轉子式置換工質的斯特林發動機的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種轉子式置換工質的斯特林發動機，它包括由冷腔殼、熱腔殼、隔熱殼、活塞缸、活塞缸蓋、導流腔冷腔蓋和導流腔熱腔蓋及多條管道構成的缸體，所述缸體內設有一個與活塞缸連通的連桿腔，在連桿腔內有一根連桿，連桿一端與動力活塞連接，另一端兩側各連接一塊第一擋板；在連桿腔的兩側各有一個導流腔，導流腔內設有一個離心式的導流輪，第二擋板固定在導流輪前側；第一擋板、第二擋板及導流輪均連接在同一根旋轉軸上；多條冷通道和多條熱通道分別連通連桿腔與導流腔。本發明的斯特林發動機結構緊湊、死容積小、振動小、阻尼小、損耗小、回熱效率高、可靠性高。
【專利說明】
轉子式置換工質的斯特林發動機
技術領域
[0001]本發明屬于熱力發動機技術領域，尤其涉及轉子式置換工質的斯特林發動機。
【背景技術】
[0002]斯特林發動機是一種封閉式熱力發動機，與內燃機相比，它具有環保、安全、低成本的優點，目前，在全世界新能源領域得到了廣泛應用。
[0003]斯特林發動機的工作原理是使工質氣體在一個封閉空間內周期性接觸冷、熱體，通過工質熱脹冷縮作用實現對外做功。工質置換是指將工質從冷腔轉移到熱腔或從熱腔轉移到冷腔，它是實現斯特林發動機的關鍵。傳統斯特林發動機普遍采用往復式置換工質方案，即通過(置換)活塞運動實現冷、熱缸體的工質交換。這種方案需要將置換活塞(置換器)與動力活塞的往復式運動耦合成一套動力系統，其缺點是振動大，機械損耗大，可靠性差。由于換熱器的存在，氣阻較大，尤其是在高速運轉條件下，氣阻損耗甚至會超過20%。而要減小氣阻，通常要犧牲換熱器的回熱性能。這是往復式斯特林發動機的一大設計難題。
[0004]轉子式置換系統具有一個可旋轉的置換器，它通常為半圓體形，安裝在一個具有冷、熱腔的圓柱形缸體內。轉子式置換方案通過旋轉置換器實現工質置換，具有振動小、氣阻小、機械損耗小等優點。但轉子式置換系統具有特殊的結構，傳統的換熱器無法安裝于這種系統。由于沒有換熱器，回熱效率低是現有的轉子式置換方案普遍存在的問題。與往復式置換系統相比，轉子式置換系統需要在結構上做進一步改進，提升其回熱效率，才能具有更大市場應用前景。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種結構緊湊、死容積小、振動小、阻尼小、損耗小、回熱效率高、可靠性高的轉子式置換工質的斯特林發動機。
[0006]本發明采如下技術方案解決上述技術問題:
[0007]轉子式置換工質的斯特林發動機，包括由冷腔殼、熱腔殼、隔熱殼、活塞缸、活塞缸蓋、導流腔冷腔蓋和導流腔熱腔蓋及多條管道構成的缸體，所述缸體內設有一個與活塞缸連通的連桿腔，在連桿腔內有一根連桿，連桿一端與動力活塞連接，另一端兩側各連接一塊第一擋板;在連桿腔的兩側各有一個導流腔，導流腔內設有一個離心式的導流輪，第二擋板固定在導流輪葉片側的輪盤上;第一擋板、第二擋板及導流輪均連接在同一根旋轉軸上;多條冷通道和多條熱通道分別連通連桿腔與導流腔。
[0008]所述連桿腔的截面為網球拍狀。
[0009]所述第一擋板為半圓形，與連桿銷接。
[0010]所述導流輪輪面上連接有多列葉片，多列葉片排布成半圓環狀。
[0011]所述導流腔為圓柱體，第二擋板為半圓形，其位置對應于導流輪無葉片的半個輪面。
[0012]所述多條冷通道為管道的內通道。
[0013]所述多條熱通道為直孔道，嵌在一塊截面為半圓形的金屬實體內，該金屬實體與熱腔殼為一體化。
[0014]所述多條冷通道的端口與所述多條熱通道的端口所在區域為2個對稱的半圓區域。
[0015]所述第一擋板與第二擋板具有相同的半圓形截面，它們在共有的旋轉軸的軸向方向上對齊排列。
[0016]本發明的有益技術效果在于:
[0017]I)整個缸體空間緊湊，死容積小，工質置換能在整個缸體實現。
[0018]2)與往復式斯特林發動機相比，本發明的動力系統少了一套往復式活塞運動組件，不但減少了機械損耗，還節約成本，提高可靠性。
