一种自由活塞斯特林发动机的制作方法

本实用新型涉及发动机技术领域，尤其涉及一种自由活塞斯特林发动机。

背景技术：

自由活塞斯特林发动机是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机，具有结构简单、效率高、寿命长等优点。加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的影响。传统的加热器具体结构形式多种多样，其中以翅片式加热器和管壳式加热器应用比较广泛。

对于翅片式加热器而言，加热器内部的工质通常为气体，加热器外侧的传热工质通常为载热流体。载热流体在热源中吸收热量，然后在换热器中将热量传递给待加热气体。由于翅片式加热器采用线切割方式加工，不仅加工成本高，并且随着尺寸的增大，翅片高度增加，导热温差将增大。

对于管壳式加热器而言，工作气流在加热器内部的圆管内流动，载热流体在圆管外侧流动，由于载热流体与每根圆管都接触，因此每根圆管的外壁温度比较接近，不同圆管内的气体不会出现较大的温度差异。但是这种结构形式存在如下问题：由于交变流动换热跟气体的热穿透深度息息相关，为了保证较好的换热，各圆管之间需要进行非常紧密的排列。但是在实际加工过程中发现，即使各圆管之间非常紧密的排列，换热器的流通面积比也比较小，并且随着加热器的增大，圆管数量将达到数千以上，可靠性非常低。

由此可知，传统的加热器利用载热流体加热气体过程中，存在能量传输复杂、能量传输中热量损耗大、载热流体对加热器的造成腐蚀等问题。而且，对于单个斯特林发动机而言，由于发动机内活塞的高频运动、气体的交变流动以及压力脉动，会造成整个装置具有较大的振动，进而影响发动机性能。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种自由活塞斯特林发动机，解决现有发动机中的加热器存在的能量传输复杂、能量传输中热量损耗大的问题，以及单个斯特林发动机在工作时容易出现较大振动的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种自由活塞斯特林发动机，包括两个对置设置的斯特林机构，在两个所述斯特林机构之间设有热源；

各所述斯特林机构均包括壳体以及分别设置在所述壳体中的膨胀腔、压缩腔、背腔和热管式加热器，所述热管式加热器设置于所述膨胀腔中；

两个所述斯特林机构之间连接有连通管道，所述连通管道分别连通两个所述膨胀腔，或所述连通管道分别连通两个所述压缩腔，或所述连通管道分别连通两个所述背腔；

所述热管式加热器包括加热器本体以及多个热管，所述加热器本体的第一端面设有与所述热管一一对应的多个热管嵌入孔，在各所述热管嵌入孔之间交错布置有多个气体流道，各所述气体流道沿所述加热器本体的第一端面向第二端面贯通设置，各所述气体流道分别与所述膨胀腔相连通；所述热管包括蒸发端和冷凝端，各所述热管的冷凝端对应设置于各所述热管嵌入孔内部，各所述热管的蒸发端分别穿过所述壳体与所述热源相连。

具体地，在所述加热器本体的中部设有第一中心通孔，所述第一中心通孔沿所述加热器本体的第一端面向第二端面贯通设置。

具体地，各所述热管嵌入孔沿所述第一中心通孔的周向呈环形布置。

具体地，各所述气体流道沿所述第一中心通孔的周向呈环形布置。

具体地，各所述气体流道中分别设有换热翅片。

进一步地，所述壳体中还设有回热器和冷却器，所述热管式加热器、回热器和冷却器依次连接。

进一步地，所述回热器的中部设有第二中心通孔，所述冷却器的中部设有第三中心通孔；所述壳体中还设有排出器，所述排出器依次穿设在所述第一中心通孔、第二中心通孔和第三中心通孔中。

进一步地，所述壳体靠近所述热源的一端为加热端，所述壳体远离所述热源的一端为冷却端；所述热管式加热器位于所述壳体的加热端。

进一步地，所述壳体中还设有动力活塞，所述动力活塞位于所述壳体的冷却端。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：

本实用新型提供的自由活塞斯特林发动机，采用两个对置设置的斯特林机构，不仅能够减小发动机的振动，而且使得结构更加紧凑，同时两个斯特林机构均采用热管式加热器来实现热量的传输，有效提高了发动机的工作效率。

