CN113565647B - 一种ｙ型斯特林发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Y型斯特林发动机，属于斯特林发动机领域。该发动机包括三个气缸、两个活塞和隔热环；其中气缸包括动力缸、冷配气缸和热配气缸；活塞包括动力活塞和配气活塞；冷配气缸和热配气缸之间通过隔热环连接为一体，配气活塞在其间运动，组成一个高效配气结构，阻止冷配气缸和热配气缸之间通过金属缸体发生热交换；冷配气缸外装有散热器，并在两者中间垫上温差发电芯片。本发明能降低冷/热配气缸金属缸体之间的热量交换，同时提高冷配气缸的散热功能和热配气缸的加热功能，从而提高斯特林发动机的整体性能。

Description

一种Y型斯特林发动机
技术领域
本发明属于斯特林发动机领域，涉及一种Y型斯特林发动机。
背景技术
目前常用的斯特林发动机有α型、β型和γ型，α型斯特林发动机是双缸双活塞的，两个活塞的上下面都有压差，β型斯特林发动机和γ型斯特林发动机型是配气结构，其中一个活塞对外做功称为动力活塞；另一个活塞两面的气体压力几乎相等，不做功，称为配气活塞；β型斯特林发动机的动力活塞和配气活塞在同一个气缸中；γ型斯特林发动机的动力活塞和配气活塞分别在两个不同的气缸中。
但是现有的斯特林发动机存在做功效率低、散热效果不佳或结构复杂、制作成本高等缺陷，为了改善斯特林发动机的性能，国内外学者做了许多改进工作，例如：
(1)工作介质用比重小的氦气代替空气，对相同温升所需热量少，升温快。但氦气的密封和补充很难，相应设备的复杂性和成本往往超过斯特林发动机自身。只是在特殊需要时采用，如AIP潜艇和卫星上用。
(2)采用水冷散热器代替一般的空气散热器。但水循环与冷却***庞大复杂，也只是在特殊需要下采用。
(3)用玻璃气缸与活塞，以减小活塞与缸体的润滑与密封等问题。但只能在小功率玩具斯特林发动机上采用。
在现行斯特林发动机中，配气缸的一端用加热器加热，另一端用散热器散热，导致加热器通过配气缸金属缸体直接把热传输到散热器，这一热流不作用于工作介质，是热能浪费。另外，在金属体两端一端加热，一端散热，极大降低了散热器和加热器的功能。
因此，亟需一种新型的斯特林发动机来解决现行斯特林发动机的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种Y型斯特林发动机，降低冷/热配气缸金属缸体之间的热量交换，同时提高冷配气缸的散热功能和热配气缸的加热功能，从而提高斯特林发动机的整体性能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种Y型斯特林发动机，包括气缸、活塞和隔热环4；气缸包括动力缸1、冷配气缸2和热配气缸3；活塞包括动力活塞5和配气活塞6。
所述动力缸1或冷配气缸2外安装有散热器7。冷配气缸2和热配气缸3之间通过隔热环4连接为一体，配气活塞6在其间运动，组成一个高效配气结构，隔热环4阻止冷配气缸2和热配气缸3之间通过金属缸体发生热交换。这样可使工作介质在两个配气缸中快速升温和冷却。隔热环用耐高温的绝热材料做成，在两缸之间形成过渡区。隔热环厚度对性能影响不明显。
优选的，所述冷配气缸2与散热器7之间安装有温差发电芯片12。
优选的，所述热配气缸3外安装有加热器8。
优选的，所述加热器8外安装有保温层。
优选的，所述加热器8采用火加热，电加热，太阳能加热，或微波加热方式。
优选的，所述活塞采用斯特林发动机专用活塞环。
优选的，所述气缸内部的工作介质采用氢气或氦气。
优选的，所述冷配气缸2的结构为内圆外方的柱体。
优选的，所述动力活塞5和配气活塞6通过曲柄连杆11与飞轮10连接，曲柄连杆排布使配气活塞领先动力活塞90°。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过金属材质的冷/热配气缸之间加设隔热环，从而降低冷/热配气缸金属缸体之间的热量交换。
(2)本发明通过在冷配气缸外设置散热器，在热配气缸外设置加热器和保温层，最大限度提高冷配气缸的散热功能和热配气缸的加热功能，从而提高了斯特林发动机的整体性能。
(3)本发明在散热器和冷配气缸之间安装了温差发电芯片，回收冷配气缸的余热来发电，提高了发动机自身散发热量的利用率。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明Y型斯特林发动机的结构示意图；
图2为温差发电芯片的安装示意图；
图3为Y型斯特林发动机的工作原理图；
