CN103032202B - 斯特林发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斯特林发动机，包括动力活塞气缸基座、气缸、配气活塞、加热头、整体发泡金属多孔介质回热器、冷却器、两个动力活塞、两个直线发电机、第一板簧和第二板簧，气缸包括内气缸和外气缸，内气缸和外气缸尾端均与动力活塞气缸基座固定连接，加热头、多孔介质回热器和冷却器从气缸前部到尾部依次安装在内气缸和外气缸夹层之间，配气活塞插在内气缸中，外气缸前部有膨胀腔，配气活塞杆与第一板簧固定，动力活塞气缸基座与配气活塞尾端之间具有压缩腔，动力活塞的连杆与直线发电机的动子装连，连杆与联结轴相连，联结轴的轴身与第二板簧固定。本发明结构简单、控制简单。

Description

斯特林发动机

技术领域

本发明涉及一种新型自由活塞斯特林发动机，属于热气机利用领域。

背景技术

斯特林发动机(Stirling Engine)，是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机。在这类机器中，工质(一般为氢气、氦气或空气)被封闭在循环回路中，通过气缸容积的变比控制工质在闭式循环回路中的流动方向；在较低的温度和压力下压缩工质，在较高的温度和压力下膨胀，从而获得正的循环功。其热力过程是按斯特林循环进行的。

自由活塞式斯特林发动机是斯特林发动机的一个重要分支，是一种靠活塞往复运动实现热力循环的动力装置。这种运动是由于气体力以及部件间气体力和动力的相互作用产生的。

如图5所示，现有的自由活塞式斯特林发动机包括动力活塞33、配气活塞34、气缸35、配气活塞杆36、动力活塞杆32、板簧30、31等，其中配气活塞杆36长距离滑动穿过动力活塞33和动力活塞杆32，配气活塞杆36依靠动力活塞33和动力活塞杆32的内孔导向进行往复运动，而动力活塞33和动力活塞杆32稍微出现加工误差或装配误差，就会影响配气活塞杆36的运动，容易卡死；而且动力活塞33和动力活塞杆32的内孔容易漏气，影响发动机效率。所以这种斯特林发动机结构复杂，加工困难。

传统的自由活塞斯特林发动机采用气体弹簧作为活塞的恢复力，但这气体弹簧作用的活塞因没有任何机械固定会产生飘移，使配气活塞和动力活塞靠在一起或分别靠在两端，从而失去动力。为克服这个问题，荷兰的斯特林公司等采用了许多复杂的控制方法。Infinia公司采用板簧代替气体弹簧的自由活塞式斯特林发动机的技术已较为成熟，第一台原理样机在2007年10月份开始试验。Microgen公司以Sunpower公司1kW带板簧自由活塞式斯特林发动机的技术为基础，开发出微型家用热电联供***（MCHP）。然而，这些传统以气体弹簧的自由活塞式斯特林发动机控制、结构复杂；采用配气活塞杆穿过动力活塞的结构会降低压缩腔内的密封性，且安装复杂；Infinia公司为代表的板簧自由活塞式斯特林发动机板簧***安装复杂，活塞易侧摆，无益容积大等；传统丝网回热器加工容易脱焊、传热系数不高等。这些问题都降低了自由活塞斯特林发动机的效率，增加了结构的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、控制简单的斯特林发动机。

实现上述目的的技术方案是：一种斯特林发动机，包括动力活塞气缸基座、气缸、配气活塞、加热头、回热器和冷却器，还包括两个动力活塞、两个直线发电机、第一板簧和第二板簧，所述回热器是整体发泡金属多孔介质回热器，所述气缸包括内气缸和外气缸，外气缸套在内气缸之外，内气缸的前端开口与外气缸的前端内腔空间贯通，内气缸和外气缸尾端均与动力活塞气缸基座固定连接，所述加热头、整体发泡金属多孔介质回热器和冷却器从气缸前部到尾部依次安装在内气缸和外气缸夹层之间，所述配气活塞插在内气缸中，且与内气缸滑动配合，配气活塞前端、内气缸前端与外气缸前端内壁之间形成膨胀腔，配气活塞尾端具有配气活塞杆，配气活塞杆与第一板簧中部固定，第一板簧端部固定在动力活塞气缸基座上，所述动力活塞气缸基座与内气缸、外气缸及配气活塞尾端之间构成压缩腔，所述动力活塞气缸基座内具有两个动力气缸缸孔，两个动力气缸缸孔前端均与压缩腔相通，所述两个动力气缸缸孔内相应滑动配合有动力活塞，动力活塞尾端均具有各自的连杆，所述两个直线发电机的动子与相应的动力活塞的连杆装连，直线发电机的定子与动力活塞气缸基座固定，动力活塞的连杆均与联结轴相连接，联结轴的轴身与第二板簧中部固定，第二板簧端部固定在动力活塞气缸基座上。

