CN204060967U - 太阳能斯特林发动机加热头换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型所述的太阳能斯特林发动机加热头换热器，涉及一种应用于太阳能光热型斯特林发动机的换能部件。其特征在于本实用新型是由四组加热头组件圆周阵列组成；加热头组件包括活塞腔体、回热腔体、加热管、温度传感器；活塞腔体与回热腔体装于安装与发动机上，活塞腔体与回热腔体在发动机缸体安装位置上相对相位角为90°；在每对活塞腔体与回热腔体之间装有N个加热管，形成由N个加热管排列组合而成的太阳光接受曲面；在活塞腔体内及加热管上分别装有多个温度传感器。本实用新型具有结构新颖、简单、加工简便、降低制造难度、提高了成品率、降低了制造成本等特点，故属于一种集经济性与实用性为一体的新型太阳能斯特林发动机加热头换热器。

Description

太阳能斯特林发动机加热头换热器

技术领域

本实用新型所述的太阳能斯特林发动机加热头换热器，涉及一种应用于太阳能光热型斯特林发动机的换能部件。

背景技术

斯特林发动机是一种外部能源供热的闭式循环外燃机，具有使用能源范围广、转换效率高、运行平稳、低污染或无污染运行的特点，是绿色新能源开发的核心技术装备。在太阳能光热开发利用上，斯特林发动机利用大型蝶式聚光跟踪装置产生的高温光热源工作，通过发动机换热器部件、回热及冷却换能部件、活塞机构转换成机械能驱动发电机工作。斯特林太阳能热电***无燃烧废气排放，无有害气体、润滑油污染排放，且不消耗和依赖大量水资源。发动机制造过程类似于小型内燃机，不产生严重环境污染。

现有的斯特林发动按照供能方式分为燃气型和光热型：1、燃气型斯特林发动机由燃气经燃烧器燃烧产生的热能功能，其换热器为U型直管列设计排布，主要通过燃烧产生的高温烟气对流换热；2、太阳能光热型斯特林机的换热器多为盘形结构或蝶形结构管列，加热管外壁接收高能聚光光源辐照换热。

太阳能光热型斯特林机的技术特征是均采用耐高温的管作为换热装置的主换热器，并通过换热管端两头汇流通道连接到发动机活塞和回热器，形成封闭的工质循环腔道。而已有的技术主要强调了弯管过程中的局部工艺优化，从而对整套***的成本和生产效率带来了有力条件。

不过现有的太阳能光热型斯特林发动机存在下列问题：

1、换热器配套的回热腔数量过多，铸造成本过高，合格率低下；

2、换热器管件空间延长尺寸过大，无疑容积大、弯管结构复杂，单件成本高；

3、配套的回热器和冷却器等发动机其他零部件数量过多，缸体结构复杂，整体成本过高。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的太阳能斯特林发动机加热头换热器，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

鉴于上述现有技术中所存在的问题，本实用新型的目的是研究设计一种新型的太阳能斯特林发动机加热头换热器。用以解决现有技术中存在的：1、换热器配套的回热腔数量过多，铸造成本过高，合格率低下；2、换热器管件空间延长尺寸过大，无疑容积大、弯管结构复杂，单件成本高；3、配套的回热器和冷却器等发动机其他零部件数量过多，缸体结构复杂，整体成本过高等问题。

本实用新型的所指太阳能斯特林发动机换热器系该种类发动机中的高温换能部件。外部热源(聚光光热)通过换热器加热发动机内部工质气体，经热气循环过程推动活塞机对外做功，换热器的换热效率、可靠性及耐久性是影响斯特林发动机的重要因素。

本实用新型的技术解决方案是这样实现的：

本实用新型所述的太阳能斯特林发动机加热头换热器；其特征在于所述的太阳能斯特林发动机加热头换热器是由四组加热头组件圆周阵列组成；加热头组件包括活塞腔体、回热腔体、加热管、温度传感器；活塞腔体与回热腔体装于安装与发动机上，活塞腔体与回热腔体在发动机缸体安装位置上相对相位角为90°；在每对活塞腔体与回热腔体之间装有N个加热管，形成由N个加热管排列组合而成的太阳光接受曲面；在活塞腔体内及加热管上分别装有多个温度传感器。

本实用新型所述的活塞腔体的下部加工有安装法兰，安装法兰口与发动机安装断面平行；活塞腔体的轴线与发动机主轴平行，活塞腔体的顶部加工有***加热管的台阶孔，每格台阶孔均有焊接配合空和气道通气孔组成，气道通气孔与焊接配合孔要求同轴，台阶孔台阶面与轴线要求垂直；焊接配合孔与加热管之间选择真空钎焊工艺进行连接，加热管和孔的单边间隙为0-0.1mm。

