開式循環斯特林發動的制造方法
【專利摘要】本發明涉及開式循環斯特林發動機。包括熱端氣缸、熱端活塞、回熱器、冷端氣缸和冷端活塞；回熱器為單向回熱器，單向回熱器的冷端進口和熱端出口構成低溫工質通道，熱端進口和冷端出口構成高溫工質通道；冷端氣缸的冷進口連通大氣，冷出口連通著單向回熱器的冷端進口；熱端氣缸的熱進口連通著單向回熱器的熱端出口，熱出口連通著單向回熱器的熱端進口；單向回熱器的冷端出口連通著大氣。本發明的循環工質采用單向流動方式，改善了換熱方式，提高了回熱效率；動力活塞與膨脹活塞不必采用絕對密封裝置，可以大幅度減少摩擦阻力，提高發動機機械效率；同時，工質采用空氣，工作壓力與溫度低，無需昂貴耐溫材料，成本低、可靠性高、節能環保。
【專利說明】開式循環斯特林發動機

【技術領域】
[0001]本發明屬于發動機【技術領域】，具體涉及斯特林發動機。

【背景技術】
[0002]斯特林發動機是一種外燃的活塞式發動機，由于采用外燃循環，化學能轉變為熱能的過程是在產生動力的氣缸之外進行，工質流動方式為連續過程，對熱源品質要求不高。因此，斯特林發動機在能源廣泛適應性方面具有獨特的優點。另外，斯特林發動機比內燃機壓縮比低，具有噪音小，工作平穩的工作優點。近年來，由于世界能源成本普遍上漲，能源短缺和全球變暖之類的環境問題日益嚴重，使斯特林發動機的優點又引起人們的高度關注。斯特林發動機對熱源品質要求不高，可實現熱源的多樣化，減輕對化石燃料的依賴，能夠達到有效利用傳統能源和再生能源的目的。
[0003]斯特林發動機按照基本結構可以分為三種類型:α型、β型、Υ型，其中α型斯特林發動機由冷腔(由靠近冷卻器的氣缸和活塞組成，也叫壓縮腔)、冷卻器、回熱器、加熱器、熱腔(由靠近加熱器的氣缸和活塞組成，也叫膨脹腔)、以及動力傳動部分組成。α型斯特林發動機中兩個活塞在循環過程中都承擔著傳遞功率的功能，為閉式循環工作模式；必須采用專用密封結構進行密封，以防止工質泄露；對壓縮活塞與膨脹活塞的密封要求非常高，密封結構不僅在技術上有難度，而且使發動機結構復雜、機器笨重，導致斯特林發動機的制造成本高，而且密封件的可靠性和壽命還存在問題。工質的泄漏是斯特林發動機常見的故障現象，也是最難解決的問題之一。工質的泄漏輕則造成發動機功率和效率的下降，發動機不能正常工作，重則造成整機損壞。