所述两个动力活塞的连杆尾部连接有横杆，联结轴一端连接到横杆上，另一端通过第一气体轴承滑动支撑在动力活塞气缸基座上，两个动力活塞的连杆的杆身分别通过相应的第二气体轴承滑动支撑在动力活塞气缸基座上。

所述配气活塞的配气活塞杆的前后端分别与活塞气缸基座上相应的轴承滑动配合。

所述内气缸具有连接耳，连接耳与动力活塞气缸基座固定，外气缸具有法兰，法兰与动力活塞气缸基座的法兰以螺栓连接。

采用上述技术方案后，由于采用整体发泡金属多孔介质回热器，高温工作介质通过时，将热能传递给多孔介质，温度降低；而当低温工作介质通过时，将吸收多孔介质中的热能，升高温度，克服了传统的丝网回热器加工容易脱焊、传热系数不高等问题；由于配气活塞杆与两个动力活塞的连杆、联结轴不连接，因此配气活塞和动力活塞的运动不相互影响，因此结构简单，便于装配；由于采用两个动力活塞带动两个直线发电机及第二板簧，因此，动力活塞动作平稳，动力活塞密封性好，克服了传统自由活塞式斯特林发动机的气体弹簧控制复杂、结构复杂等问题以及Infinia公司为代表的板簧***安装复杂，容积大等缺点；本发明不仅加工简单，成本低，效率高，而且具有自启动，不需要任何控制部件等优点。

附图说明

以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的斯特林发动机的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1在膨胀腔23膨胀时的状态图；

图4是图1在膨胀腔23压缩时的状态图；

图5是现有的自由活塞式斯特林发动机的结构示意图。

具体实施方式

如图5所示，现有的自由活塞式斯特林发动机包括动力活塞33、配气活塞34、气缸35、配气活塞杆36、动力活塞杆32、板簧30、31等，其中配气活塞杆36长距离滑动穿过动力活塞33和动力活塞杆32，配气活塞杆36依靠动力活塞33和动力活塞杆32的内孔导向进行往复运动，而动力活塞33和动力活塞杆32稍微出现加工误差或装配误差，就会影响配气活塞杆36的运动，容易卡死；而且动力活塞33和动力活塞杆32的内孔容易漏气，影响发动机效率。

如图1、2、3、4所示，本发明的斯特林发动机，包括动力活塞气缸基座20、气缸15、配气活塞1、加热头14、回热器和冷却器13，还包括两个动力活塞3、12、两个直线发电机5、11、第一板簧4和第二板簧7，所述回热器是整体发泡金属多孔介质回热器2，所述气缸15包括内气缸16和外气缸17，外气缸17套在内气缸16之外，内气缸16的前端开口与外气缸17的前端内腔空间贯通，内气缸16和外气缸17尾端均与动力活塞气缸基座20固定连接，所述加热头14、整体发泡金属多孔介质回热器2和冷却器13从气缸15前部到尾部依次安装在内气缸16和外气缸17夹层之间，所述配气活塞1插在内气缸16中，且与内气缸16滑动配合，配气活塞1前端、内气缸16前端与外气缸17前端内壁之间形成膨胀腔23，配气活塞1尾端具有配气活塞杆24，配气活塞杆24与第一板簧4中部固定，第一板簧4端部固定在动力活塞气缸基座20上，所述动力活塞气缸基座20与内气缸16、外气缸17及配气活塞1尾端之间构成压缩腔22，所述动力活塞气缸基座20内具有两个动力气缸缸孔25、26，两个动力气缸缸孔25、26前端均与压缩腔22相通，所述两个动力气缸缸孔25、26内相应滑动配合有动力活塞3、12，动力活塞3、12尾端均具有各自的连杆（6、10，所述两个直线发电机5、11的动子与相应的动力活塞3、12的连杆6、10装连，直线发电机5、11的定子与动力活塞气缸基座20固定，动力活塞3、12的连杆6、10均与联结轴8相连接，联结轴8的轴身与第二板簧7中部固定，第二板簧7端部固定在动力活塞气缸基座20上。

所述整体发泡金属多孔介质回热器一般采用不锈钢、镍或其他耐高温金属材料制成的多孔介质。

如图1所示，为了使两个动力活塞动作协调，并且使连杆和联结轴移动平稳，所述两个动力活塞3、12的连杆6、10尾部连接有横杆9，联结轴8一端连接到横杆9上，另一端通过第一气体轴承27滑动支撑在动力活塞气缸基座20上，两个动力活塞3、12的连杆6、10的杆身分别通过相应的第二气体轴承28滑动支撑在动力活塞气缸基座20上。

