CN86103752A - 斯特林循环发动机 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种斯特林循环发动机，其中五个气缸等角地成环形安置，一个气缸中的膨胀室和压缩室分别与另一邻近气缸的压缩室和膨胀室相连接，在它们间连有冷却器、回热器和加热器装置。冷却器、回热器和加热器装置依次排列安置，并装在圆筒形元件内。五个气缸和热交换装置的五个筒形元件支撑在带若干支撑件的支架上。每个加热器安装在与气缸膨胀室相对的一个支撑件上。

Description

发明背景

本发明涉及到一种斯特林循环发动机，特别涉及到这种发动机气缸的排列和热交换部分。

斯特林循环发动机是以先进工艺而出名的。这种发动机的热力循环是再热式的，工质在不同的温度条件下，周期性地压缩和膨胀。它的流量是通过容积变化来控制的，以便于在那里进行最后的功、热之间的转换。这种典型的斯特林循环发动机在它作为原动机运行的过程中，当工质处于热室中时，工质被加热使其温度增高。由于吸热，当工质膨胀时推动活塞，而活塞与曲轴相连使之转动，这样热的一部分就转换为功。而后，工质由转换器经回热器被转换再流入冷室，在那里工质温度下降。接着，置换器迫使工质从冷室通过回热器流入到热室。当它经过回热器时，工质就吸收先前储存在那里的一部分热量。在热室中，工质重新吸收热量。这样，循环运行不断重复。

参看图1，这是斯特林循环发动机实际装置简图，它给出了斯特林循环发动机的一种结构。该发动机有四个气缸1，它们以等角度间隔成环形排列，置换器活塞2可互换地被装配在各个气缸1中，并且它把气缸1的内部分割成二个室：热室或膨胀室和冷却室或压缩室。一个气缸1的加热室和另一个气缸1的冷却室中间通过加热器3，回热器4和冷却器5彼此相连。加热器3，回热器4和冷却器5是相互串连在一起的。每个活塞2通过连杆7与斜面板6相连，这样就使活塞的往复运动转化成输出轴8的旋转运动。

在斯特林循环发动机的这些结构中，四个气缸1等角度排列，角度的间距为90°。因而引起输出轴8的扭矩变化较大。妨碍了轴转动的平稳性，同时发动机输出功率也小。由此，这种类型的斯特林循环发动机不可能在高转速和高效率状况下运行。而且，加热器的紧固结构和冷却器的结构非常复杂，由于冷却器安装在紧靠每个气缸的位置上，来自外部热源的热量会传递给冷却室，引起热的传导损失。

发明概况

本发明的主要目的是提供一种改进的斯特林循环发动机，该发动机在结构上是紧凑的，并能在高转速和高效率状况下运行。

本发明的另外一个目的是提供一种斯特林循环发动机，它能防止从加热器的外部热源向冷却器和（或）气缸冷却室传递热量，以实现运行的高效率。

本发明的再一个目的是提供一种斯特林循环发动机，在这种发动机中加热器容易被紧固。

本发明所述的斯特林循环发动机包括五个气缸，在每个气缸中装配一个可滑动的置换器活塞，活塞把气缸的内部空间分隔为膨胀室和压缩室。一个气缸的膨胀室与另一个气缸的压缩室相连接，在它们之间连接有冷却器装置，回热器和加热器装置。五个气缸等角度地成环形排列，五个热交换装置等距离地安装在气缸外部附近，每个热交换装置包括相互依次相连接的冷却器装置，回热器和加热器装置。这些气缸和热交换装置被支撑在支架上，该支架含有数个支座。加热器装置对着气缸的膨胀室安置在上述的一个支座上。由相对的支座所形成的每个空间中，安装有绝热装置。

