專(zhuān)利名稱(chēng)：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，具有一個(gè)機(jī)殼腔，該機(jī)殼腔被一個(gè)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的透氣蓄熱板隔成兩個(gè)分腔，其中一個(gè)可以加熱，第二個(gè)設(shè)有一個(gè)冷卻器并與一個(gè)工作缸相連通，工作缸則通過(guò)第一傳動(dòng)裝置與工作軸相連接，并且通過(guò)第二傳動(dòng)裝置與蓄熱板相連接。此外，本發(fā)明還涉及一種斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方法。
在一種類(lèi)似的公知斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中(見(jiàn)“國(guó)際能量交換工程協(xié)會(huì)第19屆大會(huì)”的論文集第1807-1812頁(yè)，1984年8月)，其散熱壁板和吸熱壁板均呈平板形。因?yàn)檫吘壍倪B接是通過(guò)一道環(huán)繞的側(cè)壁完成的，所以構(gòu)成了一個(gè)直角形機(jī)殼。蓄熱板為一剛體，其邊緣同樣在板壁之間做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。工作缸與機(jī)殼腔的連接位于側(cè)壁區(qū)。這種公知的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系一種小型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?dāng)其放大到可供實(shí)用的機(jī)型時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生許多困難，因?yàn)楫?dāng)板壁尺寸為一平方米，壓縮比為1∶1.05時(shí)，便有500千克的力作用在板壁上，使其分離，這就要求在平板形剛性板壁上增加復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)。此外作為活塞的蓄熱板的導(dǎo)向也相當(dāng)復(fù)雜，從而導(dǎo)致這種斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的成本增加，而大量生產(chǎn)所要求的則是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。
本發(fā)明的任務(wù)是開(kāi)發(fā)一種上述類(lèi)型的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其特點(diǎn)是具有較高的壓力穩(wěn)定性，作為活塞的蓄熱板的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)并且制造成本低。
上述任務(wù)的解決方案是，機(jī)殼腔設(shè)置成楔形，蓄熱板擺動(dòng)地支承在機(jī)殼腔的尖角處。
本發(fā)明所述的機(jī)殼腔的幾何形狀以及將蓄熱板擺動(dòng)地安裝在機(jī)殼腔尖角處的方案可以簡(jiǎn)單而徹底地解決可動(dòng)蓄熱板的導(dǎo)向和支承問(wèn)題。蓄熱板以極小的磨損繞著唯一的一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸在兩個(gè)分腔之間往復(fù)擺動(dòng)，此時(shí)根據(jù)相應(yīng)的工作行程，使機(jī)殼腔內(nèi)的工作氣體-通常是空氣-運(yùn)動(dòng)。
采用本發(fā)明的另一個(gè)特征可以實(shí)現(xiàn)極穩(wěn)定的機(jī)械配置，這對(duì)于較大的功率單元是很重要的，該特征是將蓄熱板本體和機(jī)殼腔的兩個(gè)蓄熱板相對(duì)的分隔壁設(shè)置成圓柱體扇形切塊形，其中，分隔壁與蓄熱板的曲率相吻合。這種幾何形狀如第一臺(tái)原型機(jī)所示，能夠以較少的材料消耗承受機(jī)殼腔和外界之間較大的壓力差。
本發(fā)明所述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是，易于制造，磨損低，并且和其所達(dá)到的功率相比材料消耗少。由于這種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或者加熱其工作氣體所需的熱量可以直接或間接地導(dǎo)入機(jī)殼腔的相應(yīng)分腔，所以它非常適用于未工業(yè)化但日照豐富的地區(qū)，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)水泵，潛水員用的壓縮空氣發(fā)生器，壓力傳動(dòng)的內(nèi)河艇，或用于內(nèi)湖中的氧氣輸送管。這種發(fā)動(dòng)機(jī)例如也可以用于驅(qū)動(dòng)小菜園的灌溉水泵或驅(qū)動(dòng)噴水泉，還可以用于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)泵。
在太陽(yáng)能的利用中，可以通過(guò)本發(fā)明的另一個(gè)特征顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，即用透光材料制作可加熱分腔的分隔壁，并且在與該分隔壁相對(duì)的蓄熱板表面上設(shè)有一層透氣的光吸收體。這種結(jié)構(gòu)可以直接使吸收的太陽(yáng)熱能進(jìn)入工作機(jī)殼的加熱分腔，由吸收體所接受的太陽(yáng)熱能可直接傳遞給工作氣體。在此種結(jié)構(gòu)上不再需要降低傳熱效率的表面。
