CN1924336A - 一种微型热气机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型热气机，包括加热器、回热器、冷却器、曲轴、机身、动力活塞和配气活塞，其还具有一个全封闭的曲轴箱；所述的配气活塞和动力活塞呈上下同轴布置，在配气活塞的下端连接有活塞杆，活塞杆穿过动力活塞的中心通孔；冷却器呈环形筒体结构，其上端与加热器连接，下端与机身连接，其内孔与配气活塞相适配；冷却器内孔和加热器内腔形成配气气缸，配气气缸与配气活塞之间有一定的配合间隙，间隙值为配气活塞外径的0.5％～1.7％，形成回热器。该热气机具有结构简单，布置紧凑，体积小、重量轻、易于实现、制造和使用成本低，可靠性高的特点，十分适合于100W以下的微型热气机使用。

Description

一种微型热气机

技术领域

本发明涉及小功率热力发动机，尤其关于小型外燃式热气机。

背景技术

热气机又称斯特林发动机，它是一种采用外部热源加热的外燃式发动机，主要由加热系统、工质循环系统、传动系统等组成，加热器、回热器、冷却器、动力活塞组件、配气活塞组件是构成热气机循环系统的关键零部件，加热系统产生的热量通过加热器传递给热气机的内部工质，通过斯特林循环，推动活塞做功，并通过传动系统的曲轴或输出轴对外输出。回热器相当于一个储能器，用于吸收或释放斯特林循环过程中的工质热量；加热器用于加热工质。传统的热气机一般有两个活塞，即动力活塞和配气活塞，配气活塞在加热器、回热器、冷却器内不断穿梭运动，起到配气的作用；动力活塞对工质进行压缩，同时在工质受热膨胀时，工质又推动动力活塞向外做功。另外，还有一种双作用式热气机，即动力活塞和配气活塞合二为一，多个缸串在一起，即一缸受热膨胀做功时，其冷端同时为相邻缸配气用，该结构适用化较多。热气机不同于内燃机，它采用外部加热方式，因此具有对多种热源或燃料的适应性，如可采用传统的燃油、天然气、沼气、酒精等燃料，也可以采用太阳能、工业余热、固体燃料、生物质能等，范围十分广泛。

传统结构的热气机比较适合的功率为10kW～200kW，在此功率范围内可以做到热气机结构十分紧凑，效率较高。相反功率过小，如1kW以下，若采用传统的结构，其布置将十分困难，成本也很高；功率过大，如200kW以上，则存在密封困难、燃烧不均匀的难题。因此，对于功率为100W以下，甚至更小，如几瓦到十几瓦的小型或微型热气机，由于其要求结构简单、体积小、重量轻、制造成本低廉、使用维护费用低、可靠性高，相反对效率没有过高要求，以上传统的结构就不太适合。公告号为CN2099847U的专利介绍了一种小功率热气机发电机组，其采用空气为工质，热气机为双活塞式，两缸平行并列布置，传动机构采用四连杆摆块机构，并采用的全封闭的曲轴箱结构。其优点是集成了发电机，结构紧凑，可以燃用固体燃料，但该结构的热气机还存在以下不足之处：其基本采用了传统的热气机结构，其结构还是比较复杂、体积较大，如两个气缸、回热器等，产品实现比较困难，且生产成本较高，对于100W以下的小功率应用场合就不太适合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型热气机，其具有结构简单、布置紧凑、体积小、重量轻、易于实现、制造和使用成本低的特点。

本发明的目的是通过以下的技术方案来解决的：

一种微型热气机，包括加热器、回热器、冷却器、曲轴和机身，以及在动力气缸中作往复运动的动力活塞和在配气气缸中作往复运动的配气活塞，配气活塞由活塞座和上端封闭的薄壁长筒体结构活塞顶组成，并依次通过活塞杆、连杆与曲轴连接，动力活塞通过连杆与曲轴连接；该热气机还具有一个全封闭的曲轴箱；所述的配气活塞和动力活塞呈上下同轴布置，在配气活塞的下端连接有活塞杆，活塞杆穿过动力活塞的中心通孔；冷却器呈环形筒体结构，其上端与加热器连接，下端与机身连接，其内孔与配气活塞相适配；冷却器内孔和加热器内腔形成配气气缸，配气气缸与配气活塞之间有一定的配合间隙，间隙值为配气活塞外径的0.5％～1.7％，形成回热器。

