[发明专利]开式循环斯特林发动机

说明书

技术领域

 本发明属于发动机技术领域，具体涉及斯特林发动机。

背景技术

斯特林发动机是一种外燃的活塞式发动机，由于采用外燃循环，化学能转变为热能的过程是在产生动力的气缸之外进行，工质流动方式为连续过程，对热源品质要求不高。因此，斯特林发动机在能源广泛适应性方面具有独特的优点。另外，斯特林发动机比内燃机压缩比低，具有噪音小，工作平稳的工作优点。近年来，由于世界能源成本普遍上涨，能源短缺和全球变暖之类的环境问题日益严重，使斯特林发动机的优点又引起人们的高度关注。斯特林发动机对热源品质要求不高，可实现热源的多样化，减轻对化石燃料的依赖，能够达到有效利用传统能源和再生能源的目的。

斯特林发动机按照基本结构可以分为三种类型：α型、β型、γ型，其中α型斯特林发动机由冷腔（由靠近冷却器的气缸和活塞组成，也叫压缩腔）、冷却器、回热器、加热器、热腔（由靠近加热器的气缸和活塞组成，也叫膨胀腔）、以及动力传动部分组成。α型斯特林发动机中两个活塞在循环过程中都承担着传递功率的功能，为闭式循环工作模式；必须采用专用密封结构进行密封，以防止工质泄露；对压缩活塞与膨胀活塞的密封要求非常高，密封结构不仅在技术上有难度，而且使发动机结构复杂、机器笨重，导致斯特林发动机的制造成本高，而且密封件的可靠性和寿命还存在问题。工质的泄漏是斯特林发动机常见的故障现象，也是最难解决的问题之一。工质的泄漏轻则造成发动机功率和效率的下降，发动机不能正常工作，重则造成整机损坏。

发明内容

为了克服传统斯特林发动机存在的密封难题、制造困难、工艺要求高的缺点，本发明通过改进，提供一种开式循环斯特林发动机。

本发明以空气为开式循环工质，回热器中工质采用单向流动方式，改善换热方式，在现有活塞式复式发动机技术基础上，设计了一款新型开式循环工作模式的斯特林发动机。

具体的技术解决方案如下：

开式循环斯特林发动机包括热端气缸、热端活塞、加热器、回热器、冷却器、冷端气缸和冷端活塞。所述回热器为单向回热器，单向回热器的一端为热端，另一端为冷端，所述热端分别设有热端进口和热端出口，所述冷端分别设有冷端进口和冷端出口；单向回热器的冷端进口和热端出口构成低温工质通道，热端进口和冷端出口构成高温工质通道；

所述热端气缸上分别设有热端进气阀和热端排气阀，所述冷端气缸上分别设有冷端进气阀和冷端排气阀；

所述冷端气缸的冷端进气阀连通大气，冷端气缸的冷端排气阀连通着单向回热器的冷端进口；所述热端气缸的热端进气阀连通着单向回热器的热端出口，热端气缸的热端进气阀和单向回热器的热端出口之间设有加热器，热端气缸的热端排气阀连通着单向回热器的热端进口；单向回热器的冷端出口通过废气排气阀连通大气；通过控制热端进气阀、热端排气阀和冷端进气阀、冷端排气阀的开闭时刻，可以达到工质开式循环和单向流动的目的。    

所述单向回热器为间壁式单向回热器，按照传热壁面的形状，可以分为管式单向回热器、板式单向回热器、夹套式单向回热器等。

 本发明的有益技术效果体现在以下方面：

（1）本发明的斯特林发动机的循环工质采用单向流动方式，本发明工作时，当冷端活塞下行时，大气通过冷端进气阀进入冷端气缸。冷端活塞上行压缩空气后，冷端气缸内空气通过冷端排气阀被压入回热器冷端进口管，在回热器中吸收热量后进入加热器，之后通过热端进气阀进入热端气缸进行膨胀对外作功；热源的加热量仅仅流向热缸进行膨胀作功，极大提高了发动机热效率；当热端活塞上行时，热端气缸内的热气通过热端排气阀流向回热器热端进口管，进入回热器后放热，降温后的热气排向大气中；回热器中工质为单向流动方式，改善了换热方式，提高回热效率；且无需采用绝对密封。同时，工质采用空气，工作压力与温度低，无需昂贵耐温材料，成本低、可靠性高、节能环保；

（2）现有技术的回热器采用工质双向流动，交替吸热和放热，在提高回热效率的同时兼顾其它指标如降低流动阻力非常困难。本发明采用单向流动回热器，结构形式有许多种，如板式、板翅式、肋管式、管壳式等；其中高温工质和低温工质具有独立的通道，均采用单向流动方式，在改善换热方式、提高回热效率的同时还可以兼顾其它指标，比如降低流动阻力；

（3）本发明以空气为工质循环进气，工质在加热器中吸收热量后只能单向流入热端气缸进行膨胀作功，提高了发动机热效率。压缩活塞与膨胀活塞不必采用绝对密封装置，可以大幅度减少摩擦阻力，提高发动机机械效率；