本实用新型提供的自由活塞斯特林发动机，将热源置于两个斯特林机构之间，使得各热管式加热器中的热管能够呈直线布置，无需设置成弯折结构，从而降低了热管的加工难度，进而降低了制造成本。

本实用新型提供的自由活塞斯特林发动机，热管式加热器在工作过程中，热管的蒸发端受热时，热管中的液体工质迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向热管的冷凝端，冷凝端再通过热传导将热量传递给加热器本体。由于加热器本体上设有多个气体流道，气体工质在气体流道内的往复运动实现气体在气体流道中的对流，从而将热量从加热器本体上传递给气体工质。相比于传统的换热器，本实用新型所采用的热管式加热器，不需要载热流体来作为传热介质，不仅使加热过程更加简单，而且有效减小了能量传输中热量损耗，提高了加热器的加热效率，同时解决了载热流体对换热器的腐蚀问题，增加了换热器的寿命，进而提高了发动机的工作性能。

附图说明

图1是本实用新型实施例自由活塞斯特林发动机的结构示意图；

图2是本实用新型实施例自由活塞斯特林发动机中斯特林机构的示意图；

图3是本实用新型实施例自由活塞斯特林发动机中热管式加热器的结构示意图；

图4是本实用新型实施例自由活塞斯特林发动机中加热器本体的结构示意图。

图中：1：加热器本体；101：热管嵌入孔；102：气体流道；103：第一中心通孔；2：热管；201：蒸发端；202：冷凝端；3：壳体；301：加热端；302：冷却端；4：热管式加热器；5：回热器；6：冷却器；7：膨胀腔；8：动力活塞；9：排出器；10：热源；11：第一斯特林机构；12：第二斯特林机构；13：支撑架；14：连通管道；15：压缩腔；16：背腔。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-4所示，本实用新型实施例提供一种自由活塞斯特林发动机，包括两个对置设置的斯特林机构，两个斯特林机构分别为第一斯特林机构11和第二斯特林机构12，在第一斯特林机构11与第二斯特林机构12之间设有热源10。

各所述斯特林机构均包括壳体3以及分别设置在所述壳体3中的膨胀腔7、压缩腔15、背腔16和热管式加热器4，其中所述热管式加热器4设置于所述膨胀腔7中。

所述第一斯特林机构11与所述第二斯特林机构12之间连接有连通管道14。其中所述连通管道14分别连通两个所述膨胀腔7，或所述连通管道14分别连通两个所述压缩腔15，或所述连通管道14分别连通两个所述背腔16。

在本实施例中，所述连通管道14分别连通两个所述膨胀腔7。通过设置所述连通管道14，能够使对置设置的第一斯特林机构11和第二斯特林机构12内部的相同部件反向运动，进而抵消两侧运动部件的惯性力，从而达到减小振动的目的。

所述热管式加热器4包括加热器本体1以及多个热管2。所述加热器本体1的第一端面设有与所述热管2一一对应的多个热管嵌入孔101，在各所述热管嵌入孔101之间交错布置有多个气体流道102。各所述热管2均从所述加热器本体1的第一端面向第二端面延伸设置，但是各所述热管2均不会贯通所述加热器本体1的第二端面。各所述气体流道102均沿所述加热器本体1的第一端面向第二端面贯通设置，各所述气体流道102分别与所述膨胀腔7相连通。

所述热管2包括蒸发端201和冷凝端202，其中，各所述热管2的冷凝端201对应设置于各所述热管嵌入孔101内部，各所述热管2的蒸发端201分别穿过所述壳体3与所述热源10相连。

所述热管式加热器4工作时，各所述热管2的蒸发端201在所述热源10中受热，使得热管2中的液体工质迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向热管2的冷凝端202，冷凝端202再通过热传导将热量传递给加热器本体1。由于加热器本体1上设有与膨胀腔7相连通的多个气体流道102，则各膨胀腔7中的气体工质能够在气体流道102内往复运动，从而实现气体在气体流道102中的对流，进而将热量从加热器本体1上传递给气体工质，实现对气体工质的加热。当膨胀腔7中的气体工质的温度达到自启动温度时，壳体3中的动力活塞8开始起振，进而将外界输入的热量转化为动力活塞8往复运动的机械能。

