圆柱形外套4与缸6的内表面之间泄漏。另外，通过将O形圈8和8’装配在再生器1的两端，在薄壁圆柱形外套4与缸6之间形成一层空气。该层空气阻隔了工作气体的热量，使它不会由于经过薄壁圆柱形外套4传导到缸6而消散。这提高了再生器1的热量储存能力，因而有助于提高热交换效率。
可在O形圈8和8’之间装配一个或多个附加O形圈。这不仅有助于增强防止工作气体泄漏的效果，而且有助于载荷在单个O形圈上的散布。
第四实施例
图4是用于本发明第四实施例中的再生器1及环绕它的部分的透视图。与第一实施例相比，在第四实施例中，再生器1与缸6之间的空间，即薄壁圆柱形外套4与缸6之间的空间，填充有粘结剂9，从而在再生器1与缸6不留间隙。
该结构中，防止了工作气体在薄壁圆柱形外套4与缸6的内表面之间泄漏。另外，在薄壁圆柱形外套4与缸6之间还形成一层粘结剂9，该层粘结剂9阻隔了工作气体的热量，使它不会由于经过薄壁圆柱形外套4传导到缸6而消散。这提高了再生器1的热量储存能力，因而有助于提高热交换效率。
粘结剂9可以如图4所示施加在薄壁圆柱形外套4的整个外表面上，或者可以如第三实施例中的O形圈那样施加而在沿薄壁圆柱形外套4的多个位置环绕薄壁圆柱形外套4的外表面形成一个完整的圈。这使得可通过粘结剂或空气层阻隔工作气体的热量。
第五实施例
图5是用于本发明第五实施例中的再生器1的透视图。与第一实施例相比，在第五实施例中，薄壁圆柱形外套4在其一端或两端(在图5中的四个位置)形成突出的爪部分10，这些爪部分10往回折叠到树脂薄膜2上，使树脂薄膜2固定而不会垂直移动。
该结构中，当自由活塞式斯特林循环发动机14工作时，防止了由于工作气体在其不同层之间流动而导致树脂薄膜2垂直移动。这有助于减少工作气体的无效工作，从而提高热交换效率，因而提高制冷机的性能。
对于爪部分10的数量和形状没有特别限制，只要它们有足以固定树脂薄膜2的面积来防止其垂直移动，但又不会大到妨碍工作气体的流动。
工业实用性
根据本发明的斯特林循环发动机可用作制冷机、陈列柜、自动售货机等中使用的斯特林循环制冷机。
Claims (7)
1.一种包括一再生器的斯特林循环发动机，该再生器设置于一压缩空间与一膨胀空间之间，从而用作在该压缩空间和膨胀空间之间往复运动的工作气体的流动通道，并通过从工作气体收集热量或者向工作气体释放热量而工作，
其中该再生器包括一筒管，一环绕该筒管的外表面卷绕从而与之保持密切接触的树脂薄膜，及一个环绕该树脂薄膜的外表面装配从而与之保持密切接触的外套，工作气体在树脂薄膜的不同层之间流动。
2.一种包括一再生器的斯特林循环发动机，该再生器设置于一压缩空间与一膨胀空间之间，从而用作在该压缩空间和膨胀空间之间往复运动的工作气体的流动通道，并通过从工作气体收集热量或者向工作气体释放热量而工作，
其中该再生器包括一筒管，一环绕该筒管的外表面卷绕的树脂薄膜，及一环绕该树脂薄膜的外表面装配且在其中垂直形成一狭缝的外套，该树脂薄膜的一端固定在筒管的外表面上，另一端通过该狭缝伸出并固定到狭缝的一个端面上或者外套的外表面上，工作气体在树脂薄膜的不同层之间流动。
3.一种包括一再生器的斯特林循环发动机，该再生器设置在位于一压缩空间与一膨胀空间之间的缸中，从而用作在该压缩空间和膨胀空间之间往复运动的工作气体的流动通道，并通过从工作气体收集热量或者向工作气体释放热量而工作，
其中该再生器包括一筒管，一环绕该筒管的外表面卷绕的树脂薄膜，及一环绕该树脂薄膜的外表面装配且在其中垂直形成一狭缝的外套，该树脂薄膜的一端固定在筒管的外表面上，另一端通过该狭缝伸出并固定到狭缝的一个端面上或者外套的外表面上，外套压配合到缸的内表面上，工作气体在树脂薄膜的不同层之间流动。
4.如权利要求3所述的斯特林循环发动机，其中两个或多个O形圈被装配到外套的外表面上，从而在外套与缸之间不留间隙。
5.如权利要求3所述的斯特林循环发动机，其中外套与缸之间的空间中填充有粘结剂，从而在外套与缸之间不留间隙。
6.如权利要求1至3中的一项所述的斯特林循环发动机，其中所述外套的一端或两端形成有爪部分，这些爪部分往回折叠到树脂薄膜上，从而固定树脂薄膜。
7.如权利要求1至3中的一项所述的斯特林循环发动机，其中外套由高绝热材料制成。
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