专利名称:以空气为工作流体的斯特林发动机的制作方法
随着斯特林发动机的重新受到关注，人们对它的兴趣日益浓厚，并已经作出了大量努力以改善其设计，在一部题为《斯特林发动机》的专著中，对斯特林发动机的基本工作原理作了阐述，这部专著的作者是吉·沃尔克(G.Walker)，1980年出第一版。就其原理来说，斯特林发动机基本上是靠工作流体(气体)的加热与冷却来工作的，即借助该气体工质的膨胀与压缩来做有用功，在上面提到的专著中列举了多种斯特林机设计，以及它们各自的优点。
众多的斯特林发动机设计方案，都以比空气轻的气体来作工作流体，如采用氢气或氦气，因为这些气体的导热系数较高，比热较小，粘度较低。尽管使用这类气体有许多优点，但由于有一个十分重要的要求，即工作气体的总质量必须保持不变，因此就要求工作气体的循环在密封条件下进行。
以空气作为循环工质来取代较轻气体的斯特林机设计方案已经问世。与工质轻于空气而且其总质量固定的发动机相比较，以空气为循环工质的斯特林发动机有一个显著的优点，即对其工作空间与环境大气之间密封的要求可以降低。现行的以氢气和氦气为工质的发动机，在活塞与十字头销之间的连杆上采用滑动密封。因为这种设计要求有一定的容隙，为了提供这样的容隙，势必要增加发动机的高度，牺牲一部分容积。而对于在空气环境中工作的以空气为循环工质的发动机，如有任何泄漏，可以很容易地从周围环境得到补充，因此不必密封得十分严密，从而不仅可以避免采用复杂精细的密封措施，而且可以对简化了密封措施后节省下的容积和重量加以利用。
然而由于空气的传递性能与流体性能很差(就是说，导热率较低，比热较小，粘性较大)，迄今为止已设计出来的以空气作循环工质的斯特林发动机尚未令人十分满意。为弥补空气较差的流体性质所作的各种尝试，得到的一般都是非常笨重而效率很差的发动机，其功率与重量之比低。到目前为止，只有在速度较低，比功率也较小的条件下空气循环发动机的效率才有可能与采用较轻气体作循环工质的发动机相比较，因此，它们的应用受到了限制。
针对上述问题，本发明的主要目的就是提供一种以空气为循环工质的斯特林发动机，这种发动机效率较高，并且在高转速，高输出功率的运行条件下，可以同以比空气轻的气体为循环工质的发动机相比美，从而能够广泛应用。
本发明进一步的目的，就是要使所提供的这种以空气为循环工质的斯特林发动机具有比较简单的结构，造价比较便宜。
本发明的另一个目的，就是要在所提供的斯特林发动机中，消除以比空气轻的气体为循环工质的发动机的某些缺点，特别是其苛刻的密封要求。
本发明提出一种空气循环斯特林发动机，这种发动机对于诸如氢气循环或氦气循环之类的斯特林发动机而言，是一种有生命力的替代型，在这方面，以空气作为循环工质的一些原有缺陷，通过采用一种改进的换热器设计，已经克服了。不仅如此，本发明所提出的这种热交换器设计，还使得与诸如氢气循环发动机的重量及体积相当的空气循环发动机，具有更简单，更便宜，可靠性更高的结构。
就这方面来说，本发明提出一种热交换器组件，这种组件把加热器蓄热器和冷却器以分层叠置的方式集中装在燃烧室的周围，形成一个结构紧凑，造价低廉的部件。对换热器管路结构，蓄热器以及冷却器的特殊设计，既保证了空气循环发动机所必要的紧凑的结构情况下有效的热传递，也作到了结构简单，造价低廉。
上述的各项目标以及各种优点，都将通过本发明而得以实现。对此之描述应参照下列附图，其中图1是表示采用本发明特点的斯特林发动机的局部剖开的侧视图;
图2是采用本发明技术内容的斯特林发动机的局部剖开的俯视图;