上述的微型热气机，两缸同轴布置，配气活塞和动力活塞也呈上下同轴布置，共用同一根曲轴，结构十分紧凑，且基本消除了配气活塞的侧推力，配气活塞和动力活塞的相位角可以根据设计需要任意调整，保证热气机的性能。该热气机利用环形的风冷式翅片式冷却器结构，内孔与加热器的内腔形成配气气缸，结构十分简单。该热气机省略了实体回热器，利用配气活塞与气缸之间的间隙形成回热器，可以满足小功率热气机的需要，进一步简化了结构，降低了复杂回热器的制造成本。该热气机的机身与底板形成封闭的曲轴箱结构，整个运动部件封闭在加热器、冷却器、机身和底板形成的封闭空间内，由于曲轴箱内可以充装工质保证一定的压力，从而使动力活塞与活塞杆和缸套之间的密封更加简单，有助于提高密封效果，使得热气机可以使用泄漏性很强的氦气或氢气工质，也可以将泄漏率控制在允许的范围内。

上述的微型热气机，所述的冷却器为风冷式翅片式冷却器，由筒体、布置在筒体外侧的多组翅片、上法兰和下法兰组成。该冷却器采用风冷翅片式，结构简单，散热面积大，散热效果好，散热面积可以根据散热需要设定设定翅片的尺寸和数量即可，容易实现，且成本较低。

上述的微型热气机，在动力活塞上布置有活塞环，从上往下依次为上导向环、密封环和下导向环，其材料为聚酰亚胺、聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯。上下两道导向环，有助于活塞的运动导向，防止活塞与气缸壁摩擦磨损，也有助于减少密封环的磨损，加上聚酰亚胺、聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯的耐磨性好，该密封结构的可靠性将大大提高。

上述的微型热气机，所述的密封环由上密封环和下密封环叠置而成，上密封环和下密封各有一个相反的斜向切口，并错开一定角度布置；上密封环和下密封的上下面具有一定的锥度，上、密封环叠置在一起形成锥度环，并布置在与其相适配的活塞环槽内。两道开口密封环，并错开布置的结构减小了工质的轴向泄漏，上下表面的锥形结构在活塞往复运动时，可以自动补偿，提高密封效果。

上述的微型热气机，所述的曲轴有三个曲拐，两端的曲拐与动力活塞连杆相连接，中间的与配气活塞连杆相连接，两端的曲拐相位相同，且与中间曲拐的相位角为85～95°。该相位角范围，热气机的理论效率最高，性能最好。

上述的微型热气机，在所述的冷却器的上端，靠近加热器下端附近设置有隔热作用的挡板。可以防止位于加热器附近加热装置产生的热量传递到冷却器上，降低冷却效果。

上述的微型热气机，所述的配气活塞座、动力活塞、冷却器的材料为铝质金属。铝质金属的特点是传热性能好，重量轻，可加工性好。

总之，本发明与现有技术相比，具有下列优点：结构简单，布置紧凑，体积小、重量轻、易于实现、制造和使用成本低，可靠性高。发明人研制了一台5W的热气机样机，不含加热装置，其体积为100mm(长)×90mm(宽)×250mm(高)，重量约2.3kg，采用空气为工质，实测输出功率约4.8W。

附图说明

图1是本发明的结构图，其沿中心线剖开了1/4。

图2是动力活塞部分的剖视图。

图3是图2中密封环的结构图。

具体实施方式

如图1、2和3所示，为本发明的一个实施例。其外侧从上往下依次布置有圆筒形的加热器1、挡板13、冷却器4、机身11和底板10，由上述部件构成的封闭空间内侧从上往下依次布置有配气活塞2、活塞杆3、动力活塞5、连杆6、7、8和曲轴9等部件。加热器1为一个顶端封闭的薄壁圆筒形结构，由耐热金属加工而成，用于将由热气机加热装置产生的热量传递给内腔的工质，推动活塞做功。加热器1的内腔与热气机配气活塞2的活塞顶210结构相适配，与下端的冷却器4内腔一起形成热气机的配气气缸。该加热器1适用于功率较小的热气机，如几瓦到几十瓦的热气机，为满足功率更大的热气机需要，加热器1也可以设计成其他的结构，如增加许多翅片以增强换热效果。

在加热器1的下端布置有冷却器4，该冷却器4为一个整体式的环形圆筒形结构，由上法兰410、下法兰440、内筒体420和布置在筒体外侧的翅片430组成，上、下法兰410、440分别与加热器1和机身11连接。冷却器4的材料一般采用铝质金属，特点是散热性能好，重量轻，且便于加工。冷却器4的众多翅片采用环形布置，当然也可以采用纵向布置结构，加工可以采用棒料机加工而成，也可以采用铸造方式加工。翅片430的数量和深度即尺寸大小根据热气机的功率需要而设定。该冷却器内部用作气缸套，外部用作散热器，结构十分紧凑、简单，且加工方便。

