CN103953456A

CN103953456A - 空间辐射冷却的自由活塞斯特林发动机

Info

Publication number: CN103953456A
Application number: CN201410149718.7A
Authority: CN
Inventors: 黄护林; 霍英杰; 亓宗磊
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2014-07-30

Abstract

一种空间辐射冷却的自由活塞斯特林发动机，属热气机利用领域。它的配气活塞气缸加热腔（2）和回热腔（4）中分别安装加热器（3）和回热器（15）。加热器（3），其为整体发泡的多孔材料作为强化气体与外气缸（1）换热的扰流装置，回热器（15）为整体发泡的多孔材料构成；所述冷却腔（17）处安装有环形热管（5），其中环形热管（5）安装在冷却腔内的部分为蒸发段，中间为热绝缘段，伸出外气缸（1）的部分为散热段或叫冷凝段；环形热管（5）散热段安装有辐射屏（6）进行辐射冷却；所述的辐射屏（6）为肋板结构。本发明用整体发泡的多孔材料在加热腔内进行强化换热，因而加热能力增强；利用热管进行辐射冷却，减少空间水冷的困难等。

Description

空间辐射冷却的自由活塞斯特林发动机

所属技术领域

本发明涉及一种空间辐射冷却的且带有整体发泡多孔材料作为加热器的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。其工作原理如下（钱国柱等编，热气机原理与设计，国防工业出版社， 1987年）：

自由活塞式斯特林发动机基本上由三部分组成：较重的动力活塞、轻的配气活塞以及两端密封的气缸。普通的自由活塞式斯特林发动机是配气活塞杆穿过动力活塞构成。由于配气活塞和配气活塞杆是空心的，杆的下端敞开，所以配气活塞内部与动力活塞下方的气缸容积一起形成缓冲腔，成为一气体弹簧，使配气活塞回位。配气活塞头部是膨胀腔，配气活塞和动力活塞之间为压缩腔，膨胀腔和压缩腔又统称为工作腔。配气活塞气缸的内缸和外缸之间狭长的缝隙从右到左分别为加热腔、回热器和冷却器组成。加热器和冷却器分别与膨胀腔和压缩腔联通。

传统的自由活塞式斯特林发动机采用丝网回热器，其使用过程中容易脱焊、碎屑脱落、传热系数不高等。此外,传统的加热腔内没有气体扰流装置,加热能力不强。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。冷却器采用的是水冷管壳式冷却***，在不适合水冷的设备内，如航天器内，采用热管辐射冷却方式具有重要的优势。

发明内容：

本发明目的主要在于提出一种能够克服传统自由活塞式斯特林发动机水冷管壳式冷却***带来的问题而采用热管导热，辐射屏向空间辐射散热的方式。

一种空间辐射冷却的自由活塞斯特林发动机，依次包括配气活塞气缸及配气活塞、动力活塞气缸及动力活塞、直线发电机组件；所述配气活塞气缸包括外气缸和内气缸，外气缸和内气缸之间的夹层由顶部向底部依次由加热腔、回热腔和冷却腔组成；其特征在于：加热腔和回热腔中分别安装加热器和回热器；所述加热器为整体发泡的多孔材料作为强化气体与外气缸换热的扰流装置，所述回热器为整体发泡的多孔材料构成；所述冷却腔处安装有环形热管，其中环形热管安装在冷却腔内的部分为蒸发段，中间为热绝缘段，伸出外气缸的部分为散热段或叫冷凝段；环形热管散热段安装有辐射屏进行辐射冷却；所述的辐射屏为肋板结构。

本发明采用整体发泡的多孔材料作为强化换热地气体扰流装置的加热器和整体发泡的多孔材料（如不锈钢、镍及其他耐高温金属材料）作为回热器，强化了工作介质与加热腔壁的换热，提高了加热效率。环形热管将工质气体的热量带出，环形热管联接在辐射屏上作为辐射屏的肋板，利用辐射进行冷却。克服了水冷复杂和难于应用的场合。因此，该新型自由活塞式斯特林发动机不仅具有不需水冷的优点，而且具有加热效率高，因而具有高的***热性能等优点。