相比于传统的换热器，本实施例所采用的热管式加热器4，不需要载热流体来作为传热介质，不仅使加热过程更加简单，而且有效减小了能量传输中热量损耗，提高了加热器的加热效率，同时解决了载热流体对换热器的腐蚀问题，增加了换热器的寿命。

本申请所述的自由活塞斯特林发动机，采用两个对置设置的斯特林机构，不仅能够有效减小发动机的振动，而且使得发动机的整体结构更加紧凑，同时两个斯特林机构均采用热管式加热器4来实现热量的传输，有效提高了发动机的工作效率，进而提高了发动机的工作性能。

本申请所述的自由活塞斯特林发动机，将所述热源10置于所述第一斯特林机构11与所述第二斯特林机构12之间，使得各热管式加热器4中的热管2均能够呈直线布置，而无需将热管2设置成弯折结构，从而降低了热管2的加工难度，进而降低了制造成本。

在本申请的进一步实施例中，所述加热器本体1的中部设有第一中心通孔103，所述第一中心通孔103沿所述加热器本体1的第一端面向第二端面贯通设置。

在本申请的具体实施例中，各所述热管嵌入孔101沿所述第一中心通孔103的周向呈环形均匀布置，从而通过各所述热管2对所述加热器本体1进行均匀加热。

在本申请的具体实施例中，各所述气体流道102沿所述第一中心通孔103的周向呈环形均匀布置，从而通过所述加热器本体1对各气体流道102中的气体进行均匀加热。

在本申请的具体实施例中，各所述气体流道102中分别设有换热翅片(图中未示)，通过换热翅片来增强所述气体流道102中气体的换热效果，从而进一步提高加热效率。

在本申请的进一步实施例中，所述壳体3中还设有回热器5和冷却器6，所述热管式加热器4、回热器5和冷却器6依次连接。

其中，所述回热器5的中部设有第二中心通孔，所述冷却器6的中部设有第三中心通孔，所述第一中心通孔103、第二中心通孔和第三中心通孔同心设置。

具体来说，在所述壳体3中还设有排出器9，所述排出器9依次穿设在所述第一中心通孔103、第二中心通孔和第三中心通孔中。

在本申请的具体实施例中，所述壳体3靠近所述热源10的一端为加热端301，所述壳体3远离所述热源10的一端为冷却端302。

其中，所述热管式加热器4位于所述壳体3的加热端301。则所述第一斯特林机构11中的各热管2的蒸发端201分别穿过所述第一斯特林机构11的加热端301与所述热源10的左端相连。所述第二斯特林机构12中的各所述热管2的蒸发端201分别穿过所述第二斯特林机构12的加热端301与所述热源10的右端相连。

在本申请的具体实施例中，所述壳体3中还设有动力活塞8，所述动力活塞8位于所述壳体3的冷却端302。

在本申请的具体实施例中，所述热源10可以通过燃烧加热的方式对各热管2的蒸发端201进行加热，也可以采用太阳能集热加热的方式对各热管2的蒸发端201进行加热，也可以采用工业余热加热的方式对各热管2的蒸发端201进行加热，还可以采用核燃料包覆在各热管2的蒸发端201表面直接对热管进行加热。

在本申请的进一步实施例中，所述第一斯特林机构11与所述第二斯特林机构12通过支撑架13相连。

具体来说，所述支撑架13分别连接所述第一斯特林机构11的壳体3与所述第二斯特林机构12的壳体3，从而保证连接的稳定性和连接强度。

综上所述，本实用新型实施例所述的自由活塞斯特林发动机，采用两个对置设置的斯特林机构，不仅能够减小发动机的振动，而且使得结构更加紧凑，同时两个斯特林机构均采用热管式加热器来实现热量的传输，有效提高了发动机的工作效率。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“若干”的含义是一个或多个；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。