【發明內容】

[0004]為了克服傳統斯特林發動機存在的密封難題、制造困難、工藝要求高的缺點，本發明通過改進，提供一種開式循環斯特林發動機。
[0005]本發明以空氣為開式循環工質，回熱器中工質采用單向流動方式，改善換熱方式，在現有活塞式復式發動機技術基礎上，設計了一款新型開式循環工作模式的斯特林發動機。
[0006]具體的技術解決方案如下:
開式循環斯特林發動機包括熱端氣缸、熱端活塞、加熱器、回熱器、冷卻器、冷端氣缸和冷端活塞。所述回熱器為單向回熱器，單向回熱器的一端為熱端，另一端為冷端，所述熱端分別設有熱端進口和熱端出口，所述冷端分別設有冷端進口和冷端出口 ；單向回熱器的冷端進口和熱端出口構成低溫工質通道，熱端進口和冷端出口構成高溫工質通道；
所述熱端氣缸上分別設有熱端進氣閥和熱端排氣閥，所述冷端氣缸上分別設有冷端進氣閥和冷端排氣閥；
所述冷端氣缸的冷端進氣閥連通大氣，冷端氣缸的冷端排氣閥連通著單向回熱器的冷端進口 ；所述熱端氣缸的熱端進氣閥連通著單向回熱器的熱端出口，熱端氣缸的熱端進氣閥和單向回熱器的熱端出口之間設有加熱器，熱端氣缸的熱端排氣閥連通著單向回熱器的熱端進口 ；單向回熱器的冷端出口通過廢氣排氣閥連通大氣；通過控制熱端進氣閥、熱端排氣閥和冷端進氣閥、冷端排氣閥的開閉時刻，可以達到工質開式循環和單向流動的目的。
所述單向回熱器為間壁式單向回熱器，按照傳熱壁面的形狀，可以分為管式單向回熱器、板式單向回熱器、夾套式單向回熱器等。
[0007]本發明的有益技術效果體現在以下方面:
(1)本發明的斯特林發動機的循環工質采用單向流動方式，本發明工作時，當冷端活塞下行時，大氣通過冷端進氣閥進入冷端氣缸。冷端活塞上行壓縮空氣后，冷端氣缸內空氣通過冷端排氣閥被壓入回熱器冷端進口管，在回熱器中吸收熱量后進入加熱器，之后通過熱端進氣閥進入熱端氣缸進行膨脹對外作功；熱源的加熱量僅僅流向熱缸進行膨脹作功，極大提高了發動機熱效率；當熱端活塞上行時，熱端氣缸內的熱氣通過熱端排氣閥流向回熱器熱端進口管，進入回熱器后放熱，降溫后的熱氣排向大氣中；回熱器中工質為單向流動方式，改善了換熱方式，提高回熱效率；且無需采用絕對密封。同時，工質采用空氣，工作壓力與溫度低，無需昂貴耐溫材料，成本低、可靠性高、節能環保；
(2)現有技術的回熱器采用工質雙向流動，交替吸熱和放熱，在提高回熱效率的同時兼顧其它指標如降低流動阻力非常困難。本發明采用單向流動回熱器，結構形式有許多種，如板式、板翅式、肋管式、管殼式等；其中高溫工質和低溫工質具有獨立的通道，均采用單向流動方式，在改善換熱方式、提高回熱效率的同時還可以兼顧其它指標，比如降低流動阻力；
(3)本發明以空氣為工質循環進氣，工質在加熱器中吸收熱量后只能單向流入熱端氣缸進行膨脹作功，提高了發動機熱效率。壓縮活塞與膨脹活塞不必采用絕對密封裝置，可以大幅度減少摩擦阻力，提高發動機機械效率；
(4)有效利用現有成功的發動機生產技術，使斯特林發動機的生產成本大幅度降低，克服傳統斯特林發動機效率低和成本昂貴的固有缺點，使斯特林發動機的應用推廣獲得有價值的發展。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發明的原理圖。
[0009]圖2為本發明剖開兩個氣缸的主視結構立體圖。
[0010]圖3為本發明移除冷端氣缸蓋的俯視結構立體圖。
[0011]上圖中序號:1-熱端活塞，2-熱端氣缸,3-熱端進氣閥,4-加熱器,5-熱端排氣閥，6-單向回熱器，7-廢氣排氣閥，8-冷端進氣閥，9-冷端排氣閥，10-冷端氣缸，11-冷卻器，12-冷端活塞，13-曲軸傳動系統，14-飛輪。

