太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明所述的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器，涉及一種應用于太陽能光熱型斯特林發(fā)動機的換能部件。其特征在于本發(fā)明是由四組加熱頭組件圓周陣列組成；加熱頭組件包括活塞腔體、回熱腔體、加熱管、溫度傳感器；活塞腔體與回熱腔體裝于安裝與發(fā)動機上，活塞腔體與回熱腔體在發(fā)動機缸體安裝位置上相對相位角為90°；在每對活塞腔體與回熱腔體之間裝有N個加熱管，形成由N個加熱管排列組合而成的太陽光接受曲面；在活塞腔體內(nèi)及加熱管上分別裝有多個溫度傳感器。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)新穎、簡單、加工簡便、降低制造難度、提高了成品率、降低了制造成本等特點，故屬于一種集經(jīng)濟性與實用性為一體的新型太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器。
【專利說明】太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明所述的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器，涉及一種應用于太陽能光熱型斯特林發(fā)動機的換能部件。

【背景技術(shù)】
[0002]斯特林發(fā)動機是一種外部能源供熱的閉式循環(huán)外燃機，具有使用能源范圍廣、轉(zhuǎn)換效率高、運行平穩(wěn)、低污染或無污染運行的特點，是綠色新能源開發(fā)的核心技術(shù)裝備。在太陽能光熱開發(fā)利用上，斯特林發(fā)動機利用大型蝶式聚光跟蹤裝置產(chǎn)生的高溫光熱源工作，通過發(fā)動機換熱器部件、回熱及冷卻換能部件、活塞機構(gòu)轉(zhuǎn)換成機械能驅(qū)動發(fā)電機工作。斯特林太陽能熱電系統(tǒng)無燃燒廢氣排放，無有害氣體、潤滑油污染排放，且不消耗和依賴大量水資源。發(fā)動機制造過程類似于小型內(nèi)燃機，不產(chǎn)生嚴重環(huán)境污染。
[0003]現(xiàn)有的斯特林發(fā)動按照供能方式分為燃氣型和光熱型:1、燃氣型斯特林發(fā)動機由燃氣經(jīng)燃燒器燃燒產(chǎn)生的熱能功能，其換熱器為U型直管列設計排布，主要通過燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣對流換熱；2、太陽能光熱型斯特林機的換熱器多為盤形結(jié)構(gòu)或蝶形結(jié)構(gòu)管列，加熱管外壁接收高能聚光光源輻照換熱。
[0004]太陽能光熱型斯特林機的技術(shù)特征是均采用耐高溫的管作為換熱裝置的主換熱器，并通過換熱管端兩頭匯流通道連接到發(fā)動機活塞和回熱器，形成封閉的工質(zhì)循環(huán)腔道。而已有的技術(shù)主要強調(diào)了彎管過程中的局部工藝優(yōu)化，從而對整套系統(tǒng)的成本和生產(chǎn)效率帶來了有力條件。
[0005]不過現(xiàn)有的太陽能光熱型斯特林發(fā)動機存在下列問題:
[0006]1、換熱器配套的回熱腔數(shù)量過多，鑄造成本過高，合格率低下；
[0007]2、換熱器管件空間延長尺寸過大，無疑容積大、彎管結(jié)構(gòu)復雜，單件成本高；
[0008]3、配套的回熱器和冷卻器等發(fā)動機其他零部件數(shù)量過多，缸體結(jié)構(gòu)復雜，整體成本過高。
[0009]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，研究設計一種新型的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題是十分必要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明的目的是研究設計一種新型的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器。用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的:1、換熱器配套的回熱腔數(shù)量過多，鑄造成本過高，合格率低下；2、換熱器管件空間延長尺寸過大，無疑容積大、彎管結(jié)構(gòu)復雜，單件成本高；3、配套的回熱器和冷卻器等發(fā)動機其他零部件數(shù)量過多，缸體結(jié)構(gòu)復雜，整體成本過高等問題。