图3是一示意图，表示热交换器组件与膨胀和压缩活塞之间的相互关系;
图4是采用本发明技术内容的换热器组件的局部剖开的分解部件图;
图4a是采用本发明技术内容的加热管件组装后的剖视图;
图5是放大的局部剖开俯视图，表示安装在斯特林发动机内的换热器组件的一部分;
图6是沿斯特林发动机中膨胀活塞轴向观察的局部剖视图;
图7是装在如图6所示的斯特林发动机内的换热器组件的放大了的侧向剖视图。
更具体地看，附图中基本表示出了以空气作为循环工质的斯特林发动机10，此发动机有外壳12，壳内装着热交换器14，这个交换器包括一组由单根加热管18排成的加热管阵列16，一个蓄热器20和一个冷却器22，这些部件一层压一层地安装在燃烧室24周围，如图1和图2中所示。
参照图3，可以清晰地描述热交换器组件14同压缩活塞26，以及同膨胀活塞28之间的基本关系，压缩活塞26又称冷活塞，膨胀活塞28又称热活塞，它们也是发动机的部件。从图中可见，这些活塞装在一个公共曲柄上并在空间相互错开，使膨胀活塞28比压缩活塞26超前一定角度(即90度)。冷的压缩活塞26上方连接一条冷态压缩管道29，该活塞推动空气流过热交换器组件14使之在换热器中受到加热。一条高温管道30连接在膨胀腔与环形管道31之间，这条环形管道31用来汇集流出热交换器组件14的热空气。随着循环空气的往复流动，受热的空气推动活塞28，按照众所周知的斯特林发动机的原理对外作功。
在本发明中，由热交换器的有关部件，即由加热管束，蓄热器和冷却器所要占用的容积或空间被降至最小，对此可以参看图4，其中以分解方式表示了热交换器组件14。加热器管道单元32由导热性能极好的材料制成，在每一个单元中，有一个一端扩口一端封闭的拉拨成形元件34，其外壁面与一条两端开通的皱壁管36的内壁面紧密配合，两个壁面之间形成通道38，皱壁管36又套在一条两端开通的光壁管40内，并与该管紧密配合，两管壁间形成流道42。这一套装配成的元件然后用铜锌合金焊成一体，成为一件如图4a所示的加热器管单元。由于此单元充分焊成一个整体，圆周应力大部分都由较小的有效通道直径承受，因而可采用簿壁元件，从而得到良好的导热性能。元件34和36的制造和装配都较简单，成本很低。加热器需要许多空气通道，这些通道比迄今在较轻气体循环工质发动机中所用的通道要更短更细。这一点冷却器也与加热器相同，后面对此也要介绍。
加热器管道单元32实质上是由多条空气通道或流道组成的环形集束，这些空气通道从空腔44通到空腔46，再返回到空腔44，具有简单的同轴岐管的形成，如图4a所示，从空腔48处流入的空气，沿着位于元件36和38之间的流道42，一直到达空腔44，然后又逆转方向，经过元件34和36之间的通道38流下来，并流出管子36的管口50，反之亦然。流道的实际数目由管子36上皱折的数目决定。
为了强化向加热器管内流动的空气的传热，可以加装肋片，或者在加热器管外面套装一支有螺旋槽的管子52，从而使燃烧气体在流径这支螺旋槽管同加热器管壁之间的通道时打旋，这些燃烧气体最后将作为废气排出。图5给出了这种螺旋槽管同加热器管单元32的一种供选择的配用方法。如图5、6、7、所示，这些管子全部安装在燃烧室24的园筒形纤维陶瓷岐管53上的通孔里。为了达到同采用螺旋槽管同样的效果，也可以在陶瓷岐管53的通孔壁上开槽，使从中流过的燃烧气体产生所需的旋涡。
一台发动机上使用大量的管道单元32，这些单元分层排列，沿径向安装在燃烧室周围，如各附图所示。这些管道单元长度很短，直径较小，性能良好，并且预制出若干个管道单元后，可以机械化组装，因而可以降低装配费用。
