斯特林发动机单元与斯特林发动机

1.本实用新型涉及发动机技术领域，尤其涉及一种斯特林发动机单元与斯特林发动机。


背景技术：

2.斯特林发动机是一种外燃式热机，具有效率高和使用寿命长等优点。但相较于内燃机等已被大规模运用的热机，其功率密度较低。一种提升功率密度的方法是将气液相变与传统斯特林循环结合起来，这种热力学循环被称作双工质两项式斯特林循环。这种概念在上个世纪70年代被美国学者提出，他们发现了通过在传统斯特林发动机内加入水可以大幅降低系统加热温度并提升振荡强度的现象，但并未能构建出可稳定运行的样机。主要原因是未能意识到蒸发式斯特林系统内的能量转换主要发生在回热器中，而非膨胀腔和压缩腔里，导致对回热器和换热器的设计无法支持持续的蒸发式斯特林循环。
3.此外，作为与斯特林热机在热力学上有相似性的热声热机研究领域，发现了湿式热声循环对传统热声发动机的强化作用。相较于传统热声发动机，湿式热声发动机的驱动温差更低，但现有湿式热声发动机仅用于现象演示，由于系统中缺乏液体循环回路而无法实现稳态运行。此外，相较于斯特林循环，热声热机中缺乏固体调相装置，因而比功率较低。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种斯特林发动机单元与斯特林发动机，用以解决传统蒸发式斯特林发动机无法稳定运行的问题。
5.针对现有技术存在的问题，本实用新型实施例提供一种斯特林发动机单元，包括：
6.降膜式蒸发器，所述降膜式蒸发器内具有液池，所述液池内填充有活性物液体，所述活性物液体可发生液态-气态的相变；
7.回热器，设于所述降膜式蒸发器上、且与所述降膜式蒸发器连通，所述回热器内填充有所述活性物液体、且所述回热器的气体流道为流通状态；以及，
8.冷却器，设于所述回热器上、且与所述回热器连通；
9.其中，所述降膜式蒸发器、所述回热器、所述冷却器之间填充有基本气体，所述基本气体包括氦气、氢气、空气中的一种或多种，所述基本气体与活性物在所述回热器内发生蒸发式斯特林循环。
10.根据本实用新型提供的一种斯特林发动机单元，所述液池设于所述降膜式蒸发器的底端，所述降膜式蒸发器包括多个肋片以及回液管路，各所述肋片设于所述液池上方、用于蒸发所述活性物液体，各所述肋片之间形成有与所述回热器连通的通道；
11.所述回液管路一端连通于所述液池，另一端与各所述通道对应，用于将所述液池内的活性物液体泵送至各所述肋片上。
12.根据本实用新型提供的一种斯特林发动机单元，所述回液管路远离所述液池的一端连通有多个布液管路，各所述布液管路与各所述肋片对应。
13.根据本实用新型提供的一种斯特林发动机单元，各所述肋片沿所述降膜式蒸发器的高度方向延伸；和/或，各所述肋片沿所述降膜式蒸发器的宽度方向延伸。
14.根据本实用新型提供的一种斯特林发动机单元，所述回液管路上设置有单向阀，所述单向阀用于使所述回液管路中的所述活性物液体自下而上地单向流动。
15.根据本实用新型提供的一种斯特林发动机单元，所述活性物液体包括水、酒精、异丙醇、正戊烷或者氨。
16.根据本实用新型提供的一种斯特林发动机单元，所述回热器为多孔介质，所述回热器内具有多个互相平行的微流道；和/或，所述回热器内具有多个相互连通的微孔隙。
17.根据本实用新型提供的一种斯特林发动机单元，所述回热器的材质具备高亲水性、吸水性以及毛细效应。
18.根据本实用新型提供的一种斯特林发动机单元，所述回热器的材质包括多孔泡沫、丝网或者纤维素薄膜。
19.本实用新型还提供了一种斯特林发动机，包括：
20.斯特林发动机单元，所述斯特林发动机单元为如上任一项所述的斯特林发动机单元；以及，
21.动力单元，包括直线电机以及排出器，所述动力单元内形成有压缩腔以及膨胀腔，所述压缩腔与所述膨胀腔均与所述斯特林发动机单元连通。
22.本实用新型提供的斯特林发动机单元，由于设置了活性物质与基本气体的混合工质，利用活性物质的相变过程，可以强化单元的热声转换；
23.降膜蒸发器的设置，利用活性物液体的蒸发，一方面减小了传热温差，有利于降低对热源温度的要求，另一方面也为混合物工质提供充足的活性物气体，防止活性物蒸干而导致相变停止；另外，液池中的活性物液体能够保证蒸发所需活性物的供给，使系统能够实现长时间稳态运行。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本实用新型提供的斯特林发动机单元一实施例的剖视图结构示意图；
26.图2是本实用新型提供的斯特林发动机一实施例的剖视图结构示意图；
27.图3是为蒸发式斯特林循环(湿式热声循环)的示意图之一；
28.图4是为蒸发式斯特林循环(湿式热声循环)的示意图之二。
29.附图标记：
30.1：斯特林发动机；