本实用新型所述的回热腔体的下部加工有安装法兰，安装法兰口与发动机安装断面平行；回热腔体的轴线与发动机主轴平行。

本实用新型所述的活塞腔体、回热腔体加热管及温度传感器采用高温合金或耐热钢材料制成，连接处采用高温真空钎焊工艺焊接，使换热器部件具备耐高温高压特性。

本实用新型所述的加热管迎光面采用球面螺旋线形或梯形螺旋线形设计，每组换热器由12-18根热管组成一个换热面，一台发动机由相同的四组换热器构成一个完整的发动机换能部件，换能部件组成一个内球面状或内凹型的受热面，高能聚光光源较为均匀照射在接受面上位置，使加热管迎光面各处得到均匀的能量供给；球形面换热器面积与光热源能量密度匹配设计，使加热管表面能流密度处于合适的范围内。

本实用新型所述的每根加热管均由a、b、c、d、e段组成；每个加热管的a段和e段是垂直于活塞腔体和回热腔体上平面，平行于对应台阶孔轴线；每根加热管的b段、c段和d段根据不同发动机功率设计出不同尺寸规格和弧段，但是各弧段之间采取相切连接，连贯、无急回弯衔接；不同发动机设计b段、c段和d段尺寸不同同时，弧段数量可以调整增加或减少，并保证迎光面所有管段尺寸是一样的。

本实用新型所述的四个加热头组件的加热管上各设置1-2个温度传感器；温度传感器钎焊于加热管光照背侧，能够充分测得外管壁实际温度；在活塞腔体的汇流腔内侧也装有一个温度传感器，温度传感器采用真空钎焊进行焊接，保证温度传感器的焊缝处不能够漏内部工作气体；通过活塞腔体的汇流腔内***温度传感器，检测工质温度，同时通过对比加热管光照背侧的温度传感器的信息，控制整体发动机工质压力和输出功率。

本实用新型所述的台阶孔的数量与加热管的数量相同为12-18个。

本实用新型的优点是显而易见的，主要表现在：

1、本实用新型减少了回热腔数量，提高了产品合格率、降低了成本。由于加热头组件主要零部件均采用高温合金和耐热钢材料。因此从总体成本比例上看材料成本占据总成本的75％以上。而弯管和焊接成本只占据25％。由于活塞腔和回热腔均采用真空熔炼铸造工艺，相对成品合格率低下，如果减少组件中数量能够双倍提高材料的合格率和成本占有率。同时减少加工工时，从而降低了成本。

2、现有技术主要考虑的是传统弯管工艺及设备条件下管子成形工艺及可行性问题，很难实现较为难度的空间管子的形成。随着现代工业的发展弯管设备的自动化程度越来越高，弯管质量及精准程度也得到了改善。原先采用手工或半自动弯管方案，均采用大量的工装模具投入。而现在无需要众多模具，只是通过数控弯管机上程序的修正能够实现我们所需要的管子形状和精度。因此本专利主要结合先进生产技术，优化并创造性设计了空间的弯管及相关零件之间的连接方式及顺序，从而达到了用管量减少、增加了管子排布致密性，提高了加热管受热均匀性，同时降低了成本和制作周期。同时更重要一点是最大限度的减少了无疑容积管段，对发动机输出功率提高提供有力条件。

3、由于回热腔数量的减少，配套的回热器及冷却器等其他零件数量也同样减少了数量，提高了生产效率，减少了安装工艺过程，缩短了装配时间。同时对缸体结构进行了改善，减少了加工孔数量和缸体铸造难度，原先有12个安装法兰位置更改为8个安装法兰位置。

本实用新型具有结构新颖、简单、加工简便、降低制造难度、提高了成品率、降低了制造成本等优点，其大批量投入市场必将产生积极的社会效益和显著的经济效益。

附图说明

本实用新型共有6幅附图,其中：

附图1本实用新型结构示意图；

附图2加热头组件的主视图；

附图3加热头组件的俯视图；

附图4加热头组件的立体图；

附图5加热管b、c、d段设计图；

附图6为本实用新型的设计布局图。

在图中：1、活塞腔体 2、回热腔体 3、加热管 4、温度传感器。

具体实施方式

本实用新型的具体实施例如附图所示，太阳能斯特林发动机加热头换热器；其特征在于所述的太阳能斯特林发动机加热头换热器是由四组加热头组件圆周阵列组成；加热头组件包括活塞腔体1、回热腔体2、加热管3、温度传感器4；活塞腔体与回热腔体2装于安装与发动机上，活塞腔体与回热腔体2在发动机缸体安装位置上相对相位角为90°；在每对活塞腔体与回热腔体2之间装有N个加热管3，形成由N个加热管3排列组合而成的太阳光接受曲面；在活塞腔体内及加热管3上分别装有多个温度传感器4。