每一个加热器管道单元32都沿径向安装在一个高压汽缸56上的通孔54内，此高压汽缸56围绕着燃烧室24配置，并与之固连，在这个方面，管子40的端头与汽缸56的外表面58齐平，图5和图7中以标引号60清楚地指示了这个关系。
随后安装集气管62，此集气管是由簿板制成，并冲压出许多凸起的管子接口64，每个接口64都沿轴向伸入通孔54中，接口64滑入加热器管道单元32的管口50，与其内部的表面相吻合。集气管62上有折起的止动沿66，可以与相邻的集气管很方便的配合。这些集气管62围绕着汽缸56配置，从而在它们之间形成一个环形腔70，此环形腔与各加热器管道单元32中的通道42连通，同时与膨胀腔28相通，后面还要对此作介绍。另外，通道38被限定通过接口64与集气管62外侧的空间相连。
在上述的集气管62外侧的空间里，环绕着蓄热器间架20。已经发现，由陶瓷纤维，比如3M公司生产的иextel312型陶瓷纤维呈螺旋形绕制而成的网状的蓄热器，是十分有效的。这样的耐热纤维强度很高，且有挠性，可以编织成很簿的织物而导热系数很低。在本发明中使用这种纤维织物是很有好处的，因为在温度梯度方向上厚度较小，在使用传统的蓄热器材料时会有过多的热量通过传导损失掉，而这种纤维织物则可避免这种损失。这样的纤维织物使蓄热器具有很高的效用，可以阻止从热面向冷面的热量损失，其性能优于迄今所用的金属丝制品。
在蓄热器20的外围，安装着园筒形的径向气流冷却器22，它是由组装在环箍74中的多条截面渐缩的空心管道72组成。在各条管子72之间设有波纹形金属肋片76，附图中以局部剖视的形式所示的管子72，肋片76或许还有组装用的端板，所有这些部件装配好的总成可以用铜焊结成一体，其形式与传统的汽车散热器十分相象，冷却剂(水)在管子72的内腔中流动，工作气体(空气)则流过由波纹状肋片76所形成的通道。
请注意，在管子72外壁上，开出垂直于管道走向的横槽，便可取代上述波纹状肋片76;这些槽位于管道72的两端之间，当把这些管子72用铜焊连接在一起时，横槽间便构成了空气流道。不论用上述的那一种方法，都能以低廉的成本制出成千上万条有效通道，所用另件极少，而其热性能极高。
这一整套热交换器组件14，安装在发动机10中。在冷却器22与外壳体12之间，有与管道29相通的低温连接管道，该连接管道可以包括在冷压缩气缸或集气岐管82上开出来的槽道80，该集气管82可以是外壳体12的一部分。
现在参阅图6，对此发动机运行的基本过程可描述如下发动机中设置燃烧室系统82，用来给加热器管道单元32，并进而给流过管道单元32的工作流体(空气)加热。供燃烧用的空气从进气口84进入系统，经过一常规的回热式预热器86，进入燃烧室24，然后，这些燃烧气体从燃烧室24出发，沿加热器管道单元32的轴向流动，穿过陶瓷岐管53(或螺旋槽管52)随后进入环形回管88，经过预热器86，最后从排气口90作为废气排出。
工作流体(空气)的运动路线如下。膨胀活塞28上方与高温连接管道30和环形管道31连通，如图3所示。该环形管道31又与在岐管62和园筒56之间的环形腔70连通，加热器管道单元32中的流道42也与此环形腔70连通，如图7所示。低温连管29与由肋片76构成的流道连通，并经过蓄热器20及管口50而同加热器管道单元32中的流道38连通，如图4a和图5所示。