本发明的更进一步的目的、特点和其他方案可以参照附图，从下面本发明的最佳实施例的详细说明中获知。

本发明的简要说明

图1：现有斯特林循环发动机简图。

图2：本发明一个实例中的斯特林循环发动机的垂直剖面图。

图3：图2所示斯特林循环发动机的平面图。

图4：斯特林循环发动机的流程图，用图解说斯特林循环发动机的运行。

图5：图2所示斯特林循环发动机的放大横剖面图，通过图解说明气缸和冷却器之间的连接结构。

图6：用于图2所示斯特林循环发动机中的回热器的横剖面图。

图7：图2所示斯特林循环发动机的气缸和加热器的放大横剖面图。

图8：本发明另一个实例中的斯特林循环发动机的平面图。

图9：图8所示斯特林循环发动机的垂直剖面图。

图10：图2中所采用的支架元件的第三个安装板的平面图。

图11：图2中所采用的支架元件的底板的平面图。

图12：图2所示斯特林循环发动机的放大剖面图，用图解说明气缸的密封结构。

图13：本发明更进一步实施例中的斯特林循环发动机的局部视图。

图14：图13中“x-x”线所示的横剖面图。

图15：用图解说明本发明更进一步实例中的导向活塞和连杆之间连接结构的横剖面图。

最佳实例的详细说明

图2和图3给出了本发明的一个斯特林循环发动机的一个实例。发动机10包括一个机身20和曲柄装置50，机身20带若干个气缸21;热交换装置22和支架23;气缸21和热交换装置22固定在支架23上。

在本发明的这个实例中，发动机10有五个气缸21，这些气缸围绕一个园周等角度地排列，即每一个气缸21以72°角的间隔被安装在一个园周上。每一个气缸21都包括一个有上孔和下孔的气缸体211和安装在气缸体211上部位置的气缸罩212，气缸罩212用于封闭气缸体211上部开口，气缸罩的顶部还有一个帽状凸台212a。气缸体211的下部开口被支架23的底板234封闭住。置换器的活塞24滑动配合地安装在每个气缸21中，并把气缸21的内部分隔为两个室：膨胀室A和压缩室B。同时，置换器活塞24为了能动配合地安装在气缸罩212的帽状凸台212a内，在其顶部有一个凸台241。

热交换装置22等角度地排列成园形并安装在气缸21外面的邻近位置上，即五个热交换装置22以等角度间隔排列，其中每一个装置22安装在距相邻两个气缸等距的中间位置上。每一个热交换器装置22都包括一个冷却器221，回热器222和加热器223，并依次排列。冷却器221和回热器222与一个环状筒形元件25装配在一起，元件25的顶部和底部为敞孔。冷却器221包含一个冷却水箱221a，它安装在园筒形元件25内，但留有一定间隙。冷却水的进水管221b和排水管221c都与水箱221a内腔相通，以便使冷却水循环。园筒形元件25和水箱221a之间的间隙构成了冷却空气通道26，而通道26通过支架23的底板234中所形成的通道27与气缸21的压缩室B相通，见图5。一些丝状材料28环绕安装在园筒形元件25的上半部，它是回热器222的组成部分，用于防止不必要的热损失。如图6所示，这些细丝状元件28相互环绕密集装配在一起，并通过附加在园筒形元件25上的支撑线板281固定在元件25的上、下部。

加热器223包括第二个园筒形元件29，元件29安装在园筒形元件25的上部并与元件25顶部相连通。一个其横剖面为U形的内部园筒形元件30安装在第二个园筒形元件29中，它们之间留有一定的间隙。第二个园筒形元件29内表面和园筒形元件30的外园周表面之间所形成的加热器222的间隙构成了加热空气通道31，通道31通过热空气导管32与一个气缸21的膨胀室A相通，也就是导管32的另一端固定在气缸罩212的帽状凸台212a上。因此，被密封的气体通过热交换器装置22从相邻的另一气缸21的压缩室B，反向地向一个气缸21的膨胀室A流动。为了加大加热器223的换热表面，在第二个园筒形元件29的外园周表面上置有散热片33，而在元件29内表面和内部园筒形元件30的外园周表面上，分别加工有线状条纹结构34。同时，在热空气导管32的外园周表面上置有散热片321，而在它的内表面有线状条纹结构322。内部园筒形元件30和导管32可以焊接在第二个园筒形元件29和气缸罩212上。