在冷却器4的下端布置有热气机的机身11，机身11的下半部分用作热气机的曲轴箱，机身11上设置有曲轴轴孔，曲轴9穿置支承在机身11上，曲轴9与机身11曲轴轴孔之间具有密封结构，如常用的轴密封结构、迷宫密封结构等。机身11的底部有一个底板10，其与机身11形成封闭的曲轴箱结构。曲轴箱内可以充装一定的工质，以平衡或减小与热气机冷端工质的压差，有助于动力活塞5上部循环工质的密封，减小泄漏，对于提高热气机的性能和可靠性具有显著作用。充气装置设置在机身11或底板10上，可以是一个单向阀或球阀，充气后起到密封即可。为增加冷却效果，降低热气机动力活塞5部分即热气机冷端的温度，在靠近动力活塞5的机身11外侧设置了许多翅片，便于散热，同时在不影响机身强度的情况下，减小机身11的重量，以上的翅片是通过机加工或铸造的方式，在机身11外侧加工出一道道环槽形成规则的翅片。

配气活塞2由活塞座220、活塞顶210组成，都是由轻质金属做成，如常用铝质金属制造，当然也可以采用很薄不锈钢材料制造，只要保证其有尽量轻的重量，又有必要的强度即可。活塞顶210为一个顶端封闭的长形薄壳筒体，其长度一般是其直径的2～3倍，开口的一端套置在活塞座220外，并与其固定连接，采用焊接或粘接方式固定，形成一个封闭的、重量较轻的活塞。活塞座220的下端设置有一个活塞杆3，活塞杆3穿透动力活塞5中心的通孔，下端与曲轴9的中间曲拐可转动地连接。活塞杆3与动力活塞5通过间隙配合，并保证一定的密封，为提高密封效果，在动力活塞5的中心通孔内可以嵌套有密封件，密封件的材料一般为非金属材料，如聚酰亚胺、聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯材料，活塞杆与密封件形成杆式无油润滑密封。上述的配气活塞2，即活塞座220和活塞顶210也可以做成整体式，只要尽可能减轻重量即可。

传统的热气机，包括单作用式热气机或双作用式热气机，都有一个回热器，回热器常用金属丝网烧结而成，其制作工艺复杂，成本高。图1所示实施例省略了实体式的回热器，其回热器由位于配气活塞2与加热器1的内腔和冷却器4的内腔共同形成的配气气缸之间的配合间隙A构成，这段狭长的空气间隙A在热气机工作时起到了回热器的作用。配气活塞2足够的长度，保证了配合间隙A的足够长度，也起到增大缸套上下端温差梯度的作用，有利于提高热气机的效率。配合间隙A的大小与配气活塞2的直径、热气机的功率大小有关，一般选用配气活塞2直径的0.5％～1.7％。如发明人以一个5W的热气机为例，其配气活塞2直径为45mm，分别设置配气活塞2与配气气缸之间的配合间隙为0.3mm、0.5mm和0.7mm，经试验都能满足要求。本发明采用配气活塞2与配气气缸之间的配合间隙A作为热气机的回热器用，既省略了一个复杂的回热器，简化了回热器的布置问题，使热气机的结构相当优化，大大降低了成本，同时这个较大的间隙也降低了配气活塞2与配气气缸套配合表面的加工精度，降低了加热器和冷却器内孔的加工工艺要求，进一步降低了加工成本。初略估计，仅此改进，就可使热气机的制造直接成本降低15～20％左右。

动力活塞5由活塞510、导向环520、540、密封环530组成，活塞510由较轻的铝质金属加工而成，在外侧有活塞环槽，从上往下依次布置有上导向环520、密封环530和下导向环540，上下导向环520、540用于活塞运动时的导向作用，防止由于侧推力的作用使活塞与气缸壁直接接触，产生过度磨损，其材料一般为耐磨性能好的非金属材料制成，常用聚酰亚胺、聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯等材料。上、下导向环520、540为普通的平面环结构，为便于安装导向环各有一个切口，安装时尽量保证使上、下导向环520、540的切口对称布置。密封环530布置在活塞510的中间，其结构为上下两道叠置在一起的锥形环组成，上下密封环的上下表面设计成内小外大的锥度，活塞上的环槽也设置成与其适配的锥形，上下密封环的上下片面形成的锥角设置成5～15°效果最佳。上下密封环各开有一个斜向的切口，上下密封环的斜向斜口方向相反，装配时切口并错开一定的角度，最佳是180°左右。密封环的材料也由耐磨性能好的非金属材料制成，如聚酰亚胺、聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯等材料。上述的密封环530结构可以增强密封效果，在活塞往复运动时可以起到自补偿的作用，使活塞环的张力始终紧靠气缸壁，形成可靠的密封，同时防止两环在转动时不至于发生切口边缘楔入而卡死。在活塞510的下端，有两个凸耳，便于安装活塞销，分别通过连杆6、8与曲轴9连接，动力活塞5的连杆6、8对称布置，保证了动力活塞5和曲轴9的受力平衡。