活塞腔体的下部加工有安装法兰，安装法兰口与发动机安装断面平行；活塞腔体的轴线与发动机主轴平行，活塞腔体的顶部加工有***加热管3的台阶孔，每格台阶孔均有焊接配合空和气道通气孔组成，气道通气孔与焊接配合孔要求同轴，台阶孔台阶面与轴线要求垂直；台阶孔的数量与加热管3的数量相同为12-18个；焊接配合孔与加热管3之间选择真空钎焊工艺进行连接，加热管3和孔的单边间隙为0-0.1mm。

回热腔体2的下部加工有安装法兰，安装法兰口与发动机安装断面平行；回热腔体2的轴线与发动机主轴平行。

活塞腔体、回热腔体2加热管3及温度传感器4采用高温合金或耐热钢材料制成，连接处采用高温真空钎焊工艺焊接，使换热器部件具备耐高温高压特性。

加热管3迎光面采用球面螺旋线形或梯形螺旋线形设计，每组换热器由12-18根热管组成一个换热面，一台发动机由相同的四组换热器构成一个完整的发动机换能部件，换能部件组成一个内球面状或内凹型的受热面，高能聚光光源较为均匀照射在接受面上位置，使加热管3迎光面各处得到均匀的能量供给；球形面换热器面积与光热源能量密度匹配设计，使加热管3表面能流密度处于合适的范围内。

四个加热头组件的加热管3上各设置1个温度传感器；温度传感器4钎焊于加热管3光照背侧，能够充分测得外管壁实际温度；在活塞腔体的汇流腔内侧也装有一个温度传感器4，温度传感器4采用真空钎焊进行焊接，保证温度传感器4的焊缝处不能够漏内部工作气体；通过活塞腔体的汇流腔内***温度传感器，检测工质温度，同时通过对比加热管3光照背侧的温度传感器4的信息，控制整体发动机工质压力和输出功率。

每根加热管3均由a、b、c、d、e段组成；每个加热管3的a段和e段是垂直于活塞腔体1和回热腔体2上平面，平行于对应台阶孔轴线；每根加热管3的b段、c段和d段根据不同发动机功率设计出不同尺寸规格和弧段，但是各弧段之间采取相切连接，连贯、无急回弯衔接；不同发动机设计b段、c段和d段尺寸不同同时，弧段数量可以调整增加或减少，并保证迎光面所有管段尺寸是一样的。

每根管子的a段、b段、c段均一样的尺寸构成，但由于***到回热器的台阶孔相对位置不同，同时考虑简化生产工序和零部件种类考虑，加热管3的d段和e段采取了不同的弯曲半径和角度。加热管的设计主要满足光照面积达到发动机设计需求同时最大限度的减少无疑容积和通道容积，这是对整个斯特林发动机至关重要的。如附图所示，通过对加热管b段及c段弧度及尺寸调整寻找合适的螺旋排布尺寸，达到前后管子之间净间距减小到0.2～1mm之内，增加光线照射到加热管上的比例，减少漏光、减少热量损失。由于空间走管需求，回热腔上面的N个台阶孔以发动机主轴作为原点，在不同的同心圆上间隔同等角度均匀阵列布置，具体间隔角度取决于排列管数量。具体数值为360°/排列管数量。这样做出来管子整体间距均匀、接受阳光管端长短一致，同时保证能量吸收一致，不会出现局部管端过热现象。

本实用新型的所有零件通过真空钎焊工艺一体焊接组成斯特林发动机工质循环***“能量接收器”。四缸双作用斯特林发动机安装四组换热器组件成为发动机的热量输入换热器。每组换热器通过活塞腔1零件和回热腔2零件与发动机体密封连接。加热管3工作温度达到管壁温度760℃，工质气体最高压力20MPa，气体在管内往复循环吸取外部热量，以热力循环做功实现能量转换。