支架23包括有4个板状元件：231，232，233和234。上面的安装板231将第二个园筒形元件29和气缸21的气缸帽212相夹持住。第二个安装板232通过经向法兰盘29a和212b将第二个园筒形元件29和气缸帽212固紧。经向法兰盘29a和212b分别置于元件29和212的一个端部，并且为了能与园筒形元件25或气缸体211相固定，在法兰盘29a和212b上分别加工有孔232a和232b。第一个隔热元件41安装在顶板231和第二个板232之间。

在这个结构中，气缸罩212和第二个园筒形元件29两者一般地安装在第二个板件232b的外部端面上，它们分别用穿过元件212和元件29的法兰盘29a和212b的螺栓34相固定。因此，园筒形元件29和气缸罩212的径向法兰盘都应足够大，以便使一定数量的螺栓34能穿过。然而，发动机的外径将受到气缸罩212的法兰盘的限制。为了消除上述缺点，气缸罩212的径向法兰盘212b牢固地固定在数个独立的附加板35上，而附加板35如图8和图9所示那样，通过螺栓36安装在第二个板件232上。具有若干个孔233a和233b的第三个安装板，如图10所示是用于固定气缸体211和园筒形元件25两者的中间部位。第二个隔热元件27被安装在第二个板件232和第三个板件233之间。

如图11所示，支架23的底板234具有一个凹坑234a，它是气缸的一部分，并与园筒形元件25和气缸体211的下端通过经向法兰盘25a和211a相固定，经向法兰盘25a和211a分别制成于元件25和元件211的下端。0环形元件38可以安装在底板234的端面与园筒形元件25的法兰盘25a之间和底板234的端面与气缸体211的法兰盘211a之间，以保证它们之间的密封，见图10部分视图。

在第三个板件233和底板234之间沿着环形框架38的外部园周表面构成了容纳冷却水的水箱39。通过固定在框架38上的进水孔39a和排水孔39b，冷却水可以循环运行。框架38与第三个板件233以及底板234之间的密封是通过园环形元件40a和元件40b来实现的，它们安装在框架38上部内表面与第三块板233外部园周表面之间和框架38下部内表面与从底板234端面伸出的轴向法兰盘之间。园筒形元件25和气缸体211中间部位置有密封结构。

如经向法兰盘25b，211b和环形元件40a和40b，以保证与第三个板件233背面的密封性。这样，处于每个气缸压缩室B和冷却器221a的空气通道26中的空气可以用水箱39和冷却器221的水容器221a的冷却水进行冷却。

此外，曲轴部分50包括若干个导向气缸51，导向气缸51与发动机身20的气缸21一一对应。导向活塞52可以互换地安装在每个气缸51中。每个导向活塞52通过穿过底板234而延伸的第一连杆53与置换装置活塞21相连。同时，导向活塞52通过第二个连杆55与一个摆动板件54相连。摆动板54通过一个球体57下垂地支撑在支撑轴56上，而且通过一对斜齿轮58的啮合，防止它的转动。摆动板54靠置安装在边棱成形的转子59斜面上，输出轴60被固定在转子59上。因此，由置换活塞21传给导向活塞52的往复运动，通过摆动板54和边棱成形的转子59转换成输出轴60的旋转运动。

如图2所示，第一个连杆53很严密地与导向活塞52的上端面连接。然而，摆动板54和第二个连杆55之间的连接点是弧形轨迹。因此，由于摆动板54下垂运动，使导向活塞52在气缸中有时处于倾斜状态。这样，使第一个连杆53的滑动往复受到限制。上述缺点的一个解决方法如图13和图15所示。第一个连杆53的末端和导向活塞52的外端面通过一个用弹性材料制成的可拆卸的固定销钉60相互连接。在导向活塞52的外端处制有一园环形凸台52a，第一个连杆53的末端安装在园环形凸台52a内，并有一定间隙。第一个连杆53和园环凸台52a是通过销钉元件601实现连接的，元件601以小的间隙穿过园环形凸台52a的孔52b和第一连杆53的孔53a，并通过支撑元件602卡紧在园环凸台52a的外表面上。因此第一个连杆53就可以在园环形凸台52a内作轻微运动，这样就保证了第一连杆53往复运动的通畅。