曲轴9带有三个曲拐，中间的曲拐通过连杆7、活塞杆3与配气活塞2连接，两边的曲拐分别通过连杆6、8与动力活塞5连接。两边的曲拐相位相同，并与中间曲拐的相位设置成85～95°，在该范围内热气机的性能最佳，常用的是设置成90°。当然该相位值可以根据热气机的设计需要任意改变。

热气机的曲轴9上还可以连接一根输出轴12，输出轴12上还可以连接变速箱，根据需要设定变速比，以满足不同应用场合的需要。在加热器1的外侧还设置有一个加热装置，加热装置的类型可以根据燃料类型设计，可以是液体燃料式或固体燃料式，也可以是太阳能聚光装置，或其他工业预热加热形式。

本发明所述的热气机特别适用于输出功率为100W以下要求的多种场合，工质可以采用空气、氦气或氢气等多种类型，其具有结构简单、布置紧凑，体积小、重量轻、成本低廉、使用维护简单且费用很低、可靠性高的特点。由于省略了回热器，采用无油润滑结构，且冷却方式采用简单的空冷式，因此该热气机有效率较低的弱点，其效率一般在5％以下。该热气机可以有多种用途，如集成一个小型发电机，组成一个小型发电系统；输出轴上携带一个风扇，组成一个送风系统；也可以作为其他的小型动力源。

以图1所示结构，发明人研制了一台5W的小型热气机样机，以空气为工质，燃用液化石油气，配气活塞的直径为45mm，动力活塞的直径为40mm，行程为20mm，热气机的转速为600r/min，配气活塞与配气气缸之间的配合间隙即回热器间隙为0.5mm，活塞、冷却器、机身材料采用铝，经试验测试，输出轴功率达到了4.8W。

Claims (8)

1、一种微型热气机，包括加热器(1)、回热器、冷却器(4)、曲轴(9)和机身(11)，以及在动力气缸中作往复运动的动力活塞(5)和在配气气缸中作往复运动的配气活塞(2)，配气活塞(2)由活塞座(220)和上端封闭的薄壁长筒体结构活塞顶(210)组成，并依次通过活塞杆(3)、连杆(7)与曲轴(9)连接，动力活塞(5)通过连杆(6、8)与曲轴(9)连接；该热气机还具有一个全封闭的曲轴箱；其特征在于：

a、所述的配气活塞(2)和动力活塞(5)呈上下同轴布置，在配气活塞(2)的下端连接有活塞杆(3)，活塞杆(3)穿过动力活塞(5)的中心通孔；

b、冷却器(4)呈环形筒体结构，其上端与加热器(1)连接，下端与机身(11)连接，其内孔与配气活塞(2)相适配；

c、冷却器(4)内孔和加热器(1)内腔形成配气气缸，配气气缸与配气活塞(2)之间有一定的配合间隙(A)，间隙值为配气活塞(2)外径的0.5％～1.7％，形成回热器。

2、根据权利要求1所述的微型热气机，其特征在于：所述的冷却器(4)为风冷式翅片式冷却器，由筒体(420)、布置在筒体(420)外侧的多组翅片(430)、上法兰(410)和下法兰(440)组成。

3、根据权利要求1或2所述的小型热气机，其特征在于：在动力活塞(5)上布置有活塞环，从上往下依次为上导向环(520)、密封环(530)和下导向环(540)，其材料为聚酰亚胺、聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯。

4、根据权利要求3所述的小型热气机，其特征在于：所述的密封环(530)由上密封环和下密封环叠置而成，上密封环和下密封各有一个相反的斜向切口，并错开一定角度布置；上密封环和下密封的上下面具有一定的锥度，上、密封环叠置在一起形成锥度环，并布置在与其相适配的活塞环槽内。

5、根据权利要求1或2所述的微型热气机，其特征在于：所述的曲轴(9)有三个曲拐，两端的曲拐与动力活塞(5)的连杆(6、8)相连接，中间的曲拐与配气活塞(2)的连杆(7)相连接，两端的曲拐相位相同，且与中间曲拐的相位角为85～95°。

6、根据权利要求4所述的微型热气机，其特征在于：所述的曲轴(9)有三个曲拐，两端的曲拐与动力活塞(5)的连杆(6、8)相连接，中间的曲拐与配气活塞(2)的连杆(7)相连接，两端的曲拐相位相同，且与中间曲拐的相位角为85～95°。

7、根据权利要求2所述的微型热气机，其特征在于：在所述的冷却器(4)的上端，靠近加热器(1)下端附近设置有隔热作用的挡板(13)。

8、根据权利要求1或2所述的微型热气机，其特征在于：所述的配气活塞(2)、动力活塞的活塞(510)、冷却器(4)的材料为铝质金属。