附图说明

图1是空间辐射冷却的自由活塞式斯特林发动机的结构图；

图中标号名称：1.外气缸， 2.加热腔， 3.多孔材料加热器，4.回热腔, 5.热管, 6.辐射屏，7.联接法兰, 8.配气活塞杆, 9.压缩腔, 10.轴承, 11.直线发电机, 12.动力活塞杆, 13.动力活塞板簧，14.配气活塞, 15.回热器, 16.内气缸, 17.冷却腔, 18.动力活塞气缸, 19.动力活塞, 20.直线发电机定子绕组，21.直线发电机动子磁铁，22.直线发电机外壳, 23.配气活塞板簧。

具体实施方式

下面结合图1进一步说明本发明的新型自由活塞式斯特林发动机的结构。配气活塞气缸包括外气缸1和内气缸16，外气缸1和内气缸16之间的夹层由顶部向底部依次由加热腔2、回热腔4和冷却腔17组成；所述配气活塞14密封安装于内气缸16内，内气缸16顶部为开口结构；配气活塞14顶部与外气缸1之间的空间为加热腔2。配气活塞14的活塞杆8穿过动力活塞杆12，并于板簧23联接。板簧23安装于发电机外壳22上。

发电机组件包括发电机外壳22、动力活塞杆12、直线发电机动子磁铁21、直线发电机定子线圈绕组20；其中动力活塞杆12通过轴承10支撑于发电机外壳22上，动力活塞杆12上端与动力活塞19相连，动力活塞杆12下端连有板簧13；直线发电机动子磁铁21安装于动力活塞杆12上。

当气体在加热腔2内被加热时，受热在加热腔2内膨胀，驱动配气活塞14向右往压缩腔9方向运动，压缩配气活塞14与动力活塞19之间的气体工质；当配气活塞14运动到右边底部后由于其右边端部时，配气活塞板簧23因弹性变形产生向左的弹性力，当配气活塞板簧23产生的弹性力大于加热腔2中的压力时，使配气活塞14向左往加热腔2方向运动，运动到外气缸1的左边端部。当配气活塞14向左运动时，部分气体通过外气缸1和内气缸16夹层内的加热器3、回热器15和冷却腔17,由辐射屏6辐射冷却后进入配气活塞14与动力活塞19之间，又回到压缩腔9。

在压缩腔9内的气体工质被压缩时,气体工质驱动动力活塞19向右运动；当动力活塞19运动到最右端后，动力活塞板簧13因弹性变形产生向左的弹性力，当动力活塞板簧13产生的弹性力大于压缩腔9内的压力时，使动力活塞19向左往压缩腔9的方向运动，运动到动力活塞气缸18的左边端部。当动力活塞19向左运动时，部分气体又通过外气缸1和内气缸16夹层内的冷却腔17、回热器15和加热器3经再次加热后达到加热腔2内进行膨胀, 驱动配气活塞14向右往压缩腔9方向运动，压缩压缩腔2内气体。动力活塞19运动到其行程的最左端时，受压缩腔9内气体作用，又再次向右运动，其与配气活塞14运动的相位角差大约在60度左右。

配气活塞14和动力活塞19在气缸内左右运动，使工作气体在配气活塞外气缸和内气缸两气缸夹层内及加热2、压缩腔9内来回加热和膨胀、冷却和压缩。动力活塞19的往复运动，动力活塞杆12上的永久磁铁21在定子11中往复运动，产生电能。动力活塞杆12由轴承10支撑。直线发电机11和动力活塞杆12固定在发电机外壳22上。

Claims

1.一种空间辐射冷却的自由活塞斯特林发动机，依次包括配气活塞气缸及配气活塞（14）、动力活塞气缸（18）及动力活塞（19）、直线发电机组件；所述配气活塞气缸包括外气缸（1）和内气缸（16），外气缸（1）和内气缸（16）之间的夹层由顶部向底部依次由加热腔（2）、回热腔（4）和冷却腔（17）组成；其特征在于：加热腔（2）和回热腔（4）中分别安装加热器（3）和回热器（15）；所述加热器（3）为整体发泡的多孔材料作为强化气体与外气缸（1）换热的扰流装置，所述回热器（15）为整体发泡的多孔材料构成；所述冷却腔（17）处安装有环形热管（5），其中环形热管（5）安装在冷却腔内的部分为蒸发段，中间为热绝缘段，伸出外气缸（1）的部分为散热段或叫冷凝段；环形热管（5）散热段安装有辐射屏（6）进行辐射冷却；所述的辐射屏（6）为肋板结构。