附图标记：1-动力缸，2-冷配气缸，3-热配气缸，4-隔热环，5-动力活塞，6-配气活塞，7-散热器，8-加热器，9-螺杆，10-飞轮，11-曲柄连杆，12-温差发电芯片，13-螺钉。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图3，本发明提供的一种Y型斯特林发动机，如图1所示，有三个气缸、一个隔热环和两个活塞，它们是动力缸1、冷配气缸2、热配气缸3、隔热环4、动力活塞5、配气活塞6。冷配气缸2和热配气缸3之间用隔热环4连接为一体，配气活塞6在其间运动，组成一个高效配气结构，隔热环4阻止冷配气缸2和热配气缸3之间通过金属缸体发生热交换。这样可使工作介质在两个配气缸中快速升温和冷却。隔热环用耐高温的绝热材料做成，在两缸之间形成过渡区。隔热环厚度对性能影响不明显(但有无隔热环很明显，实验中取1/10缸径左右，提高了输出功率4倍多)。
动力活塞5和配气活塞6通过曲柄连杆11与飞轮10连接，曲柄连杆排布使配气活塞领先动力活塞90°。
本发明Y型斯特林发动机的斯特林循环过程如下：动力活塞5左移，工作介质(工质)膨胀，动力活塞5右移使工质压缩；配气活塞6左移，使工质加热，右移使工质冷却。曲轴排布使配气活塞领先动力活塞90°，得到如下循环：
①配气活塞6右移，工质放热冷却→②动力活塞5右移，工质压缩→
③配气活塞6左移，工质吸热升温→④动力活塞5左移，工质膨胀→①
就是冷却→压缩→吸热→膨胀→冷却组成的一个循环，即“斯特林循环”。理想循环PV图如图3所示。V是工质体积。P是工质压力，在V恒定时P和温度成正比。
热工质膨胀释放出来的功(④与ab之间的面积)大于冷工质压缩消耗的功(②与ab之间的面积)。可见工质在冷时压缩，压缩功就小，在热时膨胀，膨胀功就大。一个循环作的功等于膨胀功减去压缩功。图3中，斯特林循环包围的面积就是循环功。发动机转起来的转速乘以循环功便是发动机输出功。
作为一种可选的实施例，在冷配气缸2外安装散热器，以降低冷配器缸温度(使图1中②下移)。但这部分热散到空气中可惜了，为此把冷配气缸2的外部做成多边形，在各个边垫上温差发电芯片12，再在温差发电芯片12外加散热器，如图2所示。通过在一小型斯特林发动机上实验，发现回收电能与主发动机输出相当。
本发明设计的Y型斯特林发动机结构简单工作很容易，只要把部件1→11按照图1连接起来就能工作，达到演示效果。为了进一步提高Y型斯特林发动机的工作效率，可对以下结构做进一步改进：
作为一种可选的实施例，斯特林发动机是精密机械，要减小摩擦和漏气，特别是动力缸与动力活塞之间的摩擦和漏气，最好是配制斯特林发动机专用活塞环。
作为一种可选的实施例，工作介质采用氢气或氦气。一般采用空气也能转起来，但效率较差。
作为一种可选的实施例，为了使冷配气缸的散热器作用效果更好，最好使用水冷散热器。
作为一种可选的实施例，加热器外面要加保温层，防止热量散失。加热器种类很多，可选择火加热方式，有线电阻丝加热方式，或者无线微波加热方式。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种高效率Y型斯特林发动机，包括气缸和活塞，其特征在于，该发动机还包括隔热环(4)；所述气缸包括动力缸(1)、冷配气缸(2)和热配气缸(3)；所述活塞包括动力活塞(5)和配气活塞(6)；
所述动力缸(1)外安装有散热器(7)；
所述冷配气缸(2)的结构为内圆外方的柱体，外部做成多边形，在各个边垫上温差发电芯片(12)，再在温差发电芯片(12)外加散热器(7)；
所述热配气缸(3)外安装有加热器(8)；
所述冷配气缸(2)和热配气缸(3)之间经隔热环(4)连接为一体，配气活塞(6)在其间运动，组成一个高效配气结构；所述隔热环(4)阻止冷配气缸(2)和热配气缸(3)之间通过金属缸体发生热交换；所述动力活塞(5)和配气活塞(6)通过曲柄连杆(11)与飞轮(10)连接，曲柄连杆排布使配气活塞领先动力活塞90°。
2.根据权利要求1所述的Y型斯特林发动机，其特征在于，所述加热器(8)外安装有保温层。
3.根据权利要求1或2所述的Y型斯特林发动机，其特征在于，所述加热器(8)采用火加热、电加热、太阳能加热或者微波加热方式。
4.根据权利要求1所述的Y型斯特林发动机，其特征在于，所述活塞采用斯特林发动机专用活塞环。
5.根据权利要求1所述的Y型斯特林发动机，其特征在于，所述气缸内部的工作介质采用氢气或氦气。
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