开式循环斯特林发动的制造方法
【专利摘要】本发明涉及开式循环斯特林发动机。包括热端气缸、热端活塞、回热器、冷端气缸和冷端活塞；回热器为单向回热器，单向回热器的冷端进口和热端出口构成低温工质通道，热端进口和冷端出口构成高温工质通道；冷端气缸的冷进口连通大气，冷出口连通着单向回热器的冷端进口；热端气缸的热进口连通着单向回热器的热端出口，热出口连通着单向回热器的热端进口；单向回热器的冷端出口连通着大气。本发明的循环工质采用单向流动方式，改善了换热方式，提高了回热效率；动力活塞与膨胀活塞不必采用绝对密封装置，可以大幅度减少摩擦阻力，提高发动机机械效率；同时，工质采用空气，工作压力与温度低，无需昂贵耐温材料，成本低、可靠性高、节能环保。
【专利说明】开式循环斯特林发动机
【技术领域】
[0001]本发明属于发动机【技术领域】，具体涉及斯特林发动机。
【背景技术】
[0002]斯特林发动机是一种外燃的活塞式发动机，由于采用外燃循环，化学能转变为热能的过程是在产生动力的气缸之外进行，工质流动方式为连续过程，对热源品质要求不高。因此，斯特林发动机在能源广泛适应性方面具有独特的优点。另外，斯特林发动机比内燃机压缩比低，具有噪音小，工作平稳的工作优点。近年来，由于世界能源成本普遍上涨，能源短缺和全球变暖之类的环境问题日益严重，使斯特林发动机的优点又引起人们的高度关注。斯特林发动机对热源品质要求不高，可实现热源的多样化，减轻对化石燃料的依赖，能够达到有效利用传统能源和再生能源的目的。
[0003]斯特林发动机按照基本结构可以分为三种类型:α型、β型、Υ型，其中α型斯特林发动机由冷腔(由靠近冷却器的气缸和活塞组成，也叫压缩腔)、冷却器、回热器、加热器、热腔(由靠近加热器的气缸和活塞组成，也叫膨胀腔)、以及动力传动部分组成。α型斯特林发动机中两个活塞在循环过程中都承担着传递功率的功能，为闭式循环工作模式；必须采用专用密封结构进行密封，以防止工质泄露；对压缩活塞与膨胀活塞的密封要求非常高，密封结构不仅在技术上有难度，而且使发动机结构复杂、机器笨重，导致斯特林发动机的制造成本高，而且密封件的可靠性和寿命还存在问题。工质的泄漏是斯特林发动机常见的故障现象，也是最难解决的问题之一。工质的泄漏轻则造成发动机功率和效率的下降，发动机不能正常工作，重则造成整机损坏。
【发明内容】
[0004]为了克服传统斯特林发动机存在的密封难题、制造困难、工艺要求高的缺点，本发明通过改进，提供一种开式循环斯特林发动机。
[0005]本发明以空气为开式循环工质，回热器中工质采用单向流动方式，改善换热方式，在现有活塞式复式发动机技术基础上，设计了一款新型开式循环工作模式的斯特林发动机。
[0006]具体的技术解决方案如下:
开式循环斯特林发动机包括热端气缸、热端活塞、加热器、回热器、冷却器、冷端气缸和冷端活塞。所述回热器为单向回热器，单向回热器的一端为热端，另一端为冷端，所述热端分别设有热端进口和热端出口，所述冷端分别设有冷端进口和冷端出口 ；单向回热器的冷端进口和热端出口构成低温工质通道，热端进口和冷端出口构成高温工质通道；
所述热端气缸上分别设有热端进气阀和热端排气阀，所述冷端气缸上分别设有冷端进气阀和冷端排气阀；
所述冷端气缸的冷端进气阀连通大气，冷端气缸的冷端排气阀连通着单向回热器的冷端进口 ；所述热端气缸的热端进气阀连通着单向回热器的热端出口，热端气缸的热端进气阀和单向回热器的热端出口之间设有加热器，热端气缸的热端排气阀连通着单向回热器的热端进口 ；单向回热器的冷端出口通过废气排气阀连通大气；通过控制热端进气阀、热端排气阀和冷端进气阀、冷端排气阀的开闭时刻，可以达到工质开式循环和单向流动的目的。
所述单向回热器为间壁式单向回热器，按照传热壁面的形状，可以分为管式单向回热器、板式单向回热器、夹套式单向回热器等。
[0007]本发明的有益技术效果体现在以下方面:
(1)本发明的斯特林发动机的循环工质采用单向流动方式，本发明工作时，当冷端活塞下行时，大气通过冷端进气阀进入冷端气缸。冷端活塞上行压缩空气后，冷端气缸内空气通过冷端排气阀被压入回热器冷端进口管，在回热器中吸收热量后进入加热器，之后通过热端进气阀进入热端气缸进行膨胀对外作功；热源的加热量仅仅流向热缸进行膨胀作功，极大提高了发动机热效率；当热端活塞上行时，热端气缸内的热气通过热端排气阀流向回热器热端进口管，进入回热器后放热，降温后的热气排向大气中；回热器中工质为单向流动方式，改善了换热方式，提高回热效率；且无需采用绝对密封。同时，工质采用空气，工作压力与温度低，无需昂贵耐温材料，成本低、可靠性高、节能环保；
(2)现有技术的回热器采用工质双向流动，交替吸热和放热，在提高回热效率的同时兼顾其它指标如降低流动阻力非常困难。本发明采用单向流动回热器，结构形式有许多种，如板式、板翅式、肋管式、管壳式等；其中高温工质和低温工质具有独立的通道，均采用单向流动方式，在改善换热方式、提高回热效率的同时还可以兼顾其它指标，比如降低流动阻力；
