專利名稱：一種分置式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
由于低碳環(huán)保逐漸成為國(guó)際社會(huì)的共識(shí)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為環(huán)保型引擎，除了利用太陽(yáng)能和地?zé)崮馨l(fā)電的前景可期之外，在其他能源領(lǐng)域利用方面也深具潛力，在新的能源時(shí)代，它勢(shì)必扮演更全面的角色。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的理想熱カ循環(huán)由等容加熱、等溫膨脹、等容冷卻、等溫壓縮各過程構(gòu)成，其實(shí)際循環(huán)受機(jī)械動(dòng)力、傳熱和エ質(zhì)流動(dòng)損失等方面因素影響，是偏離理論循環(huán)的。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)采用分置式結(jié)構(gòu)，可以有效地避免穿梭損失和導(dǎo)熱損失。傳統(tǒng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)平衡和動(dòng)力學(xué)平衡是通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)所提供的壓カ相角聯(lián)系在一起，而分置式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)不能由機(jī)械結(jié)構(gòu)保證運(yùn)動(dòng)相角，其動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)分析密不可分，必須建立以活塞位移量為中心來耦合熱力學(xué)平衡和動(dòng)力學(xué)平衡的動(dòng)力學(xué)分析模型。國(guó)內(nèi)外斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展?fàn)顩r第一階段提出以空氣為エ質(zhì)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，并發(fā)展小型發(fā)動(dòng)機(jī)。飛利浦公司對(duì)102C型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大量研究，到1954年共生產(chǎn)了 100臺(tái)發(fā)電機(jī)組。第二階段發(fā)展斯特林循環(huán)制冷機(jī)。1955年，按斯特林循環(huán)原理工作的制冷機(jī)在飛利浦公司投產(chǎn)；1963年，斯特林循環(huán)制冷機(jī)的制冷溫度達(dá)12K。斯特林循環(huán)制冷機(jī)還被用于高空紅外線照相技木。第三階段發(fā)展菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的單作用、配氣活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。1953年，羅爾夫梅耶發(fā)明了用于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。采用菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以保證活塞做直線運(yùn)動(dòng)，活塞不受氣缸側(cè)推力的作用，易對(duì)活塞和活塞桿進(jìn)行密封，因此可以大幅度地提高工質(zhì)的循環(huán)壓力。此外，采用氫氣或者氦氣作為エ質(zhì)，提高了熱交換效果，而且大大降低了エ質(zhì)的流動(dòng)損失，是發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高到了 50%。第四階段發(fā)展斜盤傳動(dòng)的雙作用發(fā)動(dòng)機(jī)。飛利浦公司于1968年設(shè)計(jì)了 4-65型雙作用式發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)是斜盤傳動(dòng)的四缸雙作用式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要目的是確定斜盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦損失、驗(yàn)證斜盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)軸承的可靠性以及發(fā)動(dòng)機(jī)的功率調(diào)節(jié)功能，試驗(yàn)結(jié)果表明其性能良好，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。聯(lián)合斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)公司與美國(guó)STM公司合作，研制了 V160型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組。