太阳能型斯特林发动机换热器设计兼顾发动机热力循环***参数匹配和换热能力量方面要求，在结构和工艺上满足发动机总体性能要求和制造工艺要求。加热管3、温度传感器套4、活塞腔体1、回热腔体2材料均采用高温合金或耐热钢材料制造，相互的连接采用高温真空钎焊工艺焊接，使换热器部件具备耐高温高压特性。

加热管3迎光面采用球面螺旋线形或梯形螺旋线形设计，每组换热器由12～18根加热管3组成一个换热面，一台发动机由相同的四组加热头组件构成一个完整的发动机换能部件，加热头组件组成一个内球面状或内凹型的受热面，高能聚光光源较为均匀照射在接受面上位置，使加热管迎光面各处得到均匀的能量供给。球形面换热器面积与光热源能量密度匹配设计，使加热管表面能流密度处于合适的范围内。

以上所述，仅为本实用新型的较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所有熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型公开的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其本实用新型的构思加以等同替换或改变均应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种太阳能斯特林发动机加热头换热器；其特征在于所述的太阳能斯特林发动机加热头换热器是由四组加热头组件圆周阵列组成；加热头组件包括活塞腔体(1)、回热腔体(2)、加热管(3)、温度传感器(4)；活塞腔体(1)与回热腔体(2)装于安装与发动机上，活塞腔体(1)与回热腔体(2)在发动机缸体安装位置上相对相位角为90°；在每对活塞腔体(1)与回热腔体(2)之间装有N个加热管(3)，形成由N个加热管(3)排列组合而成的太阳光接受曲面；在活塞腔体(1)内及加热管(3)上分别装有多个温度传感器(4)。

2.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发动机加热头换热器，其特征在于所述的活塞腔体(1)的下部加工有安装法兰，安装法兰口与发动机安装断面平行；活塞腔体(1)的轴线与发动机主轴平行，活塞腔体(1)的顶部加工有***加热管(3)的台阶孔，每格台阶孔均有焊接配合空和气道通气孔组成，气道通气孔与焊接配合孔要求同轴，台阶孔台阶面与轴线要求垂直；焊接配合孔与加热管(3)之间选择真空钎焊工艺进行连接，加热管(3)和孔的单边间隙为0-0.1mm。

3.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发动机加热头换热器，其特征在于所述的回热腔体(2)的下部加工有安装法兰，安装法兰口与发动机安装断面平行；回热腔体(2)的轴线与发动机主轴平行。

4.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发动机加热头换热器，其特征在于所述的活塞腔体(1)、回热腔体(2)加热管(3)及温度传感器(4)采用高温合金或耐热钢材料制成，连接处采用高温真空钎焊工艺焊接，使换热器部件具备耐高温高压特性。

5.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发动机加热头换热器，其特征在于所述的加热管(3)迎光面采用球面螺旋线形或梯形螺旋线形设计，每组换热器由12-18根热管组成一个换热面，一台发动机由相同的四组换热器构成一个完整的发动机换能部件，换能部件组成一个内球面状或内凹型的受热面，高能聚光光源较为均匀照射在接受面上位置，使加热管(3)迎光面各处得到均匀的能量供给；球形面换热器面积与光热源能量密度匹配设计，使加热管(3)表面能流密度处于合适的范围内。

6.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发动机加热头换热器，其特征在于所述的每根加热管(3)均由a、b、c、d、e段组成；每个加热管(3)的a段和e段是垂直于活塞腔体(1)和回热腔体(2)上平面，平行于对应台阶孔轴线；每根加热管(3)的b段、c段和d段根据不同发动机功率设计出不同尺寸规格和弧段，但是各弧段之间采取相切连接，连贯、无急回弯衔接；不同发动机设计b段、c段和d段尺寸不同同时，弧段数量可以调整增加或减少，并保证迎光面所有管段尺寸是一样的。

7.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发动机加热头换热器，其特征在于所述的四个加热头组件的加热管(3)上各设置1-2个温度传感器；温度传感器(4)钎焊于加热管(3)光照背侧，能够充分测得外管壁实际温度；在活塞腔体(1)的汇流腔内侧也装有一个温度传感器(4)，温度传感器(4)采用真空钎焊进行焊接，保证温度传感器(4)的焊缝处不能够漏内部工作气体；通过活塞腔体(1)的汇流腔内***温度传感器，检测工质温度，同时通过对比加热管(3)光照背侧的温度传感器(4)的信息，控制整体发动机工质压力和输出功率。

8.根据权利要求2所述的太阳能斯特林发动机加热头换热器，其特征在于所述的台阶孔的数量与加热管(3)的数量相同为12-18个。