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CN1027094C - 斯特林发动机 - Google Patents

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Abstract

斯特林发动机具有一个机壳腔，该机壳腔被一个做往复运动的透气蓄热板隔成两个分腔，其中一个可以加热，第二个设有一个冷却器并与一个工作缸相连通，工作缸则通过第一传动装置与工作轴相连接，并且通过第二传动装置与蓄热板相连接，机壳腔(1)为楔形，蓄热板摆动地支承在机壳腔尖角的一根转动轴上。
同时起活塞作用的蓄热板由于采用了摆动的固定方式，其压排功能通过绕转动轴的低压磨损摆动完全地得到实现。

Description

本发明涉及一种斯特林发动机，具有一个机壳腔，该机壳腔被一个做往复运动的透气蓄热板隔成两个分腔，其中一个可以加热，第二个设有一个冷却器并与一个工作缸相连通，工作缸则通过第一传动装置与工作轴相连接，并且通过第二传动装置与蓄热板相连接。此外，本发明还涉及一种斯特林发动机的运行方法。
在一种类似的公知斯特林发动机中（见“国际能量交换工程协会第19届大会”的论文集第1807-1812页，1984年8月），其散热壁板和吸热壁板均呈平板形。因为边缘的连接是通过一道环绕的侧壁完成的，所以构成了一个直角形机壳。蓄热板为一刚体，其边缘同样在板壁之间做往复运动。工作缸与机壳腔的连接位于侧壁区。这种公知的斯特林发动机系一种小型实验模型。当其放大到可供实用的机型时，将会产生许多困难，因为当板壁尺寸为一平方米，压缩比为1∶1.05时，便有500千克的力作用在板壁上，使其分离，这就要求在平板形刚性板壁上增加复杂的支撑结构。此外作为活塞的蓄热板的导向也相当复杂，从而导致这种斯特林发动机的成本增加，而大量生产所要求的则是结构简单，成本低。
本发明的任务是开发一种上述类型的斯特林发动机，其特点是具有较高的压力稳定性，作为活塞的蓄热板的运动简单，寿命长并且制造成本低。
上述任务的解决方案是，机壳腔设置成楔形，蓄热板摆动地支承在机壳腔的尖角处。
具体地说，本发明斯特林发动机，具有一个机壳腔，该机壳腔被一个做往复运动的透气蓄热板隔成两个分腔，其中一个可以加热，第二个设有一个冷却器并与一个工作缸相连通，工作缸则通过第一传动装置与工作轴相连接，并且通过第二传动装置与蓄热板相连接。其特征是，机壳腔设置成楔形，蓄热板摆动地支承在机壳腔尖角的一根转动轴上。在本发明的斯特林发动机件，该蓄热板和机壳腔的两个蓄热板相对的分隔壁设置成圆柱体扇形切块形，其中，分隔壁与蓄热板的曲率相吻合。此外，可加热的分腔用透光材料制成，与其相对的蓄热板表面设有一层透气的光吸收体。该光吸收体制成容积式吸收体。另外，朝向第二个分腔的蓄热板表面上制成可冷却系统。
本发明的斯特林发动机可经组合而将多台斯特林发动机作用在一根共用工作轴上而构成一驱动装置。其中，每两台斯特林发动机安装在一起，其蓄热板的转动轴相互平行，转动轴的旋转运动通过位于转动轴端部、机壳腔之外的平行四边形连杆同步地由工作轴驱动完成。此外，作用在共用工作轴上的斯特林发动机中至少有一台作为制冷机运转。
本发明所述的机壳腔的几何形状以及将蓄热板 摆动地安装在机壳腔尖角处的方案可以简单而彻底地解决可动蓄热板的导向和支承问题。蓄热板以极小的磨损绕着唯一的一根转动轴在两个分腔之间往复摆动，此时根据相应的工作行程，使机壳腔内的工作气体-通常是空气-运动。
采用本发明的另一个特征可以实现极稳定的机械配置，这对于较大的功率单元是很重要的，该特征是将蓄热板本体和机壳腔的两个蓄热板相对的分隔壁设置成圆柱体扇形切块形，其中，分隔壁与蓄热板的曲率相吻合。这种几何形状如第一台原型机所示，能够以较少的材料消耗承受机壳腔和外界之间较大的压力差。
本发明所述的斯特林发动机的特点是，易于制造，磨损低，并且和其所达到的功率相比材料消耗少。由于这种发动机运转或者加热其工作气体所需的热量可以直接或间接地导入机壳腔的相应分腔，所以它非常适用于未工业化但日照丰富的地区，可以用来驱动水泵，潜水员用的压缩空气发生器，压力传动的内河艇，或用于内湖中的氧气输送管。这种发动机例如也可以用于驱动小菜园的灌溉水泵或驱动喷水泉，还可以用于太阳能热水系统中的驱动泵。