采用本發(fā)明的另一個(gè)特征還可以再次提高該發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，即采用容積式光吸收體，它可在深層吸收能量，其結(jié)構(gòu)例如可以是一種具有不同網(wǎng)目的多層編織物。
本發(fā)明所述斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)殼腔的第二個(gè)分腔的冷卻可以由一個(gè)冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)單而有效地來(lái)完成。該系統(tǒng)直接設(shè)置在蓄熱板的對(duì)應(yīng)表面上，并和蓄熱板一塊兒擺動(dòng)。由于擺動(dòng)頻率較低，所以這種結(jié)構(gòu)絕不會(huì)發(fā)生問(wèn)題。為了冷卻可以簡(jiǎn)單地采用通水軟管或管道系統(tǒng)。
原則上該發(fā)動(dòng)機(jī)的可用功率可以簡(jiǎn)單地通過(guò)放大，例如加寬機(jī)殼腔實(shí)現(xiàn)。但最好將兩個(gè)或多個(gè)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模塊組成一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，每個(gè)單元的所有模塊均作用于一根共用的工作軸。各個(gè)模塊的連接按2π/n(n＝模塊數(shù)量)的規(guī)律相對(duì)于在工作循環(huán)中在其先后作用的模塊有一個(gè)相位差，從而使工作軸均勻地轉(zhuǎn)動(dòng)。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的平衡配重可以因此而取消或大大減少。
多個(gè)模塊在一根共用軸上工作時(shí)，各個(gè)模塊便可以公知的方式作為制冷機(jī)運(yùn)行，此時(shí)要將加熱腔一側(cè)的分隔壁進(jìn)行熱輻射或光輻射的屏蔽。
本發(fā)明的其它說(shuō)明可見(jiàn)

圖1至圖6所示的實(shí)施例。
本發(fā)明所述斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)由一個(gè)具有分隔壁2和3的楔形機(jī)殼腔1構(gòu)成，分隔壁制成圓柱體扇形切塊形以提高強(qiáng)度。在機(jī)殼腔1內(nèi)部裝有一個(gè)同樣呈圓柱體扇形切塊形的蓄熱板4，它支承在位于機(jī)殼腔尖端處的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸5上。蓄熱板4將機(jī)殼腔1隔成兩個(gè)分腔6和7，其中分腔6用于加熱，分腔7用于冷卻在蓄熱板4兩側(cè)往復(fù)流動(dòng)的工作氣體，該氣體在本例中為空氣。分腔7與一個(gè)膜盒8構(gòu)成的工作缸相連通，該工作缸又通過(guò)一個(gè)連桿9與一個(gè)工作軸14相連。而且工作軸14通過(guò)第二個(gè)連桿11與蓄熱板4相連。
在本例中，為了利用太陽(yáng)熱能，分隔壁2由一種透光材料制成。為改善效率，可以采用雙層透明蓋板，使光輻射無(wú)阻礙地進(jìn)入分腔6，并防止熱量傳到外界。透氣的光吸收體12平鋪在蓄熱板4上。冷卻由一個(gè)通水的軟管系統(tǒng)13完成，該系統(tǒng)固定在蓄熱板4的另一側(cè)，并在該發(fā)動(dòng)機(jī)工作行程中與后者一起擺動(dòng)。
該發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程如下當(dāng)分腔7的容積最小，即蓄熱板4擺動(dòng)到緊靠分隔壁3之前時(shí)，全部工作空氣處在熱分腔6之內(nèi)。這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的壓力增加，膜盒8膨脹，從而通過(guò)連桿9驅(qū)動(dòng)工作軸14和飛輪10轉(zhuǎn)動(dòng)(見(jiàn)圖1)。
當(dāng)膜盒8達(dá)到其最大容積時(shí)，蓄熱板4開(kāi)始朝分隔壁2的方向擺動(dòng)。與此同時(shí)熱空氣穿過(guò)蓄熱板，將其熱量傳給板上的蓄熱介質(zhì)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)殼內(nèi)的壓力下降(圖2)。
此時(shí)飛輪10通過(guò)連桿9壓縮膜盒8，從而壓縮機(jī)殼內(nèi)的空氣。所產(chǎn)生的壓縮熱量傳給冷卻系統(tǒng)13。同時(shí)蓄熱板4通過(guò)連桿11朝著分隔壁2的方向擺動(dòng)。
只要達(dá)到了膜盒8的下死點(diǎn)，蓄熱板4便朝著分隔壁3(圖3)的方向回?cái)[。此時(shí)壓入的空氣中不僅含有蓄熱板4中儲(chǔ)存的熱量，而且還含有自外界傳入的太陽(yáng)熱能。這便導(dǎo)致機(jī)殼內(nèi)的壓力升高，從而重新使膜盒8膨脹(圖4)。
圖5為一個(gè)由4個(gè)單個(gè)模塊Ⅰ至Ⅳ組成的驅(qū)動(dòng)單元的實(shí)例，在該例中模塊為臥式布置。當(dāng)然各模塊也可以串聯(lián)布置，但本例中所示的由模塊成對(duì)布置構(gòu)成一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元是有利的。
如圖6所示，各個(gè)模塊成對(duì)布置時(shí)，最好使蓄熱板(4)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(5)相互平行，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(5)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)位于轉(zhuǎn)動(dòng)軸端部、機(jī)殼腔(1)之外的平行四邊形連桿(15、16、15′、16′)同步地由工作軸(14)驅(qū)動(dòng)完成。在此例的臥式模塊結(jié)構(gòu)中，當(dāng)一個(gè)模塊的蓄熱板(4)下降時(shí)，第二個(gè)模塊的蓄熱板(4)則升起。這樣便可自動(dòng)地形成每對(duì)模塊內(nèi)的重量平衡，不再需要額外的配重。