如图1所示，为了使配气活塞杆移动平稳，所述配气活塞1的配气活塞杆24的前后端分别与活塞气缸基座20上相应的轴承29滑动配合。

如图1、2所示，为了便于安装，所述内气缸16具有连接耳18，连接耳18与动力活塞气缸基座20固定，外气缸17具有法兰19，法兰19与动力活塞气缸基座20的法兰21以螺栓连接。

如图1、3、4所示，本发明工作原理如下，当气体在加热头14内受热在膨胀腔23内膨胀，驱动配气活塞1向后移动，压缩腔22内的气体受到压缩。配气活塞1运动到底后，在第一板簧4的惯性作用下使配气活塞杆24及配气活塞1向加热头14方向运动到膨胀腔23端部。这样，配气活塞1在气缸15内往复运动，使工作气体在内气缸16和外气缸17夹层之间及气缸15内来回加热和膨胀、冷却和压缩。由于配气活塞1与两个动力活塞3、12之间有压缩腔22，因此，压缩腔22内的气体驱动动力两个动力活塞3、12向左运动。当两个动力活塞3、12运动到最左端后，由第二板簧7的惯性使其往回向压缩腔22方向运动。当两个动力活塞3、12运动到其行程的最右端时，受压缩腔22内气体作用，又向左运动。两个动力活塞3、12与配气活塞1的相位角差大约在60度左右。动力活塞3、12的往复运动，驱动连杆6、10上的动子（如：永久磁铁）在定子中往复运动，产生电能。

Claims (4)

1.一种斯特林发动机，包括动力活塞气缸基座（20）、气缸（15）、配气活塞（1）、加热头（14）、回热器和冷却器（13），其特征在于：

a、还包括两个动力活塞（3、12）、两个直线发电机（5、11）、第一板簧（4）和第二板簧（7），

b、所述回热器是整体发泡金属多孔介质回热器（2），

c、所述气缸（15）包括内气缸（16）和外气缸（17），外气缸（17）套在内气缸（16）之外，内气缸（16）的前端开口与外气缸（17）的前端内腔空间贯通，内气缸（16）和外气缸（17）尾端均与动力活塞气缸基座（20）固定连接，

d、所述加热头（14）、整体发泡金属多孔介质回热器（2）和冷却器（13）从气缸（15）前部到尾部依次安装在内气缸（16）和外气缸（17）夹层之间，

e、所述配气活塞（1）插在内气缸（16）中，且与内气缸（16）滑动配合，配气活塞（1）前端、内气缸（16）前端与外气缸（17）前端内壁之间形成膨胀腔（23），配气活塞（1）尾端具有配气活塞杆（24），配气活塞杆（24）与第一板簧（4）中部固定，第一板簧（4）端部固定在动力活塞气缸基座（20）上，

f、所述动力活塞气缸基座（20）与内气缸（16）、外气缸（17）及配气活塞（1）尾端之间构成压缩腔（22），

g、所述动力活塞气缸基座（20）内具有两个动力气缸缸孔（25、26），两个动力气缸缸孔（25、26）前端均与压缩腔（22）相通，

h、所述两个动力气缸缸孔（25、26）内相应滑动配合有动力活塞（3、12），动力活塞（3、12）尾端均具有各自的连杆 （6、10），

i、所述两个直线发电机（5、11）的动子与相应的动力活塞（3、12）的连杆（6、10）装连，直线发电机（5、11）的定子与动力活塞气缸基座（20）固定，动力活塞（3、12）的连杆（6、10）均与联结轴（8）相连接，联结轴（8）的轴身与第二板簧（7）中部固定，第二板簧（7）端部固定在动力活塞气缸基座（20）上。

2.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于：所述两个动力活塞（3、12）的连杆（6、10）尾部连接有横杆（9），联结轴（8）一端连接到横杆（9）上，另一端通过第一气体轴承（27）滑动支撑在动力活塞气缸基座（20）上，两个动力活塞（3、12）的连杆（6、10）的杆身分别通过相应的第二气体轴承（28）滑动支撑在动力活塞气缸基座（20）上。

3.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于：所述配气活塞（1）的配气活塞杆（24）的前后端分别与活塞气缸基座（20）上相应的轴承（29）滑动配合。

4.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于：所述内气缸（16）具有连接耳（18），连接耳（18）与动力活塞气缸基座（20）固定，外气缸（17）具有法兰（19），法兰（19）与动力活塞气缸基座（20）的法兰（21）以螺栓连接。