在太阳能的利用中，可以通过本发明的另一个特征显著提高发动机的效率，即用透光材料制作可加热分腔的分隔壁，并且在与该分隔壁相对的蓄热板表面上设有一层透气的光吸收体。这种结构可以直接使吸收的太阳热能进入工作机壳的加热分腔，由吸收体所接受的太阳热能可直接传递给工作气体。在此种结构上不再需要降低传热效率的表面。
采用本发明的另一个特征还可以再次提高该发动机的效率，即采用容积式光吸收体，它可在深层吸收能量，其结构例如可以是一种具有不同网目的多层编织物。
本发明所述斯特林发动机的机壳腔的第二个分腔的冷却可以由一个冷却系统简单而有效地来完成。该系统直接设置在蓄热板的对应表面上，并和蓄热板一块儿摆动。由于摆动频率较低，所以这种结构绝不会发生问题。为了冷却可以简单地采用通水软管或管道系统。
原则上该发动机的可用功率可以简单地通过放大，例如加宽机壳腔实现。但最好将两个或多个斯特林发动机模块组成一个驱动单元，每个单元的所有模块均作用于一根共用的工作轴。各个模块的连接按2π/n（n＝模块数量）的规律相对于在工作循环中在其先后作用的模块有一个相位差，从而使工作轴均匀地转动。每台发动机所需要的平衡配重可以因此而取消或大大减少。
多个模块在一根共用轴上工作时，各个模块便可以公知的方式作为制冷机运行，此时要将加热腔一侧的分隔壁进行热辐射或光辐射的屏蔽。
本发明的其它说明可见图1至图6所示的实施例。
图1为本发明的斯特林发动机的结构示意图;
图2为相同于图1中所示的本发明的斯特林发动机结构示意图，其中示出盖热板往透光分隔壁摆动，从而使膜盒从其最大容积状态逐渐变小的过程;
图3为相同于图1中所示的本发明的斯特林发动机，其中所示为其盖热板继续摆动而将膜盒继续压缩的状态;
图4为相同于图1中所示的本发明的斯特林发动机，其中所示的为膜盒处于下死点后，盖热板往回摆动而使膜盒膨胀的状态;
图5为本发明的斯特林发动机模块组成的驱动单元的示意图;
图6为本发明的斯特林发动机模块于成对布置时，各盖热板的转动轴的配置示意图。
本发明所述斯特林发动机的结构见图2所示。该发动机由一个具有分隔壁2和3的楔形机壳腔1构成，分隔壁制成圆柱体扇形切块形以提高强度。在机壳腔1内部装有一个同样呈圆柱体扇形切块形的蓄热板4，它支承在位于机壳腔尖端处的一个转动轴5上。蓄热板4将机壳腔1隔成两个分腔6和7，其中分腔6用于加热，分腔7用于冷却在蓄热板4两侧往复流动的工作气体，该气体在本例中为空气。分腔7与一个膜盒8构成的工作缸相连通，该工作缸又通过一个连杆9与一个工作轴14相连。而且工作轴14通过第二个连杆11与蓄热板4相连。
在本例中，为了利用太阳热能，分隔壁2由一种透光材料制成。为改善效率，可以采用双层透明盖板，使光辐射无阻碍地进入分腔6，并防止热量传到外界。透气的光吸收体12平铺在蓄热板4上。冷却由一个通水的软管系统13完成，该系统 固定在蓄热板4的另一侧并在该发动机工作行程中与后者一起摆动。
该发动机的工作过程如下：当分腔7的容积最小，即蓄热板4摆动到紧靠分隔壁3之前时，全部工作空气处在热分腔6之内。这时发动机内的压力增加，膜盒8膨胀，从而通过连杆9驱动工作轴14和飞轮10转动（见图1）。
当膜盒8达到其最大容积时，蓄热板4开始朝分隔壁2的方向摆动。与此同时热空气穿过蓄热板，将其热量传给板上的蓄热介质，从而使发动机壳内的压力下降（图2）。
此时飞轮10通过连杆9压缩膜盒8，从而压缩机壳内的空气。所产生的压缩热量传给冷却系统13。同时蓄热板4通过连杆11朝着分隔壁2的方向摆动。
只要达到了膜盒8的下死点，蓄热板4便朝着分隔壁3（图3）的方向回摆。此时压入的空气中不仅含有蓄热板4中储存的热量，而且还含有自外界传入的太阳热能。这便导致机壳内的压力升高，从而重新使膜盒8膨胀（图4）。
图5为一个由4个单个模块Ⅰ至Ⅳ组成的驱动单元的实例，在该例中模块为卧式布置。当然各模块也可以串联布置，但本例中所示的由模块成对布置构成一个驱动单元是有利的。
如图6所示，各个模块成对布置时，最好使蓄热板（4）的转动轴（5）相互平行，转动轴（5）的旋转运动通过位于转动轴端部、机壳腔（1）之外的平行四边形连杆（15、16、15′、16′）同步地由工作轴（14）驱动完成。在此例的卧式模块结构中，当一个模块的蓄热板（4）下降时，第二个模块的蓄热板（4）则升起。这样便可自动地形成每对模块内的重量平衡，不再需要额外的配重。
在这种由多个模块构成的驱动单元中，一个或每个模块可以公知的方式作为制冷机运转。为此只需将相应模块的分腔6加以热辐射或光辐射的屏蔽即可。

