一種微型熱氣機的製作方法

2023-05-09 14:04:46

專利名稱：一種微型熱氣機的製作方法
技術領域：
本發明涉及小功率熱力發動機，尤其關於小型外燃式熱氣機。
背景技術：
熱氣機又稱斯特林發動機，它是一種採用外部熱源加熱的外燃式發動機，主要由加熱系統、工質循環系統、傳動系統等組成，加熱器、回熱器、冷卻器、動力活塞組件、配氣活塞組件是構成熱氣機循環系統的關鍵零部件，加熱系統產生的熱量通過加熱器傳遞給熱氣機的內部工質，通過斯特林循環，推動活塞做功，並通過傳動系統的曲軸或輸出軸對外輸出。回熱器相當於一個儲能器，用於吸收或釋放斯特林循環過程中的工質熱量；加熱器用於加熱工質。傳統的熱氣機一般有兩個活塞，即動力活塞和配氣活塞，配氣活塞在加熱器、回熱器、冷卻器內不斷穿梭運動，起到配氣的作用；動力活塞對工質進行壓縮，同時在工質受熱膨脹時，工質又推動動力活塞向外做功。另外，還有一種雙作用式熱氣機，即動力活塞和配氣活塞合二為一，多個缸串在一起，即一缸受熱膨脹做功時，其冷端同時為相鄰缸配氣用，該結構適用化較多。熱氣機不同於內燃機，它採用外部加熱方式，因此具有對多種熱源或燃料的適應性，如可採用傳統的燃油、天然氣、沼氣、酒精等燃料，也可以採用太陽能、工業餘熱、固體燃料、生物質能等，範圍十分廣泛。
傳統結構的熱氣機比較適合的功率為10kW～200kW，在此功率範圍內可以做到熱氣機結構十分緊湊，效率較高。相反功率過小，如1kW以下，若採用傳統的結構，其布置將十分困難，成本也很高；功率過大，如200kW以上，則存在密封困難、燃燒不均勻的難題。因此，對於功率為100W以下，甚至更小，如幾瓦到十幾瓦的小型或微型熱氣機，由於其要求結構簡單、體積小、重量輕、製造成本低廉、使用維護費用低、可靠性高，相反對效率沒有過高要求，以上傳統的結構就不太適合。公告號為CN2099847U的專利介紹了一種小功率熱氣機發電機組，其採用空氣為工質，熱氣機為雙活塞式，兩缸平行並列布置，傳動機構採用四連杆擺塊機構，並採用的全封閉的曲軸箱結構。其優點是集成了發電機，結構緊湊，可以燃用固體燃料，但該結構的熱氣機還存在以下不足之處其基本採用了傳統的熱氣機結構，其結構還是比較複雜、體積較大，如兩個氣缸、回熱器等，產品實現比較困難，且生產成本較高，對於100W以下的小功率應用場合就不太適合。

發明內容
本發明的目的在於提供一種微型熱氣機，其具有結構簡單、布置緊湊、體積小、重量輕、易於實現、製造和使用成本低的特點。
本發明的目的是通過以下的技術方案來解決的一種微型熱氣機，包括加熱器、回熱器、冷卻器、曲軸和機身，以及在動力氣缸中作往復運動的動力活塞和在配氣氣缸中作往復運動的配氣活塞，配氣活塞由活塞座和上端封閉的薄壁長筒體結構活塞頂組成，並依次通過活塞杆、連杆與曲軸連接，動力活塞通過連杆與曲軸連接；該熱氣機還具有一個全封閉的曲軸箱；所述的配氣活塞和動力活塞呈上下同軸布置，在配氣活塞的下端連接有活塞杆，活塞杆穿過動力活塞的中心通孔；冷卻器呈環形筒體結構，其上端與加熱器連接，下端與機身連接，其內孔與配氣活塞相適配；冷卻器內孔和加熱器內腔形成配氣氣缸，配氣氣缸與配氣活塞之間有一定的配合間隙，間隙值為配氣活塞外徑的0.5％～1.7％，形成回熱器。
上述的微型熱氣機，兩缸同軸布置，配氣活塞和動力活塞也呈上下同軸布置，共用同一根曲軸，結構十分緊湊，且基本消除了配氣活塞的側推力，配氣活塞和動力活塞的相位角可以根據設計需要任意調整，保證熱氣機的性能。該熱氣機利用環形的風冷式翅片式冷卻器結構，內孔與加熱器的內腔形成配氣氣缸，結構十分簡單。該熱氣機省略了實體回熱器，利用配氣活塞與氣缸之間的間隙形成回熱器，可以滿足小功率熱氣機的需要，進一步簡化了結構，降低了複雜回熱器的製造成本。該熱氣機的機身與底板形成封閉的曲軸箱結構，整個運動部件封閉在加熱器、冷卻器、機身和底板形成的封閉空間內，由於曲軸箱內可以充裝工質保證一定的壓力，從而使動力活塞與活塞杆和缸套之間的密封更加簡單，有助於提高密封效果，使得熱氣機可以使用洩漏性很強的氦氣或氫氣工質，也可以將洩漏率控制在允許的範圍內。
上述的微型熱氣機，所述的冷卻器為風冷式翅片式冷卻器，由筒體、布置在筒體外側的多組翅片、上法蘭和下法蘭組成。該冷卻器採用風冷翅片式，結構簡單，散熱面積大，散熱效果好，散熱面積可以根據散熱需要設定設定翅片的尺寸和數量即可，容易實現，且成本較低。
上述的微型熱氣機，在動力活塞上布置有活塞環，從上往下依次為上導向環、密封環和下導向環，其材料為聚醯亞胺、聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯。上下兩道導向環，有助於活塞的運動導向，防止活塞與氣缸壁摩擦磨損，也有助於減少密封環的磨損，加上聚醯亞胺、聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯的耐磨性好，該密封結構的可靠性將大大提高。
上述的微型熱氣機，所述的密封環由上密封環和下密封環疊置而成，上密封環和下密封各有一個相反的斜向切口，並錯開一定角度布置；上密封環和下密封的上下面具有一定的錐度，上、密封環疊置在一起形成錐度環，並布置在與其相適配的活塞環槽內。兩道開口密封環，並錯開布置的結構減小了工質的軸向洩漏，上下表面的錐形結構在活塞往復運動時，可以自動補償，提高密封效果。
上述的微型熱氣機，所述的曲軸有三個曲拐，兩端的曲拐與動力活塞連杆相連接，中間的與配氣活塞連杆相連接，兩端的曲拐相位相同，且與中間曲拐的相位角為85～95°。該相位角範圍，熱氣機的理論效率最高，性能最好。
上述的微型熱氣機，在所述的冷卻器的上端，靠近加熱器下端附近設置有隔熱作用的擋板。可以防止位於加熱器附近加熱裝置產生的熱量傳遞到冷卻器上，降低冷卻效果。
上述的微型熱氣機，所述的配氣活塞座、動力活塞、冷卻器的材料為鋁質金屬。鋁質金屬的特點是傳熱性能好，重量輕，可加工性好。
總之，本發明與現有技術相比，具有下列優點結構簡單，布置緊湊，體積小、重量輕、易於實現、製造和使用成本低，可靠性高。發明人研製了一臺5W的熱氣機樣機，不含加熱裝置，其體積為100mm(長)×90mm(寬)×250mm(高)，重量約2.3kg，採用空氣為工質，實測輸出功率約4.8W。


圖1是本發明的結構圖，其沿中心線剖開了1/4。
圖2是動力活塞部分的剖視圖。
圖3是圖2中密封環的結構圖。
具體實施例方式
如圖1、2和3所示，為本發明的一個實施例。其外側從上往下依次布置有圓筒形的加熱器1、擋板13、冷卻器4、機身11和底板10，由上述部件構成的封閉空間內側從上往下依次布置有配氣活塞2、活塞杆3、動力活塞5、連杆6、7、8和曲軸9等部件。加熱器1為一個頂端封閉的薄壁圓筒形結構，由耐熱金屬加工而成，用於將由熱氣機加熱裝置產生的熱量傳遞給內腔的工質，推動活塞做功。加熱器1的內腔與熱氣機配氣活塞2的活塞頂210結構相適配，與下端的冷卻器4內腔一起形成熱氣機的配氣氣缸。該加熱器1適用於功率較小的熱氣機，如幾瓦到幾十瓦的熱氣機，為滿足功率更大的熱氣機需要，加熱器1也可以設計成其他的結構，如增加許多翅片以增強換熱效果。
在加熱器1的下端布置有冷卻器4，該冷卻器4為一個整體式的環形圓筒形結構，由上法蘭410、下法蘭440、內筒體420和布置在筒體外側的翅片430組成，上、下法蘭410、440分別與加熱器1和機身11連接。冷卻器4的材料一般採用鋁質金屬，特點是散熱性能好，重量輕，且便於加工。冷卻器4的眾多翅片採用環形布置，當然也可以採用縱向布置結構，加工可以採用棒料機加工而成，也可以採用鑄造方式加工。翅片430的數量和深度即尺寸大小根據熱氣機的功率需要而設定。該冷卻器內部用作氣缸套，外部用作散熱器，結構十分緊湊、簡單，且加工方便。
在冷卻器4的下端布置有熱氣機的機身11，機身11的下半部分用作熱氣機的曲軸箱，機身11上設置有曲軸軸孔，曲軸9穿置支承在機身11上，曲軸9與機身11曲軸軸孔之間具有密封結構，如常用的軸密封結構、迷宮密封結構等。機身11的底部有一個底板10，其與機身11形成封閉的曲軸箱結構。曲軸箱內可以充裝一定的工質，以平衡或減小與熱氣機冷端工質的壓差，有助於動力活塞5上部循環工質的密封，減小洩漏，對於提高熱氣機的性能和可靠性具有顯著作用。充氣裝置設置在機身11或底板10上，可以是一個單向閥或球閥，充氣後起到密封即可。為增加冷卻效果，降低熱氣機動力活塞5部分即熱氣機冷端的溫度，在靠近動力活塞5的機身11外側設置了許多翅片，便於散熱，同時在不影響機身強度的情況下，減小機身11的重量，以上的翅片是通過機加工或鑄造的方式，在機身11外側加工出一道道環槽形成規則的翅片。
配氣活塞2由活塞座220、活塞頂210組成，都是由輕質金屬做成，如常用鋁質金屬製造，當然也可以採用很薄不鏽鋼材料製造，只要保證其有儘量輕的重量，又有必要的強度即可。活塞頂210為一個頂端封閉的長形薄殼筒體，其長度一般是其直徑的2～3倍，開口的一端套置在活塞座220外，並與其固定連接，採用焊接或粘接方式固定，形成一個封閉的、重量較輕的活塞。活塞座220的下端設置有一個活塞杆3，活塞杆3穿透動力活塞5中心的通孔，下端與曲軸9的中間曲拐可轉動地連接。活塞杆3與動力活塞5通過間隙配合，並保證一定的密封，為提高密封效果，在動力活塞5的中心通孔內可以嵌套有密封件，密封件的材料一般為非金屬材料，如聚醯亞胺、聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯材料，活塞杆與密封件形成杆式無油潤滑密封。上述的配氣活塞2，即活塞座220和活塞頂210也可以做成整體式，只要儘可能減輕重量即可。
傳統的熱氣機，包括單作用式熱氣機或雙作用式熱氣機，都有一個回熱器，回熱器常用金屬絲網燒結而成，其製作工藝複雜，成本高。圖1所示實施例省略了實體式的回熱器，其回熱器由位於配氣活塞2與加熱器1的內腔和冷卻器4的內腔共同形成的配氣氣缸之間的配合間隙A構成，這段狹長的空氣間隙A在熱氣機工作時起到了回熱器的作用。配氣活塞2足夠的長度，保證了配合間隙A的足夠長度，也起到增大缸套上下端溫差梯度的作用，有利於提高熱氣機的效率。配合間隙A的大小與配氣活塞2的直徑、熱氣機的功率大小有關，一般選用配氣活塞2直徑的0.5％～1.7％。如發明人以一個5W的熱氣機為例，其配氣活塞2直徑為45mm，分別設置配氣活塞2與配氣氣缸之間的配合間隙為0.3mm、0.5mm和0.7mm，經試驗都能滿足要求。本發明採用配氣活塞2與配氣氣缸之間的配合間隙A作為熱氣機的回熱器用，既省略了一個複雜的回熱器，簡化了回熱器的布置問題，使熱氣機的結構相當優化，大大降低了成本，同時這個較大的間隙也降低了配氣活塞2與配氣氣缸套配合表面的加工精度，降低了加熱器和冷卻器內孔的加工工藝要求，進一步降低了加工成本。初略估計，僅此改進，就可使熱氣機的製造直接成本降低15～20％左右。
動力活塞5由活塞510、導向環520、540、密封環530組成，活塞510由較輕的鋁質金屬加工而成，在外側有活塞環槽，從上往下依次布置有上導向環520、密封環530和下導向環540，上下導向環520、540用於活塞運動時的導向作用，防止由於側推力的作用使活塞與氣缸壁直接接觸，產生過度磨損，其材料一般為耐磨性能好的非金屬材料製成，常用聚醯亞胺、聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯等材料。上、下導向環520、540為普通的平面環結構，為便於安裝導向環各有一個切口，安裝時儘量保證使上、下導向環520、540的切口對稱布置。密封環530布置在活塞510的中間，其結構為上下兩道疊置在一起的錐形環組成，上下密封環的上下表面設計成內小外大的錐度，活塞上的環槽也設置成與其適配的錐形，上下密封環的上下片面形成的錐角設置成5～15°效果最佳。上下密封環各開有一個斜向的切口，上下密封環的斜向斜口方向相反，裝配時切口並錯開一定的角度，最佳是180°左右。密封環的材料也由耐磨性能好的非金屬材料製成，如聚醯亞胺、聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯等材料。上述的密封環530結構可以增強密封效果，在活塞往復運動時可以起到自補償的作用，使活塞環的張力始終緊靠氣缸壁，形成可靠的密封，同時防止兩環在轉動時不至於發生切口邊緣楔入而卡死。在活塞510的下端，有兩個凸耳，便於安裝活塞銷，分別通過連杆6、8與曲軸9連接，動力活塞5的連杆6、8對稱布置，保證了動力活塞5和曲軸9的受力平衡。
曲軸9帶有三個曲拐，中間的曲拐通過連杆7、活塞杆3與配氣活塞2連接，兩邊的曲拐分別通過連杆6、8與動力活塞5連接。兩邊的曲拐相位相同，並與中間曲拐的相位設置成85～95°，在該範圍內熱氣機的性能最佳，常用的是設置成90°。當然該相位值可以根據熱氣機的設計需要任意改變。
熱氣機的曲軸9上還可以連接一根輸出軸12，輸出軸12上還可以連接變速箱，根據需要設定變速比，以滿足不同應用場合的需要。在加熱器1的外側還設置有一個加熱裝置，加熱裝置的類型可以根據燃料類型設計，可以是液體燃料式或固體燃料式，也可以是太陽能聚光裝置，或其他工業預熱加熱形式。
本發明所述的熱氣機特別適用於輸出功率為100W以下要求的多種場合，工質可以採用空氣、氦氣或氫氣等多種類型，其具有結構簡單、布置緊湊，體積小、重量輕、成本低廉、使用維護簡單且費用很低、可靠性高的特點。由於省略了回熱器，採用無油潤滑結構，且冷卻方式採用簡單的空冷式，因此該熱氣機有效率較低的弱點，其效率一般在5％以下。該熱氣機可以有多種用途，如集成一個小型發電機，組成一個小型發電系統；輸出軸上攜帶一個風扇，組成一個送風系統；也可以作為其他的小型動力源。
以圖1所示結構，發明人研製了一臺5W的小型熱氣機樣機，以空氣為工質，燃用液化石油氣，配氣活塞的直徑為45mm，動力活塞的直徑為40mm，行程為20mm，熱氣機的轉速為600r/min，配氣活塞與配氣氣缸之間的配合間隙即回熱器間隙為0.5mm，活塞、冷卻器、機身材料採用鋁，經試驗測試，輸出軸功率達到了4.8W。
權利要求
1.一種微型熱氣機，包括加熱器(1)、回熱器、冷卻器(4)、曲軸(9)和機身(11)，以及在動力氣缸中作往復運動的動力活塞(5)和在配氣氣缸中作往復運動的配氣活塞(2)，配氣活塞(2)由活塞座(220)和上端封閉的薄壁長筒體結構活塞頂(210)組成，並依次通過活塞杆(3)、連杆(7)與曲軸(9)連接，動力活塞(5)通過連杆(6、8)與曲軸(9)連接；該熱氣機還具有一個全封閉的曲軸箱；其特徵在於a、所述的配氣活塞(2)和動力活塞(5)呈上下同軸布置，在配氣活塞(2)的下端連接有活塞杆(3)，活塞杆(3)穿過動力活塞(5)的中心通孔；b、冷卻器(4)呈環形筒體結構，其上端與加熱器(1)連接，下端與機身(11)連接，其內孔與配氣活塞(2)相適配；c、冷卻器(4)內孔和加熱器(1)內腔形成配氣氣缸，配氣氣缸與配氣活塞(2)之間有一定的配合間隙(A)，間隙值為配氣活塞(2)外徑的0.5％～1.7％，形成回熱器。
2.根據權利要求1所述的微型熱氣機，其特徵在於所述的冷卻器(4)為風冷式翅片式冷卻器，由筒體(420)、布置在筒體(420)外側的多組翅片(430)、上法蘭(410)和下法蘭(440)組成。
3.根據權利要求1或2所述的小型熱氣機，其特徵在於在動力活塞(5)上布置有活塞環，從上往下依次為上導向環(520)、密封環(530)和下導向環(540)，其材料為聚醯亞胺、聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯。
4.根據權利要求3所述的小型熱氣機，其特徵在於所述的密封環(530)由上密封環和下密封環疊置而成，上密封環和下密封各有一個相反的斜向切口，並錯開一定角度布置；上密封環和下密封的上下面具有一定的錐度，上、密封環疊置在一起形成錐度環，並布置在與其相適配的活塞環槽內。
5.根據權利要求1或2所述的微型熱氣機，其特徵在於所述的曲軸(9)有三個曲拐，兩端的曲拐與動力活塞(5)的連杆(6、8)相連接，中間的曲拐與配氣活塞(2)的連杆(7)相連接，兩端的曲拐相位相同，且與中間曲拐的相位角為85～95°。
6.根據權利要求4所述的微型熱氣機，其特徵在於所述的曲軸(9)有三個曲拐，兩端的曲拐與動力活塞(5)的連杆(6、8)相連接，中間的曲拐與配氣活塞(2)的連杆(7)相連接，兩端的曲拐相位相同，且與中間曲拐的相位角為85～95°。
7.根據權利要求2所述的微型熱氣機，其特徵在於在所述的冷卻器(4)的上端，靠近加熱器(1)下端附近設置有隔熱作用的擋板(13)。
8.根據權利要求1或2所述的微型熱氣機，其特徵在於所述的配氣活塞(2)、動力活塞的活塞(510)、冷卻器(4)的材料為鋁質金屬。
全文摘要
本發明公開了一種微型熱氣機，包括加熱器、回熱器、冷卻器、曲軸、機身、動力活塞和配氣活塞，其還具有一個全封閉的曲軸箱；所述的配氣活塞和動力活塞呈上下同軸布置，在配氣活塞的下端連接有活塞杆，活塞杆穿過動力活塞的中心通孔；冷卻器呈環形筒體結構，其上端與加熱器連接，下端與機身連接，其內孔與配氣活塞相適配；冷卻器內孔和加熱器內腔形成配氣氣缸，配氣氣缸與配氣活塞之間有一定的配合間隙，間隙值為配氣活塞外徑的0.5％～1.7％，形成回熱器。該熱氣機具有結構簡單，布置緊湊，體積小、重量輕、易於實現、製造和使用成本低，可靠性高的特點，十分適合於100W以下的微型熱氣機使用。
文檔編號F02G1/043GK1924336SQ200610116199
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月19日 優先權日2006年9月19日
發明者忻晟 申請人:上海齊耀動力技術有限公司