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2：斯特林发动机单元；
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3：动力单元； 31.4：降膜式蒸发器；
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5：液池；
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6：肋片；
32.7：回液管路；
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8：布液管路；
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9：单向阀；
33.10：回热器；
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11：冷却器；
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12：直线电机；
34.13：排出器；
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14：动力活塞。
具体实施方式
35.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型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作出创造性劳动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。
36.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.在本实用新型实施例的描述中，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实施例中的具体含义。
38.在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
39.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
40.下面结合图1-图4描述本实用新型的斯特林发动机单元2与斯特林发动机1。
41.如前所述，传统蒸发式斯特林发动机无法稳定运行，鉴于此，本实用新型实施例提供了一种斯特林发动机单元2，包括：降膜式蒸发器4，降膜式蒸发器4内具有液池5，液池5内填充有活性物液体，活性物液体可发生液态-气态的相变；回热器10，设于降膜式蒸发器4上、且与降膜式蒸发器4连通，回热器10内填充有活性物液体，活性物(活性物液体+活性物气体)以及基本气体在回热器10内发生蒸发式斯特林循环，需要说明的是，回热器10包括固体区域以及气体区域，气体区域为形成于固体区域(固体物)内的多个气体流道，在本实用新型提供的技术方案中，活性物液体仅填充于回热器10的固体区域，而气体流道保持流通状态；以及，冷却器11，设于所述回热器10上、且与回热器10连通；其中，降膜式蒸发器4、回
热器10、冷却器11之间填充有基本气体，基本气体包括氦气、氢气、空气中的一种或多种，当然也可以是其它基本气体，比如氧气、氮气等，本实用新型对此并不加以限定。
42.需要说明的是，系统运行前，回热器10内(固体区域)需要通过浸泡、喷淋等方式被活性物液体充分润湿，同时也应保证回热器10内的气体流道(微流道)不被液体堵塞。系统运行时，在回热器10内的微流道活性物内将发生蒸发式斯特林循环，热能将被转化为机械能(声振荡)。在这一过程中，活性物将由于压力和速度波动而发生周期性的蒸发和冷凝，该过程在本质上接近湿式行波型热声循环。其理想热力循环如图3-图4所示，包括4个过程：(1)伴随活性物蒸发的等压吸热。(2)伴随活性物蒸发的等温膨胀。(3)伴随活性物冷凝的等压放热。(4)伴随活性物冷凝的等温压缩。上述热力循环将提升斯特林循环发动机的振荡强度，提升比功率并降低系统的运行温差。
43.传统技术中的斯特林发动机仅依靠基本气体的膨胀与压缩进行能量的转换，本实用新型提供的斯特林发动机单元2，采用混合工质参与能量的转换(基本气体+活性物气体)，由于活性物液体可以发生液态-气态的相变，因此利用活性物的相变参与的蒸发式斯特林循环(即湿式热声效应)来强化能量转换，有利于降低发动机系统所需的工作温差，提升斯特林发动机在小温差下的比功率；此外，本实用新型中设置了降膜式蒸发器4，液池5中的活性物液体在降膜式蒸发器4中蒸发，一方面减小了传热温差，有利于降低对热源温度的要求，另一方面也为混合工质提供充足的活性物气体，防止活性物蒸干导致相变停止，使系统能够实现长时间稳态运行。