(3)本发明以空气为工质循环进气，工质在加热器中吸收热量后只能单向流入热端气缸进行膨胀作功，提高了发动机热效率。压缩活塞与膨胀活塞不必采用绝对密封装置，可以大幅度减少摩擦阻力，提高发动机机械效率；
(4)有效利用现有成功的发动机生产技术，使斯特林发动机的生产成本大幅度降低，克服传统斯特林发动机效率低和成本昂贵的固有缺点，使斯特林发动机的应用推广获得有价值的发展。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明的原理图。
[0009]图2为本发明剖开两个气缸的主视结构立体图。
[0010]图3为本发明移除冷端气缸盖的俯视结构立体图。
[0011]上图中序号:1-热端活塞，2-热端气缸,3-热端进气阀,4-加热器,5-热端排气阀，6-单向回热器，7-废气排气阀，8-冷端进气阀，9-冷端排气阀，10-冷端气缸，11-冷却器，12-冷端活塞，13-曲轴传动系统，14-飞轮。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
[0013]实施例
参见图2和图3，开式循环斯特林发动机包括热端气缸2、热端活塞1、单向回热器6、冷端气缸10、冷端活塞12、曲轴传动系统和飞轮14。单向回热器6为管式同轴逆流式单向回热器，单向回热器6的一端为热端,另一端为冷端，热端分别开设有热端进口和热端出口，冷端分别开设有冷端进口和冷端出口。参见图1，单向回热器6的冷端进口和热端出口之间构成低温工质通道，热端进口和冷端出口之间构成高温工质通道。
[0014]参见图1，热端气缸2上分别设有热端进气阀3和热端排气阀5，冷端气缸10上分别设有冷端进气阀8和冷端排气阀9，冷端气缸10的冷端进气阀8连通大气，冷端气缸10的冷端排气阀9连通着单向回热器6的冷端进口 ；热端气缸2的热端进气阀3连通着单向回热器6的热端出口，热端气缸2的热端进气阀3和单向回热器6的热端出口之间串联有加热器4，加热器4为管式加热器；单向回热器6的冷端出口通过废气排气阀7连通大气。
[0015]本发明的工作原理说明如下:
参见图2，当冷端活塞12下行时，大气通过冷端进气阀8进入冷端气缸10。当冷端活塞12上行时，冷端气缸10内的空气受到压缩的同时通过冷却器11向外散热，压缩后的空气通过冷端排气阀9进入单向回热器6，在单向回热器6里吸收热量温度升高后进入加热器4，在加热器4中继续吸收热量之后通过热端进气阀3进入热端气缸2，在热端气缸2内进行膨胀对外作功。当膨胀活塞I上行时，热端气缸2内的热空气通过热端排气阀5流向单向回热器6，在回热器内放出热量后降温，降温后的空气通过废气排气阀7排向大气中，实现工质流动的开式循环。
[0016]本发明中的回热器采用高效换热器作为回热器，结构形式可以有许多种，如板式、板翅式、肋管式、管壳式等。本发明实施的样机采用了同轴逆向式回热器。
[0017]本发明中的加热器可以根据热源的不同采用不同的加热器，可以是但不局限于管式加热器和翅片式加热器。本发明实施的样机根据实验室的液体燃料采用了管式加热器。
[0018]本发明中的活塞气缸基本结构类型可以是α型，也可以是β型、Y型；本发明实施样机采用的是α型，也称双活塞式发动机。
[0019]本发明中的传动系统可以是曲柄连杆结构，也可以是其它传动结构，如菱形传动机构、斜盘式传动机构。本发明实施的样机采用了曲柄连杆结构。
【权利要求】
1.开式循环斯特林发动机，包括热端气缸、热端活塞、加热器、回热器、冷却器、冷端气缸和冷端活塞，其特征在于:所述回热器为单向回热器，单向回热器的一端为热端，另一端为冷端，所述热端分别设有热端进口和热端出口，所述冷端分别设有冷端进口和冷端出口 ；单向回热器的冷端进口和热端出口构成低温工质通道，热端进口和冷端出口构成高温工质通道；所述热端气缸上分别设有热端进气阀和热端排气阀，所述冷端气缸上分别设有冷端进气阀和冷端排气阀；所述冷端气缸的冷端进气阀连通大气，冷端气缸的冷端排气阀连通着单向回热器的冷端进口 ；所述热端气缸的热端进气阀连通着单向回热器的热端出口，热端气缸的热端进气阀和单向回热器的热端出口之间设有加热器，热端气缸的热端排气阀连通着单向回热器的热端进口 ；单向回热器的冷端出口通过废气排气阀连通大气；通过控制热端进气阀、热端排气阀和冷端进气阀、冷端排气阀的开闭时刻，可以达到工质开式循环和单向流动的目的。
2.根据权利要求1所述的开式循环斯特林发动机，其特征在于:所述单向回热器为间壁式单向回热器，按照传热壁面的形状，可以分为管式单向回热器、板式单向回热器、夹套式单向回热器等。
【文档编号】F02G1/02GK104153910SQ201410335475
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】左承基, 赵红玲, 黄巨锋, 栾铭湧, 温森特, 赵业宏 申请人:合肥工业大学