在這種由多個(gè)模塊構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)單元中，一個(gè)或每個(gè)模塊可以公知的方式作為制冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。為此只需將相應(yīng)模塊的分腔6加以熱輻射或光輻射的屏蔽即可。
權(quán)利要求
1.斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，具有一個(gè)機(jī)殼腔，該機(jī)殼腔被一個(gè)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的透氣蓄熱板隔成兩個(gè)分腔，其中一個(gè)可以加熱，第二個(gè)設(shè)有一個(gè)冷卻器并與一個(gè)工作缸相連通，工作缸則通過(guò)第一傳動(dòng)裝置與工作軸相連接，并且通過(guò)第二傳動(dòng)裝置與蓄熱板相連接。其特征是，機(jī)殼腔(1)設(shè)置成楔形，蓄熱板(4)擺動(dòng)地支承在機(jī)殼腔尖角的一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸(5)上。
2.如權(quán)利要求1所述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是，蓄熱板(4)和機(jī)殼腔(1)的兩個(gè)蓄熱板相對(duì)的分隔壁(2、3)設(shè)置成圓柱體扇形切塊形，其中，分隔壁(2、3)與蓄熱板(4)的曲率相吻合。
3.如權(quán)利要求1或2所述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是，可加熱的分腔(6)用透光材料制成，與其相對(duì)的蓄熱板表面上設(shè)有一層透氣的光吸收體(12)。
4.如權(quán)利要求3所述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是，光吸收體(12)容積式吸收體。
5.如權(quán)利要求1至4之中任何一項(xiàng)所述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是，朝向第二個(gè)分腔的蓄熱板表面制成可冷卻的。
6.如權(quán)利要求1至5之中任何一項(xiàng)所述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方法，其特征是，有多臺(tái)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)作用在一根共用工作軸(14)上。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，每?jī)膳_(tái)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在一起，其蓄熱板(4)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(5)相互平行，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(5)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)位于轉(zhuǎn)動(dòng)軸端部、機(jī)殼腔(1)之外的平行四邊形連桿(15、16、15′、16′)同步地由工作軸(14)驅(qū)動(dòng)完成。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征是，作用在共用工作軸(14)上的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)中至少有一臺(tái)作為制冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
全文摘要
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有一個(gè)機(jī)殼腔，該機(jī)殼腔被一個(gè)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的透氣蓄熱板隔成兩個(gè)分腔，其中一個(gè)可以加熱，第二個(gè)設(shè)有一個(gè)冷卻器并與一個(gè)工作缸相連通，工作缸則通過(guò)第一傳動(dòng)裝置與工作軸相連接，并且通過(guò)第二傳動(dòng)裝置與蓄熱板相連接，機(jī)殼腔(1)為楔形，蓄熱板擺動(dòng)地支承在機(jī)殼腔尖角的一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。同時(shí)起活塞作用的蓄熱板由于采用了擺動(dòng)的固定方式，其壓排功能通過(guò)繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸的低磨損擺動(dòng)完全地得到實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)F02G1/055GK1064135SQ9110273
公開(kāi)日1992年9月2日 申請(qǐng)日期1991年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1990年4月27日
發(fā)明者于爾根·克萊恩瓦克特, 漢斯·克萊恩瓦克特, ?？斯亍ろf伯 申請(qǐng)人:博明太陽(yáng)公司