44.具体地，可以参阅图1和图2，液池5设于降膜式蒸发器4的底端，降膜式蒸发器4包括多个肋片6以及回液管路7，各肋片6设于液池5上方、用于蒸发活性物液体并完成对系统的热量输入(降膜式蒸发器4中有热源对肋片6进行加热)，各肋片6之间形成有与回热器10连通的通道；回液管路7一端连通于液池5，另一端与各通道对应，用于将液池5内的活性物液体泵送至各肋片6上。可以理解的是，系统运行时，液池5内的活性物液体受压力波动作用，通过回液管路7被泵至各肋片6上端，肋片6增大了接触面积，活性物液体在重力的作用下将在肋片6的表面形成液膜，在肋片6表面的加热下发生蒸发，蒸发的活性物气体通过通道上升至回热器10以及冷却器11，在冷却器11的冷却作用下，活性物气体冷凝后被回热器10吸收，由于在实际运行过程中活性物会产生流失，蒸发的活性物气体可以保证一直有足够的活性物参与回热器10内的湿式热声转换，保证系统长久稳定的运行。
45.进一步地，回液管路7远离液池5的一端连通有多个布液管路8，各布液管路8与各肋片6对应。布液管路8对活性物液体进行分流，使得活性物液体能够均匀分布至各肋片6的表面。在本实用新型提供的实施例中，肋片6是沿蒸发器的高度方向延伸的，与回液管路7的液体流向相同；当然肋片6也可以沿蒸发器的宽度方向延伸，与回液管路7的液体流向呈正交设置，本实用新型对此并不加以限定。
46.由于受到重力影响，液体在回液管路7中会有下落的趋势，为了使回液管路7中的活性物液体自下而上地单向流动，在本实用新型提供的技术方案中，回液管路7上设置有单向阀9，单向阀9能够保证回液管路7内液体的流向。当然，单向阀9并不是唯一的实施方式，也可以通过采用非对称结构诱导方向与液体流向相同(在图中为由下向上)的声直流来实现，理论情况下，气体微团在固定位置往复振动，但非对称结构会使气体有方向地进行位置移动，因此可以朝单一方向的推动液体，技术人员可以根据实际情况选择合适的方式，本实
用新型对此并不加以限定。
47.如前所述，传统斯特林发动机1中的基本气体不发生相变，而本实用新型提供的活性物液体会发生相变，活性物质的选择可以有多种，例如水、酒精、异丙醇、正戊烷或者氨，具体可以根据各物质的沸点、气化潜热结合环境和安全性等进行选择。
48.在本实用新型提供的技术方案中，在回热器10内的微流道内将发生蒸发式斯特林循环，热能将被转化为机械能(声振荡)，具体地，回热器10为多孔介质，回热器10内具有多个互相平行的微流道或者回热器10内具有多个相互连通的微孔隙。进一步地，回热器10的材质具备高亲水性、吸水性以及毛细效应，由于回热器10需要保持湿润，才有湿式热声效应的发生，亲水性和吸水性能够保证活性物的附着和吸附，使得回热器10能够吸收并保存活性物；毛细效应是因为随着反应的发生，回热器10的冷端(靠近冷却器11的一端)往往是更湿润的，而热端(靠近降膜式蒸发器4的一端)更干燥，因此需要毛细效应不断地输送活性物到热端，保证回热器10内一直能发生稳定的蒸发式斯特林循环。在本实用新型提供的实施例中，多孔泡沫、堆叠的丝网(表面镀沸石)或者纤维素薄膜构成的平行流道结构都可作为回热器10的具体实施方式。
49.在上述斯特林发动机单元2的基础上，本实用新型还提供了一种斯特林发动机1，包括：斯特林发动机单元2；以及，动力单元3，包括直线电机12以及排出器13，动力单元3内形成有压缩腔以及膨胀腔。可以参阅图2，压缩腔通过管路与冷却器11连通，膨胀腔通过管路与降膜式蒸发器4连通，因此整个系统内都均匀地充满了基本气体，排出器13设置在压缩腔和膨胀腔之间，压缩腔与直线电机12相连，直线电机12包括动力活塞14、线圈、内回铁、外回铁、线圈支架和弹性件等部件。
50.本实用新型提供的斯特林发动机1的工作原理是：当工作气体在降膜式蒸发器4中又加热且冷却器11冷却时，回热器10壁面构建起温度梯度。当温度梯度达到一个临界值，回热器10内的气体自激振荡发生稳定的湿式热声转换，气体的振荡与直线电机12和排出器13的运动相匹配，使系统稳定运行。相较传统的自由活塞斯特林发动机，活性物的相变将增大转换过程中的振荡幅度，从而提升比功率，降低系统所需的运行温差。动力活塞14的运动将带动直线电机12的线圈切割磁感线从而对外输出电，从而实现该发电机源源不断的把外界热能转化成电能。根据理论计算结果，该系统可在最低30度的温差下运行，远小于类似尺寸的传统斯特林发动机。
51.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。