[0019]3)采用離心式導流技術實現導流腔與連桿腔之間的冷、熱通道工質交換，具有氣阻小，振動小的特點。
[0020]4)對工質做功產生負面作用的冷通道和熱通道采取封閉措施，使置換系統具有很高的冷卻和回熱效率，無需裝設回熱器和冷卻器。
[0021]5)往復式斯特林發動機有動力活塞和置換活塞兩處需要做動密封，而本發明只有動力活塞一處需要做動密封，在氣密性方面可以做得更好。
[0022]所述的斯特林發動機具有振動小，阻力小，損耗小及效率高的技術特點。在相同初始壓強、氣缸容量、溫差等條件下，與現有的斯特林發動機相比，所述的斯特林發動機額定功率可以提高15%?30%，維護周期可延長20%?40%。
【附圖說明】
[0023 ]圖1為本發明的斯特林發動機外觀示意圖。
[0024]圖2是圖1的正視圖。
[0025]圖3是圖2的A-A向剖視圖。
[0026]圖4是圖3的C-C向剖視圖。
[0027]圖5是圖2的B-B向剖視圖。
[0028]圖6是圖5中的導流輪與第二擋板的裝配示意圖。
[0029]圖中:1.冷腔殼;2.熱腔殼;3.隔熱殼;4.活塞缸;5.導流腔冷腔蓋;6.導流腔熱腔蓋;7.動力活塞;8.活塞缸蓋;9.連桿腔;10.連桿;11.第一擋板;12.銷孔;13.導流腔；14.導流輪;15.第二擋板;16.旋轉軸；17.配氣室；18.氣閥接頭；19.冷通道;20.熱通道;21.管道；22.葉片。
【具體實施方式】
[0030]以下結合附圖和實施例對本發明的【具體實施方式】作詳細說明，但不構成對本發明權利要求保護范圍的限制。
[0031]如圖1所示，本發明的轉子式置換工質的斯特林發動機，包括由冷腔殼1、熱腔殼2、隔熱殼3、活塞缸4、活塞缸蓋8、導流腔冷腔蓋5和導流腔熱腔蓋6及多條管道21構成的缸體。
[0032]如圖2所示，所述的斯特林發動機為對稱結構，其對稱面為A-A剖面。
[0033]如圖3至圖6所示，所述缸體內設有一個與活塞缸4連通的連桿腔9，在連桿腔9內有一根連桿10，連桿10—端與動力活塞7連接，另一端兩側各連接一塊第一擋板11;在連桿腔9的兩側各有一個導流腔13，導流腔13內設有一個離心式的導流輪14，第二擋板15固定在導流輪14前側;第一擋板11、第二擋板15及導流輪14均連接在同一根旋轉軸16上;多條冷通道19和多條熱通道20分別連通連桿腔9與導流腔13。
[0034]所述連桿腔9的截面為網球拍狀。
[0035]所述第一擋板11為半圓形，通過連桿10上的銷孔12進行銷接。
[0036]所述導流輪14輪面上連接有多列葉片22，多列葉片22排布成半圓環狀。
[0037]所述導流腔13為圓柱體，第二擋板15為半圓形，其位置對應于導流輪14無葉片22的半個輪面。
[0038]所述多條冷通道19為管道21的內通道，其路徑可以曲折。
[0039]所述多條熱通道20為直孔道，嵌在一塊截面為半圓形的金屬實體內，該金屬實體與熱腔殼2為一體化。
[0040]所述多條冷通道19的端口與所述多條熱通道20的端口所在區域為2個對稱的半圓區域。
[0041]所述第一擋板11與第二擋板15具有相同的半圓形截面，它們在共有的旋轉軸16的軸向方向上對齊排列。
[0042]所述隔熱殼3位于冷腔殼I與熱腔殼2之間，導流腔冷腔蓋5與導流腔熱腔蓋6之間。
[0043]所述活塞缸4的開放式溝槽通過與隔熱殼3連接實現封閉。
[0044]所述動力活塞7為長柱形，其密封圈位于活塞缸4的開放式溝槽中，其導向環通過活塞缸蓋8固走。
[0045]所述連桿腔9的頂端設有配氣室17，配氣室17上有氣閥接頭18，氣閥接頭18與冷腔殼I連接。
[0046]本實施例的斯特林發動機工作原理:
[0047]如圖5所示，由于第二擋板15的摭擋，只有一個半圓區域的冷通道19和熱通道20通向導流腔13，根據葉片22分布特征，該半圓區域被分成對應于葉片22的半圓環區和內半圓區。隨著導流輪14旋轉，端口對應于內半圓區的冷通道19、熱通道20的工質被吸入導流腔13，由于離心力作用，導流腔13內工質被壓入端口對應于半圓環區的冷通道19和熱通道20內。這種離心式導流技術除了具有氣阻小、振動小的優點外，還有一個重要特征是連桿腔9與導流腔13之間冷通道19和熱通道20的工質不需要一次性完成交換，換句話說，就是工質氣體可以在冷通道19和熱通道20的駐留更長的時間。這是往復式斯特林發動機所不具有的技術優勢。在冷通道19和熱通道20的兩端通道口分別裝設第一擋板11和第二檔板15的目的就是將產生負面作用的腔體封閉，一方面防止做功工質與負面腔體及其內部工質接觸而導致做功能力下降，另一方面可以使封閉腔體內的工質盡可能得到冷卻或加熱，提高工質冷卻和回熱效率。
[0048]工作過程:動力活塞7從下止點開始運動，帶動連桿10作旋轉運動，在第一擋板11從O度角逆時針旋轉90度過程中，冷通道19從半開放狀態至完全封閉，熱通道20從半關閉狀態至完全開放，此時，熱通道20的工質受熱膨脹推動動力活塞7做功，同時進入未封閉冷通道19的熱工質會逐漸減少；當第一擋板11轉至90度時，由于冷通道19完全封閉，熱通道20的工質膨脹基本上作用于動力活塞7，使其具有最大出力。在第一擋板11從90度旋轉至180度過程中，冷通道19從完全封閉至半開放狀態，熱通道20從完全開放至半封閉狀態，盡管熱工質仍然在膨脹做功，但是隨著冷通道19逐漸開放，越來越多熱工質進入冷通道19，同時，參與膨脹做功的工質逐漸減少。當第一擋板11轉至180度時，動力活塞7達到上止點，此時熱通道20被完全封閉，殘余的熱工質只能進入冷通道19不再做功。動力活塞7從上止點返回下止點的過程與以上過程正好相反。
[0049]除了導流輪14外，連桿10運動也可以實現工質置換，但僅限于連桿腔9內，對于整個缸體而言只起到輔助作用。
[0050]所述斯特林發動機額定轉速為1800轉/分鐘，熱通道20長度為0.2米，導流腔13的直徑為0.18米，工作在500°C溫度時，額定功率可達到6千瓦。與現有的商業級斯特林發動機相比，在相同初始壓強、氣缸容量、溫差等條件下，所述的斯特林發動機額定功率可以提高15%?30%，維護周期可延長20%?40%，成本可以減少30%以上。
【主權項】
1.轉子式置換工質的斯特林發動機，包括由冷腔殼(I)、熱腔殼(2)、隔熱殼(3)、活塞缸(4)、活塞缸蓋(8)、導流腔冷腔蓋(5)和導流腔熱腔蓋(6)及多條管道(21)構成的缸體，其特征在于:所述缸體內設有一個與活塞缸(4)連通的連桿腔(9)，在連桿腔(9)內有一根連桿(10)，連桿(10)—端與動力活塞(7)連接，另一端兩側各連接一塊第一擋板(11);在連桿腔(9)的兩側各有一個導流腔(13)，導流腔(13)內設有一個離心式的導流輪(14)，第二擋板(15)固定在導流輪(14)前側;第一擋板(11)、第二擋板(15)及導流輪(14)均連接在同一根旋轉軸(16)上;多條冷通道(19)和多條熱通道(20)分別連通連桿腔(9)與導流腔(13)。2.根據權利要求1所述的轉子式置換工質的斯特林發動機，其特征在于:所述連桿腔(9)的截面為網球拍狀。3.根據權利要求2所述的轉子式置換工質的斯特林發動機，其特征在于:所述第一擋板(11)為半圓形，與連桿(10)銷接。4.根據權利要求1所述的轉子式置換工質的斯特林發動機，其特征在于:所述導流輪(14)輪面上連接有多列葉片(22)，多列葉片(22)排布成半圓環狀。5.根據權利要求1所述的轉子式置換工質的斯特林發動機，其特征在于:所述導流腔(13)為圓柱體，第二擋板(15)為半圓形，其位置對應于導流輪(14)無葉片的半個輪面。6.根據權利要求1所述的轉子式置換工質的斯特林發動機，其特征在于:所述多條冷通道(19)的端口與所述多條熱通道(20)的端口所在區域為2個對稱的半圓區域。7.根據權利要求1所述的轉子式置換工質的斯特林發動機，其特征在于:所述第一擋板(11)與第二擋板(15)具有相同的半圓形截面，它們在共有的旋轉軸(16)的軸向方向上對齊排列。
【文檔編號】F02G1/043GK105927419SQ201610310633
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月11日
【發明人】莫峻
【申請人】廣西大學