發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)呈90° V型布置，是雙缸雙活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，用氦氣為エ質(zhì)，該機(jī)組被安裝在家用旅行車上，作為空調(diào)、照明和炊事的電カ源。雖然斜盤傳動(dòng)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)減少了部分活塞側(cè)向摩擦損失，但是斜盤處的摩擦損失驟升，而且其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本大。自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)沒有運(yùn)動(dòng)學(xué)部件連接循環(huán)部件，一般使用機(jī)械式彈簧或是氣彈簧來保持運(yùn)動(dòng)的周期性，其具有以下優(yōu)勢(shì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單故可降低成本，沒有任何機(jī)械側(cè)壓力作用在活塞上從而減少了活塞環(huán)的磨損保證了長(zhǎng)時(shí)間工作的能力。保持自由運(yùn)動(dòng)能讓它非常適合在高可靠性為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中得應(yīng)用，例如エ業(yè)廢熱發(fā)電，鄉(xiāng)村熱電聯(lián)產(chǎn)，空間站功率系統(tǒng),人工心臟及偏遠(yuǎn)地區(qū)電カ發(fā)電機(jī)等。自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)主要能量損失有不可逆過程損失，回?zé)崞鲝较驅(qū)釗p失，穿梭損失等，由于分置式的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)能有效減少穿梭損失，故本設(shè)計(jì)采取了分置式的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
分置式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)カ活塞直接連接直線發(fā)電機(jī)，通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)輸出電能。建立分置式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)耦合電磁力的動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行仿真研究，對(duì)于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)的選擇，提高其循環(huán)熱效率，具有十分重要的工程意義。一種分置式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)包括并列設(shè)置在底座上的熱氣缸3和冷氣缸9，熱氣缸3內(nèi)設(shè)有熱活塞11，冷氣缸9內(nèi)設(shè)有冷活塞14，冷氣缸9下部一側(cè)設(shè)有充氣閥接頭10 ;熱氣缸3和冷氣缸9的下部之間由緩沖腔19連通，熱氣缸3頂部設(shè)有熱腔上端蓋2，熱氣缸3頂面和熱腔上端蓋2底面之間設(shè)有余隙腔18，熱腔上端蓋2上設(shè)有兩根以上倒U形的加熱彎管1，兩根以上倒U形的加熱彎管I的兩端分別連通著余隙腔18 ;冷氣缸9的頂部設(shè)有冷腔上端蓋8·冷腔上端蓋8上連通著回?zé)崞?的底部，回?zé)崞?內(nèi)填充有不銹鋼絲，填充率為50%-80% ;回?zé)崞?的頂部連通著連接管5的一端，連接管5的另一端位于熱腔上端蓋2內(nèi)，且連通著熱腔上端蓋余隙腔18 ;其特征在于與熱活塞11底部對(duì)應(yīng)的熱氣缸3內(nèi)設(shè)有熱端彈簧12，熱端彈簧12的上端與熱活塞11底部接觸；與冷活塞14底部對(duì)應(yīng)的冷氣缸9內(nèi)設(shè)有線圈箍16，線圈箍16呈輪轂狀，且與冷氣缸9軸向同軸，線圈箍16外部套設(shè)有線圈和冷端彈簧13，冷端彈簧13的上端與冷活塞14底部接觸；所述冷活塞14底部設(shè)有螺紋孔，與螺紋孔配合連接著安裝柱15，安裝柱15下部的柱體上開設(shè)有ー個(gè)以上的磁鐵安裝槽21，所述磁鐵安裝槽21內(nèi)設(shè)有磁鐵塊；且安裝柱15下部插設(shè)于線圈箍16內(nèi)；所述熱活塞11和冷活塞14頭部分別開設(shè)有兩條以上的活塞環(huán)槽。所述安裝柱15為膠木柱；安裝柱15下部的柱體上開設(shè)有兩個(gè)磁鐵安裝槽21。所述熱活塞11和冷活塞14頭部分別開設(shè)有三條活塞環(huán)槽。本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面
1.本斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)使能量由太陽(yáng)能通過機(jī)械能再向電能轉(zhuǎn)換。為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)真正的零污染零排放提供了又一可能的途徑。當(dāng)外部熱源溫度為300°c，冷缸為常溫時(shí)，考慮本設(shè)計(jì)的死容積即加熱管內(nèi)容積，熱腔余隙容積及回?zé)崞鲀?nèi)部孔隙率之和，本斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)仍能實(shí)現(xiàn)40%的熱效率；