Claims (8)

1、斯特林发动机，具有一个机壳腔，该机壳腔被一个做往复运动的透气蓄热板隔成两个分腔，其中一个可以加热，第二个设有一个冷却器并与一个工作缸相连通，工作缸则通过第一传动装置与工作轴相连接，并且通过第二传动装置与蓄热板相连接，其特征是，机壳腔(1)设置成楔形，蓄热板(4)摆动地支承在机壳腔尖角的一根转动轴(5)上。
2、如权利要求1所述的斯特林发动机，其特征是，蓄热板（4）和机壳腔（1）的两个蓄热板相对的分隔壁（2、3）设置成圆柱体扇形切块形，其中，分隔壁（2、3）与蓄热板（4）的曲率相吻合。
3、如权利要求1所述的斯特林发动机，其特征是，可加热的分腔（6）用透光材料制成，与其相对的蓄热板表面上设有一层透气的光吸收体（12）。
4、如权利要求3所述的斯特林发动机，其特征是，光吸收体（12）制成容积式吸收体。
5、如权利要求1至4之中任何一项所述的斯特林发动机，其特征是，在朝向第二分腔的蓄热板表面上制成冷却系统（13）。
6、应用如权利要求1至5之中任何一项所述斯特林发动机的组成的驱动装置，其特征是，将多台斯特林发动机（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、-Ⅳ）作用在一根共用工作轴（14）上。
7、如权利要求6所述的装置，其特征是，每两台斯特林发动机安装在一起，其蓄热板（4）的转动轴（5）相互平行，转动轴（5）的旋转运动通过位于转动轴端部、机壳腔（1）之外的平行四边形连杆（15、16、15′、16′）同步地由工作轴（14）驱动完成。
8、如权利要求6或7所述装置，其特征是，作用在共用工作轴（14）上的斯特林发动机（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）中至少有一台作为制冷机运转。
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