[其他]以空气为工作流体的斯特林发动机

说明书

随着斯特林发动机的重新受到关注，人们对它的兴趣日益浓厚，并已经作出了大量努力以改善其设计，在一部题为《斯特林发动机》的专著中，对斯特林发动机的基本工作原理作了阐述，这部专著的作者是吉·沃尔克（G.Walker），1980年出第一版。就其原理来说，斯特林发动机基本上是靠工作流体（气体）的加热与冷却来工作的，即借助该气体工质的膨胀与压缩来做有用功，在上面提到的专著中列举了多种斯特林机设计，以及它们各自的优点。

众多的斯特林发动机设计方案，都以比空气轻的气体来作工作流体，如采用氢气或氦气，因为这些气体的导热系数较高，比热较小，粘度较低。尽管使用这类气体有许多优点，但由于有一个十分重要的要求，即工作气体的总质量必须保持不变，因此就要求工作气体的循环在密封条件下进行。

以空气作为循环工质来取代较轻气体的斯特林机设计方案已经问世。与工质轻于空气而且其总质量固定的发动机相比较，以空气为循环工质的斯特林发动机有一个显著的优点，即对其工作空间与环境大气之间密封的要求可以降低。现行的以氢气和氦气为工质的发动机，在活塞与十字头销之间的连杆上采用滑动密封。因为这种设计要求有一定的容隙，为了提供这样的容隙，势必要增加发动机的高度，牺牲一部分容积。而对于在空气环境中工作的以空气为循环工质的发动机，如有任何泄漏，可以很容易地从周围环境得到补充，因此不必密封得十分严密，从而不仅可以避免采用复杂精细的密封措施，而且可以对简化了密封措施后节省下的容积和重量加以利用。

然而由于空气的传递性能与流体性能很差（就是说，导热率较低，比热较小，粘性较大），迄今为止已设计出来的以空气作循环工质的斯特林发动机尚未令人十分满意。为弥补空气较差的流体性质所作的各种尝试，得到的一般都是非常笨重而效率很差的发动机，其功率与重量之比低。到目前为止，只有在速度较低，比功率也较小的条件下空气循环发动机的效率才有可能与采用较轻气体作循环工质的发动机相比较，因此，它们的应用受到了限制。

针对上述问题，本发明的主要目的就是提供一种以空气为循环工质的斯特林发动机，这种发动机效率较高，并且在高转速，高输出功率的运行条件下，可以同以比空气轻的气体为循环工质的发动机相比美，从而能够广泛应用。

本发明进一步的目的，就是要使所提供的这种以空气为循环工质的斯特林发动机具有比较简单的结构，造价比较便宜。

本发明的另一个目的，就是要在所提供的斯特林发动机中，消除以比空气轻的气体为循环工质的发动机的某些缺点，特别是其苛刻的密封要求。

本发明提出一种空气循环斯特林发动机，这种发动机对于诸如氢气循环或氦气循环之类的斯特林发动机而言，是一种有生命力的替代型，在这方面，以空气作为循环工质的一些原有缺陷，通过采用一种改进的换热器设计，已经克服了。不仅如此，本发明所提出的这种热交换器设计，还使得与诸如氢气循环发动机的重量及体积相当的空气循环发动机，具有更简单，更便宜，可靠性更高的结构。

就这方面来说，本发明提出一种热交换器组件，这种组件把加热器蓄热器和冷却器以分层叠置的方式集中装在燃烧室的周围，形成一个结构紧凑，造价低廉的部件。对换热器管路结构，蓄热器以及冷却器的特殊设计，既保证了空气循环发动机所必要的紧凑的结构情况下有效的热传递，也作到了结构简单，造价低廉。

上述的各项目标以及各种优点，都将通过本发明而得以实现。对此之描述应参照下列附图，其中：

图1是表示采用本发明特点的斯特林发动机的局部剖开的侧视图;

图2是采用本发明技术内容的斯特林发动机的局部剖开的俯视图;

图3是一示意图，表示热交换器组件与膨胀和压缩活塞之间的相互关系;

图4是采用本发明技术内容的换热器组件的局部剖开的分解部件图;

图4a是采用本发明技术内容的加热管件组装后的剖视图;

图5是放大的局部剖开俯视图，表示安装在斯特林发动机内的换热器组件的一部分;

图6是沿斯特林发动机中膨胀活塞轴向观察的局部剖视图;

图7是装在如图6所示的斯特林发动机内的换热器组件的放大了的侧向剖视图。

更具体地看，附图中基本表示出了以空气作为循环工质的斯特林发动机10，此发动机有外壳12，壳内装着热交换器14，这个交换器包括一组由单根加热管18排成的加热管阵列16，一个蓄热器20和一个冷却器22，这些部件一层压一层地安装在燃烧室24周围，如图1和图2中所示。