2.本發(fā)明總體布置合理，由于冷熱活塞都是軸向自由振動(dòng)，故沒有橫向載荷，減少阻尼。熱活塞初始位置在氣缸頂部使得余隙容易得到降低并能提高循環(huán)效率?；?zé)崞鞯臋M向布置能減少氣體受熱膨脹后流動(dòng)的不規(guī)則性從而降低流阻。磁電部分設(shè)計(jì)在冷活塞段則能保護(hù)不耐熱的線圏。


圖I為本發(fā)明外觀示意圖。圖2為圖I的俯視圖。圖3為圖2的A-A剖視圖。圖4為圖3的B-B剖視圖。圖5為熱腔和加熱管處局部剖視圖。上圖中序號(hào)加熱彎管I、熱腔上端蓋2、熱氣缸3、底座4、連接管5、回?zé)崞?、回?zé)崞髯儚浇宇^7、冷腔上端蓋8、冷氣缸9、充氣閥接頭10、熱活塞11、熱端彈簧12、冷端彈簧13冷活塞14、安裝柱15、線圈箍16、余隙腔18、緩沖腔19、不銹鋼絲網(wǎng)填充腔20、磁鐵安裝槽21。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步地描述。實(shí)施例
參見圖I、圖2和圖3，一種分置式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)包括并列安裝在底座4上的熱氣缸3和冷氣缸9，熱氣缸3內(nèi)裝有熱活塞11，冷氣缸9內(nèi)裝有冷活塞14，熱活塞11和冷活塞14頭部分別開設(shè)有三條活塞環(huán)槽。冷氣缸9下部一側(cè)安裝有充氣閥接頭10 ;熱氣缸3和冷氣缸9的下部之間由緩沖腔19連通，熱氣缸3頂部裝有熱腔上端蓋2，熱氣缸3頂面和熱腔上端蓋2底面之間設(shè)有余隙腔18，熱腔上端蓋2上裝有四根倒U形的加熱彎管1，四根倒U形的加熱彎管I的兩端分別連通著余隙腔18 ;冷氣缸9的頂部裝有冷腔上端蓋8，冷腔上端蓋8上連通著回?zé)崞?的底部，回?zé)崞?內(nèi)填充有不銹鋼絲，填充率為70%?；?zé)崞?的頂部連通著連接管5的一端，連接管5的另一端位于熱腔上端蓋2內(nèi)，且連通著余隙腔18。與熱活塞11底部對(duì)應(yīng)的熱氣缸3內(nèi)裝有熱端彈簧12，熱端彈簧12的上端與熱活塞11底部接觸；與冷活塞14底部對(duì)應(yīng)的冷氣缸9內(nèi)裝有線圈箍16，線圈箍16呈輪轂狀，且與冷氣缸9軸向同軸，線圈箍16外部套裝有線圈和冷端彈簧13，冷端彈簧13的上端與冷活塞14底部接觸。冷活塞14底部開設(shè)有螺紋孔，與螺紋孔配合連接著安裝柱15，安裝柱15為膠木柱；安裝柱15下部的柱體上開設(shè)有兩個(gè)磁鐵安裝槽21，每個(gè)磁鐵安裝槽21內(nèi)均裝有磁鐵塊；且安裝柱15下部插設(shè)于線圈箍16內(nèi)。本發(fā)明的運(yùn)行機(jī)理偏向于熱聲式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，即由循環(huán)不可逆性引起的傳熱滯 后所導(dǎo)致的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的相位差，通過這個(gè)相位差來構(gòu)建成等溫膨脹，等容降溫，等溫壓縮，等容升溫四個(gè)熱力學(xué)過程組成的斯特林循環(huán)。本發(fā)明的具體工作原理如下
空氣經(jīng)過空氣壓縮機(jī)壓縮至20個(gè)大氣壓后儲(chǔ)存于壓縮空氣瓶組中，經(jīng)減壓器減壓到IOBar以上的一個(gè)值，從充氣閥接頭10輸入至本發(fā)明的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中，并通過緩沖腔19中間位置的壓カ表數(shù)值來調(diào)整空壓機(jī)通電時(shí)間來調(diào)整腔內(nèi)エ質(zhì)壓力。由于活塞環(huán)槽部分的氣體流通，使發(fā)動(dòng)機(jī)上下兩部分壓カ都達(dá)到輸氣壓力。通過熱風(fēng)機(jī)將熱流吹在四根加熱彎管I上,如圖5所示。四根加熱彎管I的高度依次增加,這樣熱流可以流過每根加熱管,カロ熱面積大，故能提高加熱效率。熱腔上端蓋2內(nèi)エ質(zhì)氣體受熱膨脹擴(kuò)散推動(dòng)熱活塞11向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有一部分熱エ質(zhì)氣體通過余隙腔18經(jīng)連接管5進(jìn)入回?zé)崞?，與回?zé)崞?內(nèi)填充的不銹鋼絲網(wǎng)換熱，將熱量?jī)?chǔ)存在回?zé)崞髦?，進(jìn)入冷腔并與冷腔エ質(zhì)氣體進(jìn)行混合。由于熱端彈簧12和冷端彈簧13的作用，冷活塞14滯后于熱活塞11 一段時(shí)間從平衡位置開始向上運(yùn)動(dòng)，將冷端氣體壓入回?zé)崞?，并吸收存儲(chǔ)于其內(nèi)不銹鋼絲的熱量，然后輸入熱氣缸3。在熱端彈簧12和冷端彈簧13的作用下，當(dāng)熱端彈簧12回復(fù)カ大于熱腔的壓カ時(shí)，熱活塞11開始減速，并達(dá)到下止點(diǎn)之后反向，將熱端空氣通過回?zé)崞?儲(chǔ)存熱量后返回到冷氣缸9。冷活塞14在冷端彈簧13回復(fù)カ大于冷腔壓カ時(shí)開始減速，并達(dá)到下止點(diǎn)之后反向向上運(yùn)動(dòng)，將冷端空氣通過回?zé)崞?吸收其中儲(chǔ)存的熱量后返回到熱氣缸3。一般說來，回?zé)崞?的回?zé)徇^程是不可逆的，由于回?zé)徇^程的不可逆性所產(chǎn)生的傳熱滯后會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)上的相位差，所以冷活塞14的相位滯后于熱活塞11 一定角度。通過冷活塞14的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，安裝柱15上的磁鐵塊的磁力線與繞在線圈箍16外的線圈產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生電能，并通線圈末端對(duì)外輸出電能。