【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖，通過實施例對本發明作進一步地說明。
[0013]實施例
參見圖2和圖3，開式循環斯特林發動機包括熱端氣缸2、熱端活塞1、單向回熱器6、冷端氣缸10、冷端活塞12、曲軸傳動系統和飛輪14。單向回熱器6為管式同軸逆流式單向回熱器，單向回熱器6的一端為熱端,另一端為冷端，熱端分別開設有熱端進口和熱端出口，冷端分別開設有冷端進口和冷端出口。參見圖1，單向回熱器6的冷端進口和熱端出口之間構成低溫工質通道，熱端進口和冷端出口之間構成高溫工質通道。
[0014]參見圖1，熱端氣缸2上分別設有熱端進氣閥3和熱端排氣閥5，冷端氣缸10上分別設有冷端進氣閥8和冷端排氣閥9，冷端氣缸10的冷端進氣閥8連通大氣，冷端氣缸10的冷端排氣閥9連通著單向回熱器6的冷端進口 ；熱端氣缸2的熱端進氣閥3連通著單向回熱器6的熱端出口，熱端氣缸2的熱端進氣閥3和單向回熱器6的熱端出口之間串聯有加熱器4，加熱器4為管式加熱器；單向回熱器6的冷端出口通過廢氣排氣閥7連通大氣。
[0015]本發明的工作原理說明如下:
參見圖2，當冷端活塞12下行時，大氣通過冷端進氣閥8進入冷端氣缸10。當冷端活塞12上行時，冷端氣缸10內的空氣受到壓縮的同時通過冷卻器11向外散熱，壓縮后的空氣通過冷端排氣閥9進入單向回熱器6，在單向回熱器6里吸收熱量溫度升高后進入加熱器4，在加熱器4中繼續吸收熱量之后通過熱端進氣閥3進入熱端氣缸2，在熱端氣缸2內進行膨脹對外作功。當膨脹活塞I上行時，熱端氣缸2內的熱空氣通過熱端排氣閥5流向單向回熱器6，在回熱器內放出熱量后降溫，降溫后的空氣通過廢氣排氣閥7排向大氣中，實現工質流動的開式循環。
[0016]本發明中的回熱器采用高效換熱器作為回熱器，結構形式可以有許多種，如板式、板翅式、肋管式、管殼式等。本發明實施的樣機采用了同軸逆向式回熱器。
[0017]本發明中的加熱器可以根據熱源的不同采用不同的加熱器，可以是但不局限于管式加熱器和翅片式加熱器。本發明實施的樣機根據實驗室的液體燃料采用了管式加熱器。
[0018]本發明中的活塞氣缸基本結構類型可以是α型，也可以是β型、Y型；本發明實施樣機采用的是α型，也稱雙活塞式發動機。
[0019]本發明中的傳動系統可以是曲柄連桿結構，也可以是其它傳動結構，如菱形傳動機構、斜盤式傳動機構。本發明實施的樣機采用了曲柄連桿結構。
【權利要求】
1.開式循環斯特林發動機，包括熱端氣缸、熱端活塞、加熱器、回熱器、冷卻器、冷端氣缸和冷端活塞，其特征在于:所述回熱器為單向回熱器，單向回熱器的一端為熱端，另一端為冷端，所述熱端分別設有熱端進口和熱端出口，所述冷端分別設有冷端進口和冷端出口 ；單向回熱器的冷端進口和熱端出口構成低溫工質通道，熱端進口和冷端出口構成高溫工質通道；所述熱端氣缸上分別設有熱端進氣閥和熱端排氣閥，所述冷端氣缸上分別設有冷端進氣閥和冷端排氣閥；所述冷端氣缸的冷端進氣閥連通大氣，冷端氣缸的冷端排氣閥連通著單向回熱器的冷端進口 ；所述熱端氣缸的熱端進氣閥連通著單向回熱器的熱端出口，熱端氣缸的熱端進氣閥和單向回熱器的熱端出口之間設有加熱器，熱端氣缸的熱端排氣閥連通著單向回熱器的熱端進口 ；單向回熱器的冷端出口通過廢氣排氣閥連通大氣；通過控制熱端進氣閥、熱端排氣閥和冷端進氣閥、冷端排氣閥的開閉時刻，可以達到工質開式循環和單向流動的目的。
2.根據權利要求1所述的開式循環斯特林發動機，其特征在于:所述單向回熱器為間壁式單向回熱器，按照傳熱壁面的形狀，可以分為管式單向回熱器、板式單向回熱器、夾套式單向回熱器等。
【文檔編號】F02G1/02GK104153910SQ201410335475
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月15日 優先權日:2014年7月15日
【發明者】左承基, 趙紅玲, 黃巨鋒, 欒銘湧, 溫森特, 趙業宏 申請人:合肥工業大學