另一个解决方法如图15所示，也就是第一连杆53和导向活塞52彼此可滑动地连接在一起。第一连杆53的末端加工成T形剖面，并通过滑板63插在导向活塞52的外端面和盖板62之间，以使第一连杆53能滑动。

这个发动机的运行过程参照图4加以说明，如果作为工质而密封在发动机内部的气体在燃烧室内被加热（没表示出），再经加热器223，发动机就将开始运行。在膨胀和通过回热器222以后，气体中剩下的热量在气流流经冷却器221时被冷却水吸收。这样，气缸21的外部园周表面和冷却器221的内部就被用于加速气体热交换的冷却循环水所冷却。

在这种情况下，发动机中的热力循环过程如下：一个气缸21中膨胀室A内的膨胀气体，经导管32流入加热器223中，并被外部热源例如燃烧室加热。然后，被加热的气体流经回热器222，在那里气体放出由活塞24的运动中所得到的大部分热量。并在冷却器中放掉它的剩余热量。然后，气体流进另一个气缸21的膨胀室A。回到一个气缸21的膨胀室A的另一个气缸的压缩室B中的该气体，在回热器222中重新吸收储存在那里的热量。经过再加热，该循环与具有不同相位的其他活塞运动循环一起重复运行。

Claims (10)

1、一种斯特林循环发动机包括数个气缸，一种与上述气缸滑动配合的置换器活塞，该活塞把气缸内部分隔成膨胀室和压缩室，气缸膨胀室通过冷却器、回热器和加热器装置与邻近气缸的压缩室相连；这改型的发动机包括五个按等角间隔形成环形安置的气缸；五个热交换装置，其包括依次相连的置于气缸外侧附近的冷却器、回热器和加热器装置，并且每个热交换装置以等距离置于其相邻气缸的附近；气缸和热交换装置支撑在一个支架上，该支架包括若干支撑件；加热器装置安装在与气缸的膨胀室相对的一个支撑件上；绝热装置安装在对立支撑件形成的空间里。

2、按权利要求1所述的斯特林发动机，其中：在冷却器装置中所形成的冷却空气间隙通道，通过在支撑件中所构成的冷却空气通道与气缸的压缩室相连接。

3、按权利要求2所述的斯特林循环发动机，其中：在加热器装置中所形成的热空气通道间隙，通过导管与邻近气缸的膨胀室相连。

4、按权利要求1所述的斯特林循环发动机，其中：热交换装置包括伸展到支架装置中的园筒形件和用于确定冷却器、回热器和加热器装置的三个单独空间。

5、按权利要求4所述的斯特林循环发动机，其中：加热器装置包括园筒形元件的上部分和以小间隙插入气缸内部的园筒件，而此小间隙构成了热空气间隙式通道。

6、按权利要求5所述的斯特林循环发动机，其中：作为加热器装置的园筒形元件装备有数个散热片和条纹结构。

7、按权利要求4所述的斯特林循环发动机，其中：回热器含有气缸元件的中间部分和一些环绕的丝材料。

8、按权利要求4所述的斯特林循环发动机，其中：冷却器装置包括园筒形件的下部分和以小间隙伸入园筒形件内部的冷却部件，而此小间隙构成了间隙式冷却器空气通道。

9、按权利要求1所述的斯特林循环发动机，其中：置换器活塞与导向活塞相连，导向活塞通过连杆与转换置换器活塞运动的输出轴相连。

10、按权利要求9所述的斯特林循环发动机，其中：连杆与导向活塞端面活动连接。

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