當(dāng)外部熱源為300°C，冷氣缸9為常溫時(shí)，考慮到本設(shè)計(jì)的死容積即加熱彎管I內(nèi)容積、余隙腔18容積和回?zé)崞鲀?nèi)部空隙體積之和，本發(fā)明斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)仍有40%的熱效率。
權(quán)利要求
1.一種分置式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，包括并列設(shè)置在底座上的熱氣缸(3)和冷氣缸(9),熱氣缸(3)內(nèi)設(shè)有熱活塞(11)，冷氣缸(9)內(nèi)設(shè)有冷活塞(14)，冷氣缸(9)下部ー側(cè)設(shè)有充氣閥接頭(10);熱氣缸(3)和冷氣缸(9)的下部之間由緩沖腔(19)連通，熱氣缸(3)頂部設(shè)有熱腔上端蓋(2)，熱氣缸(3)頂面和熱腔上端蓋(2)底面之間設(shè)有余隙腔(18)，熱腔上端蓋(2)上設(shè)有兩根以上倒U形的加熱彎管(I )，兩根以上倒U形的加熱彎管(I)的兩端分別連通著余隙腔(18);冷氣缸(9)的頂部設(shè)有冷腔上端蓋(8)，冷腔上端蓋(8)上連通著回?zé)崞?6)的底部，回?zé)崞?6)內(nèi)填充有不銹鋼絲，填充率為50%-80%;回?zé)崞?6)的頂部連通著連接管(5)的一端，連接管(5)的另一端位于熱腔上端蓋(2)內(nèi)，且連通著熱腔上端蓋余隙腔(18);其特征在于與熱活塞(11)底部對(duì)應(yīng)的熱氣缸(3)內(nèi)設(shè)有熱端彈簧(12)，熱端彈簧(12)的上端與熱活塞(11)底部接觸；與冷活塞(14)底部對(duì)應(yīng)的冷氣缸(9)內(nèi)設(shè)有線圈箍(16)，線圈箍(16)呈輪轂狀，且與冷氣缸(9)軸向同軸，線圈箍(16)外部套設(shè)有線圈和冷端彈簧(13)，冷端彈簧(13)的上端與冷活塞(14)底部接觸；所述冷活塞(14)底部設(shè)有螺紋孔，與螺紋孔配合連接著安裝柱(15)，安裝柱(15)下部的柱體上開設(shè)有ー個(gè)以上的磁鐵安裝槽(21)，所述磁鐵安裝槽(21)內(nèi)設(shè)有磁鐵塊；且安裝柱(15)下部插設(shè)于線圈箍(16)內(nèi)；所述熱活塞(11)和冷活塞(14)頭部分別開設(shè)有兩條以上的活塞環(huán)槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種分置式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述安裝柱(15)為膠木柱；安裝柱(15)下部的柱體上開設(shè)有兩個(gè)磁鐵安裝槽(21)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種分置式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述熱活塞(11)和冷活塞(14)頭部分別開設(shè)有三條活塞環(huán)槽。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分置式自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。包括并列的具有活塞的熱氣缸和冷氣缸；冷氣缸的頂部連通著回?zé)崞?；與熱活塞底部對(duì)應(yīng)的熱氣缸內(nèi)裝有熱端彈簧；與冷活塞底部對(duì)應(yīng)的冷氣缸內(nèi)裝有線圈箍，線圈箍呈輪轂狀，且與冷氣缸軸向同軸，線圈箍外部套裝有線圈和冷端彈簧；冷活塞底部開設(shè)有螺紋孔，與螺紋孔配合連接著安裝柱，安裝柱下部的柱體上開設(shè)有磁鐵安裝槽，每個(gè)磁鐵安裝槽內(nèi)均裝有磁鐵塊；且安裝柱下部插設(shè)于線圈箍?jī)?nèi)。本發(fā)明的運(yùn)行機(jī)理偏向于熱聲式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)理，即由循環(huán)不可逆性引起的傳熱滯后導(dǎo)致熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的相位差，通過這個(gè)相位差構(gòu)建成為等溫膨脹，等容降溫，等溫壓縮，等容升溫四個(gè)熱力學(xué)過程組成的斯特林循環(huán)。
文檔編號(hào)F02G1/044GK102678383SQ201210180680
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月5日
發(fā)明者唐景春, 左承基, 李亮 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)