工作流体在加热管道内沿着前面介绍过的各流道作往复式的流动，完成一个循环，膨胀腔的工作流体(空气)顺着轴向流入环形腔70，沿着加热器管道中的流道流进去再流出来，向外流过蓄热器和冷却器(都是沿着径向流动)然后顺着环形槽道80流入压缩腔。
请注意，这种具有径向流的园筒形的结构，既可获得很大的流通面积，又不致在环箍与容器上产生较大的应力，而在通过轴向流的大直径容器中，这种高应力通常会伴随着大过流截面而出现，另外，这种结构具有很大程度的自保温能力，这是一个附带的优点。
在上述的同一曲轴上，还可以加装更多的斯特林循环系统，各系统的热交换器组件共用同一套燃烧室，从而充分发挥这一装置的功能，提高其效率。
总之，本发明的各项目标及其优点都得到了实现，虽然在此仅对一种实施例作了详细介绍，本发明的范围并不仅限于此，而应根据下面权利要求
的范围来确定。
权利要求
1.一种斯特林发动机，其构成为一个压缩装置和一个膨胀装置；一个产生热量的燃烧室；一套园筒形的热交换器组件，用来吸收从燃烧室传出的热量，该热交换器组件中包括多个加热器管单元，这些单元围绕着上述燃烧室的周边布置，工作气体从中流过并被加热；一套纤维衬垫式的蓄热器装置；一套用来冷却工作流体的冷却装置，上述的这些加热管单元、蓄热器装置和冷却装置，各自呈园筒形，并一层一层地套在一起，安置在上述燃烧室周围；低温连接管道装置，将冷却装置与压缩装置连通，从而使工作气体在它们之间流过；在按斯特林循环运行时，上述压缩和膨胀装置使工作气体周期地流过热交换器组件。
2.按照权利要求
1的发明，其中所述的加热器管单元各具有一个一端封闭另一端开通的圆柱形管，在其中有流道，工作流体可从该开通端经过第一组流道进入该管子，并经过第二组流道从该开通端流出管子。
3.按照权利要求
2的发明，其中所述的管子的开通端与一圆筒壁面相接。
4.按照权利要求
3的发明，其中还包括岐管装置，布置在上述圆筒壁与蓄热器装置之间，并与加热器管单元相连，该岐管装置同圆筒壁一起构成了在上述第一组流道与膨胀装置之间的连接通道，该岐管装置中的各条管口与上述的第二组流道相连，从而可使工作气体从第二组流道经过而流进蓄热器装置。
5.按照权利要求
4的发明，其中所述的蓄热器装置包含一个设置在上述岐管装置周围的园筒形陶瓷纤维衬套。
6.按照权利要求
5的发明，其中所述的冷却装置包括多条基本上为空心直管的元件，这些管件排成园筒形，围绕着上述蓄热器装置安放，冷却剂就在这些管件中流过;在这些管件之间形成有横向通道，工作流体可从蓄热器装置经过这些通道流入低温连管。
7.按照权利要求
6的发明，其中还包括设置在上述燃烧室中的园筒状的陶瓷岐管装置，该装置上有多个通孔，上述各个加热器管单元各以一部分置于其中。
8.按照权利要求
7的发明，其中还包括开槽的管件，这些管件套装在各个加热器管单元插入在陶瓷岐管中的部分上，从而在发动机运行时，使燃烧气体环绕着这些加热管件形成涡流。
专利摘要
一种斯特林发动机，能够使用空气作为循环工质，该机包括一套紧凑的热交换器组件(14)此组件由加热器管单元(32)，蓄热器(20)和冷却器(22)组成，环绕着燃烧室(24)安装。作这种布置的目的，并且它的实际效果也是，制造出不使用难以密封的轻质气体为循环工质，而又具有高效率，高转速，高比功率的发动机。
文档编号F02G1/00GK85104960SQ85104960
公开日1987年1月7日 申请日期1985年6月29日
发明者琼·A·科里 申请人:机械技术有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan