一種小型熱氣機的製作方法

2023-04-23 07:23:06 1

專利名稱：一種小型熱氣機的製作方法
技術領域：
本發明涉及熱力發動機，尤其關於外燃式小型熱氣機。
技術背景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。目前，瑞典的KOCKUMS公司和美國STM公司研製的四缸雙作用熱 氣機已投入軍品、民品市場使用，功率範圍覆蓋10kW 100kW，主要燃料 為燃油和天然氣。為了提高效率，增大功率，便於布置，其四缸呈方形布 置，四缸共用一個燃燒室，傳動系統多採用"V"形曲軸傳動，或斜盤傳 動方式。其關鍵零部件主要有加熱器、回熱器、冷卻器和主密封等，加熱器、回熱器、冷卻器等零部件的性能i:接關係到熱氣機的效誇.，其結構復 雜，製造成本高，是熱氣機的主要成本構成部分。為提高熱氣機的效率，熱氣機工質多採用氦氣和氫氣，工作壓力常高達。MPa以上'狡高溫度和 壓力的工質也提高了密封的難度，由於不可避免地存在工質洩漏，因此需 要定期給熱氣機補充工質，因此也增加了維護保養或使用的難度和成本。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 ^"以做到熱氣機結構十分緊湊，效率較高。相反功率過小，如lkW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 F"，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，目前市場上還是空白。 發明內容本發明的目的在於提供一種小型熱氣機，解決傳統的熱氣機結構由於 構造複雜、製造和使用成本高，不適用於小型熱氣機使用的技術問題，其 具有結構簡單、易於製造、體積小、重量輕、成本低、便於維護、可靠性 高的特點。本發明的目的是通過以下的技術方案來解決的一種小型熱氣機，包括機身、在動力氣缸中作往復運動的動力活塞組、 在配氣氣缸中作往復運動的配氣活塞組、加熱器、回熱器、冷卻器和帶有 兩個曲拐的輸出軸，以及對加熱器進行加熱作用的加熱裝置；動力活塞組 通過長連杆與曲拐二活動連接，配氣活塞組通過短連杆與曲拐一活動連接， 所述的動力氣缸和配氣氣缸布置在輸出軸的同一側，且在動力氣缸靠近上 止點的一端與配氣氣缸靠近下止點的一端通過氣道連通；輸出軸的曲拐一 和曲拐二的相位差為90。或270° ;所述的回熱器由配氣活塞與配氣氣缸 套之間的配合間隙構成。.匕述的小型熱氣機，由f動力氣缸和配氣氣缸布置在輸出軸的同-側， 使動力氣缸和配氣氣缸的連通距離最短，便千布置，也減少了餘隙容積， 有助於提高效率，同時這種布置結構，也減少了縱向長度尺寸，使整個熱 氣機的結構更加緊湊；回熱器由配氣活寨與配氣氣缸套之間的配合間隙構成，雖然以犧牲部分效率為代價，但總體上大大簡化r布置，取消了回熱 器硬體結構，也顯著降低了成本。上述的小型熱氣機，所述的冷卻器為靠近配氣氣缸下止點，布置在配氣氣缸套外的風冷式翅片式散熱器構成，其與氣缸套做成--體；所述的加熱器為布置在配氣活塞上止點附近，由導熱性能較差的耐熱薄壁金屬材料 筒體製成，其同時兼作配氣氣缸套。以上的結構，冷卻器採用風冷式，布 置在氣缸套外，換熱面積大，結構簡單，加工方便，製造成本低。薄壁金 屬材料筒體製成的加熱器，兼作配氣氣缸套，合二為一，優化了結構，降 低了成本，同時也滿足使用要求。上述的小型熱氣機，所述的配氣活塞組由輕質金屬材料做成的配氣活 塞，以及活塞杆、活塞銷和短連杆組成，配氣活塞由活塞座和活塞體構成，活塞體為薄壁筒體，其一端封閉，另一端與活塞座固定連接在成一體；活 塞杆一端與短連杆可轉動地連接，另一端與活塞座固定連接。上述的小型熱氣機，所述的配氣活塞與配氣氣缸套之間的配合間隙為配氣活塞外徑的0.5% 1.5%。上述的小型熱氣機，所述的配氣活塞高度與其直徑之比為2.0 3.0。上述的小型熱氣機，所述的配氣活塞、動力活塞座的材料為鋁質金屬。 這樣可以減輕運動件的重量，提高熱氣機的效率，同時也提高了可靠性。上述的小型熱氣機，所述的曲拐一和/或曲拐二設置成兼作飛輪用的圓 盤上加偏心軸結構。這種結構省略了單獨的飛輪，使結構更加緊湊，外形 美觀。上述的小型熱氣機，在所述的輸出軸上連接有變速箱。可以根據需要 設置變速比，以滿足不同應用場合的需要。總之，本發明具有下列優點1、 結構簡單，布置緊湊，製造成本低。由於回熱器由配氣活塞與配氣 氣缸套之間的配合間隙構成，省略了複雜的回熱器，即降低了成本，簡化 了結構，也使配氣活塞與缸套的配合間隙加大，零部件的加工精度降低， 降低了加工成本。同時冷卻器採用布置在缸套外的風冷式翅片式散熱器， 結構十分緊湊；加熱器傳熱性能較差的耐熱薄壁金屬材料筒體製成，其同 時兼作配氣氣缸套，大大簡化了結構，顯著降低了加工成本，也有利於溫 度梯度的建立，增大上下溫差，提高效率。2、 使用成本低，可靠性高。該熱氣機採用空氣作為工質，工作壓力較 低，雖然以犧牲效率為代價，但簡化了複雜的密封結構，省略了工質補氣 結構，特別是使用十分方便，大大降低了使用成本，且可靠性較高。


圖l是本發明的結構圖，其中配氣活塞右邊部分被剖開。 圖2是圖1的左視圖，其省略了部分安裝螺釘等附件。 圖3是圖2的右視圖> 其省略了部分安裝螺釘等附件。
具體實施方式
圖l、 2和3所示為本發明的一個實施例。其結構是，包括機身或機體 10、動力活塞組2、配氣活塞組9、加熱器8、冷卻器710、回熱器、帶有 兩個曲拐的輸出軸1等，配氣活塞組9、動力活塞組2分別通過短連杆950、 長連杆210與輸出軸1可轉動地連接，並布置在輸出軸1的同一側，在配 氣氣缸740外側從上到下依次布置有冷卻器710、回熱器和加熱器8，配氣 氣缸740和動力氣缸4通過氣道5連通，在配氣活塞組9運動上止點附近， 氣缸套730外側布置有加熱器8，用於對工質進行加熱。該熱氣機常採用 熱空氣作工質，工作壓力也相對較低，因此工質的密封比較簡單，且可靠 性較髙，使用維護比較簡單，且費用低。動力活塞組2由輕質金屬做成的動力活塞230，以及活塞銷220和長 連杆210等組成，動力活塞230依次通過活塞銷220、長連杆210與輸出軸l的曲拐二 140可轉動地連接，動力活塞230的行程即為曲拐二 140豐 徑的兩倍。動力活塞230的材料--般選用鋁質，特點是重量輕、便於加工， 為充分減輕動力活塞230的重量，又保證在縱向有足夠的長度便於導向， 動力活塞230審設計成如圖1中所示的一端封閉的圓筒形，底部中間伸出 一個凸起，便於布置活塞銷220，圓筒形的內部空間可保證動力活塞230 在運動時長連杆210在其內以活塞銷220為支點，可在一定範圍內擺動， 不至於與活塞筒體的內壁幹涉相碰。動力氣缸4布置在機身或機體10上， 或單獨加工，然後與機身IO固定連接成一體。動力活塞230與動力氣缸套 3的配合間隙一般為0.03 0.10mm，既要保證一定的密封性，又要保證較 小的摩擦阻力。配氣活塞組9由活塞體910、活塞座920、活塞杆930、活塞銷940和 短連杆950等組成，活塞體910和活塞座920組成配氣活塞，也都是由輕 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，又有必要的剛度即可。活塞體910為一個一 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920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920的上端設置有一個活塞杆930，活 塞杆930穿透機身10上的活塞杆孔，活塞杆930的上端部設置有活塞銷 940，短連杆950的一端通過活塞銷940與活塞杆930可轉動的連接，另一 端與輸出軸1的曲拐一110可轉動地連接，同樣，配氣活塞的行程為曲拐 一110半徑的兩倍。在活塞杆孔內嵌套有密封件6，密封件6的材料一般 為非金屬材料，如聚四氟乙烯材料，活塞杆930與密封件6形成杆式無油 潤滑密封。上述的配氣活塞組9，特別是活塞座920和活塞體910部分也 可以做成整體式，只要儘可能減輕重量即可，但是這種整體式加工難度更 大，成本更高。與配氣活塞相適配，有一個配氣氣缸740，配氣氣缸套由兩部分組成， 即靠近冷卻器710部分的冷端配氣氣缸套720和靠近加熱器8部分的熱端配氣氣缸套730，在配氣氣缸740的上部也就是靠近配氣活塞運動下止點B 附近，氣缸套720的外側設置有風冷式翅片式散熱器，即熱氣機的冷卻器 710，用於對熱氣機的工質進行冷卻，翅片的數量、尺寸，即散熱面積根據 熱氣機功率需要而設定，當然改用水冷式或其他的冷卻方式都是可以的， 不過系統更複雜。為增強冷卻效果，可以在輸出軸1上帶一個小風扇，導 流到翅片表面，這樣冷卻效果會更加。如果該熱氣機用作風扇動力，可以 將部分風量導流過來對冷卻器710進行輔助冷卻。翅片式散熱器可以與配 氣氣缸套720做成一體，用導熱性能較好的金屬做成，如鋁質金屬，工藝 可以採用鑄造、機加工等方式。在配氣氣缸740的下端也就是靠近配氣活 塞運動上止點附近，氣缸套730為頂端封閉的薄殼耐熱筒體，該部分氣缸 套同時用作熱氣機的加熱器8，其頂部的形狀做成與活塞的頂部形狀一致， 如錐形、半球形。熱端氣缸套730可以與上端的冷端氣缸套720做成兩部 分，然後固定在一起，如螺紋固定或粘結、焊接方式。加熱器8的材料常 採用導熱性能相對較差的不鏽鋼材料或耐熱不鏽鋼材料，導熱性能較差便 於在其上下端形成溫度梯度，溫差越大熱氣機的效率就越高。比較簡單的 加熱器結構是如圖1所示的表面光滑的圓筒形，為增強外界熱源向內部工 質的傳熱效果，也可以在加熱器的表面設置翅片。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。本發明省略了實體式的回熱器，其回熱器由位於配氣活塞與其氣缸套720， 730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，有利於提高效率。配合間隙A的大小與 配氣活塞的直徑、熱氣機的功率大小有關， 一般選用配氣活塞直徑的0. 5% 1.59&。如發明人以一個5W的小型熱氣機為例，其配氣活塞直徑為45mm，分別設置配氣活塞與配氣氣缸套之間的配合間隙為0. 3ram、0. 5mm和0. 6mm， 經試驗都能滿足要求，配合間隙A的大小對熱氣機的效率略有影響。本發明採用配氣活塞與配氣氣缸套720、 730之間的配合間隙A作為熱氣機的回熱器用，既省略r一個複雜的回熱器，簡化了回熱器的布置問題，使熱氣機的機構相當優化，大大降低了成本，同時這個較大的間隙也降低了配氣活塞與配氣氣缸套配合表面的加工精度，降低了工藝要求，進—步降低r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20 30%左右。在配氣氣缸740靠近下止點B附近，也就是圖1所示的配氣氣缸740 的上端，有--個氣道5與動力氣缸4的下端連通，便於工質在配氣氣缸740 和動力氣缸4中來回流動，要儘量保證氣道5長度最短，流動阻力最小， 因此其直徑可根據需要設定。如對於15W以下的熱氣機，氣道5的直徑設 置成3 7mm即可。本發明將配氣氣缸740和動力氣缸4布置在輸出軸1的 同一側也就是為了保證氣道的長度最短.本發明的輸出軸1也即曲軸，帶有曲拐一 110和曲拐二 140兩個曲拐， 分別連接配氣活塞組9和動力活塞組2，兩者的相位相差90。或270° ， 曲拐的半徑決定活塞的行程。為了使熱氣機工作平穩，曲拐一tlO和/或 曲拐二 140設計成在有足夠重量的圓盤120、 130上加偏心軸構成，偏心距 即為曲拐的半徑，圓盤120、 130同時當作熱氣機的飛輪用，這樣既簡化了 結構又保證了熱氣機工作平穩。在輸出軸1的靠近中心位置有--個支承， 與機身10連為一體。為了滿足不同應用場合的需要，熱氣機的輸出軸1上還可以帶有一個 變速箱ll，根據需要設定變速比，如用作風扇動力時，就設置了一個變速 增速變速箱。在加熱器8的下端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，可以是利用燃油、氣體燃料式，如酒精、柴油、天然氣、 液化石油氣等燃燒加熱式，也可以是太陽能聚光裝置，或固體燃料式加熱 式，或其他工業預熱加熱形式。本發明所述的熱氣機可以適用於輸出功率為100W以下要求的多種場合，特別是25W以下功率要求的場合，其具有結構簡.爭、成本低廉、可靠 性高的特點，但是也有效率較低的弱點，該類型的熱氣機效率一般在5% 以下。其--般用空氣作工質，不需要攜帶工質氣瓶或設置制氫裝置，使用 方便，且使用維護費用很低。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，發明人設計製造了一臺5W的小型熱氣機，燃用液 化石油氣，配氣活塞的直徑為45mm，長度為120mm，動力活塞的直徑為 40mm,配氣活塞的行程為20mm，熱氣機的轉速為600r/min，採用h 4 的增速齒輪箱，帶動一個風扇，配氣活塞與氣缸套的配合間隙即回熱器間 隙為0.5mm，氣道直徑為5ram，活塞、機身材料採用鋁，整機尺寸為 150mm(長)X120mm(寬)X350mm(高)，質量約4kg，經試驗測試，輸出功 率為5.5 ，可以產生105cfin的風量。本發明不局限以上的形式，還可以變換成其他的^^式，如改變活塞的 布置方式，設計成對置式，或改變加熱器的形式，或者曲軸的結構，或者 其他等同的替換，總之，只要採用以上以空氣間隙作為回熱器等類似的結 構都將落入本發明的保護範圍。
權利要求
1. 一種小型熱氣機，包括機身(10)、在動力氣缸(4)中作往復運動的動力活塞組(2)、在配氣氣缸(740)中作往復運動的配氣活塞組(9)、加熱器(8)、回熱器、冷卻器(710)和帶有兩個曲拐的輸出軸(1)，以及對加熱器(8)進行加熱作用的加熱裝置；動力活塞組(2)通過長連杆(210)與曲拐二(140)活動連接，配氣活塞組(9)通過短連杆(950)與曲拐一(110)活動連接，其特徵在於所述的動力氣缸(4)和配氣氣缸(740)布置在輸出軸(1)的同一側，且在動力氣缸(4)靠近上止點(C)的一端與配氣氣缸(740)靠近下止點(B)的一端通過氣道(5)連通；輸出軸(1)的曲拐一(110)和曲拐二(140)的相位差為90°或270°；所述的回熱器由配氣活塞與配氣氣缸套(720，730)之間的配合間隙(A)構成。
2、 根據權利要求1所述的小型熱氣機，其特徵在於所述的冷卻器 (710)為靠近配氣氣缸(740)下止點(B)，布置在配氣氣缸套(720)外的風冷式翅片式散熱器構成，其與氣缸套(720)做成--體；所述的加熱 器(8)為布置在配氣活塞上止點附近，由導熱性能較差的耐熱薄壁金屬材 料筒體製成，其同時兼作配氣氣缸套(730)。
3、 根據權利要求1或2所述的小型熱氣機，其特徵在於所述的配氣 活塞組(9)由輕質金屬材料做成的配氣活塞，以及活塞杆(930)、活塞銷(940)和短連杆(950)組成，配氣活塞由活塞座(920)和活塞體(910) 構成，活塞體(910)為薄壁筒體，其一端封閉，另一端與活塞座(920) 固定連接在成一體；活塞杆(930) —端與短連杆(950)可轉動地連接， 另一端與活塞座(920)固定連接。
4、 根據權利要求1或2所述的小型熱氣機，其特徵在於所述的配氣活塞與配氣氣缸套(720， 730)之間的配合間隙(A)為配氣活塞外徑的 0. 5% 1.5%。
5、 根據權利要求3所述的小型熱氣機，其特徵在於所述的配氣活塞 與配氣氣缸套(720， 730)之間的配合間隙(A)為配氣活塞外徑的0.5% L 5%。
6、 根據權利要求3所述的小型熱氣機，其特徵在於所述的配氣活塞 高度與其直徑之比為2.0 3.0。
7、 根據權利要求1或2所述的小型熱氣機，其特徵在於所述的配氣 活塞、動力活塞座(230)的材料為鋁質金屬。
8、 根據權利要求1或2所述的小型熱氣機，其特徵在於所述的曲拐 一 (110)和/或曲拐二 (140)設置成兼作飛輪用的圓盤(120,130)上加偏 心軸結構。
9、 根據權利要求1或2所述的小型熱氣機，其特徵在於在所述的輸 出軸上連接有變速箱(11)。
全文摘要
本發明公開了一種小型熱氣機，包括機身、在動力氣缸中作往復運動的動力活塞組、在配氣氣缸中作往復運動的配氣活塞組、加熱器、回熱器、冷卻器和帶有兩個曲拐的輸出軸，以及對加熱器進行加熱作用的加熱裝置；動力活塞組通過長連杆與曲拐二活動連接，配氣活塞組通過短連杆與曲拐一活動連接，所述的動力氣缸和配氣氣缸布置在輸出軸的同一側，且在動力氣缸靠近上止點的一端與配氣氣缸靠近下止點的一端通過氣道連通；輸出軸的曲拐一和曲拐二的相位差為90°或270°；所述的回熱器由配氣活塞與配氣氣缸套之間的配合間隙構成。該熱氣機具有結構簡單、易於製造、體積小、重量輕、成本低、便於維護、可靠性高的特點，十分適合於100W以下的小型熱氣機使用。
文檔編號F02G1/043GK101216001SQ20071003620
公開日2008年7月9日 申請日期2007年1月4日 優先權日2007年1月4日
發明者晟 忻, 李振中, 潘衛明 申請人:上海齊耀動力技術有限公司