[0011]本發(fā)明的所指太陽能斯特林發(fā)動機換熱器系該種類發(fā)動機中的高溫換能部件。外部熱源(聚光光熱)通過換熱器加熱發(fā)動機內(nèi)部工質(zhì)氣體，經(jīng)熱氣循環(huán)過程推動活塞機對外做功，換熱器的換熱效率、可靠性及耐久性是影響斯特林發(fā)動機的重要因素。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實現(xiàn)的:
[0013]本發(fā)明所述的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器；其特征在于所述的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器是由四組加熱頭組件圓周陣列組成；加熱頭組件包括活塞腔體、回熱腔體、加熱管、溫度傳感器；活塞腔體與回熱腔體裝于安裝與發(fā)動機上，活塞腔體與回熱腔體在發(fā)動機缸體安裝位置上相對相位角為90° ;在每對活塞腔體與回熱腔體之間裝有N個加熱管，形成由N個加熱管排列組合而成的太陽光接受曲面；在活塞腔體內(nèi)及加熱管上分別裝有多個溫度傳感器。
[0014]本發(fā)明所述的活塞腔體的下部加工有安裝法蘭，安裝法蘭口與發(fā)動機安裝斷面平行；活塞腔體的軸線與發(fā)動機主軸平行，活塞腔體的頂部加工有插入加熱管的臺階孔，每格臺階孔均有焊接配合空和氣道通氣孔組成，氣道通氣孔與焊接配合孔要求同軸，臺階孔臺階面與軸線要求垂直；焊接配合孔與加熱管之間選擇真空釬焊工藝進行連接，加熱管和孔的單邊間隙為0-0.1mm。
[0015]本發(fā)明所述的回熱腔體的下部加工有安裝法蘭，安裝法蘭口與發(fā)動機安裝斷面平行；回熱腔體的軸線與發(fā)動機主軸平行。
[0016]本發(fā)明所述的活塞腔體、回熱腔體加熱管及溫度傳感器采用高溫合金或耐熱鋼材料制成，連接處采用高溫真空釬焊工藝焊接，使換熱器部件具備耐高溫高壓特性。
[0017]本發(fā)明所述的加熱管迎光面采用球面螺旋線形或梯形螺旋線形設計，每組換熱器由12-18根熱管組成一個換熱面，一臺發(fā)動機由相同的四組換熱器構(gòu)成一個完整的發(fā)動機換能部件，換能部件組成一個內(nèi)球面狀或內(nèi)凹型的受熱面，高能聚光光源較為均勻照射在接受面上位置，使加熱管迎光面各處得到均勻的能量供給；球形面換熱器面積與光熱源能量密度匹配設計，使加熱管表面能流密度處于合適的范圍內(nèi)。
[0018]本發(fā)明所述的每根加熱管均由a、b、c、d、e段組成；每個加熱管的a段和e段是垂直于活塞腔體和回熱腔體上平面，平行于對應臺階孔軸線；每根加熱管的b段、c段和d段根據(jù)不同發(fā)動機功率設計出不同尺寸規(guī)格和弧段，但是各弧段之間采取相切連接，連貫、無急回彎銜接；不同發(fā)動機設計b段、c段和d段尺寸不同同時，弧段數(shù)量可以調(diào)整增加或減少，并保證迎光面所有管段尺寸是一樣的。
[0019]本發(fā)明所述的四個加熱頭組件的加熱管上各設置1-2個溫度傳感器；溫度傳感器釬焊于加熱管光照背側(cè)，能夠充分測得外管壁實際溫度；在活塞腔體的匯流腔內(nèi)側(cè)也裝有一個溫度傳感器，溫度傳感器采用真空釬焊進行焊接，保證溫度傳感器的焊縫處不能夠漏內(nèi)部工作氣體；通過活塞腔體的匯流腔內(nèi)插入溫度傳感器，檢測工質(zhì)溫度，同時通過對比加熱管光照背側(cè)的溫度傳感器的信息，控制整體發(fā)動機工質(zhì)壓力和輸出功率。
[0020]本發(fā)明所述的臺階孔的數(shù)量與加熱管的數(shù)量相同為12-18個。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點是顯而易見的，主要表現(xiàn)在:
[0022]1、本發(fā)明減少了回熱腔數(shù)量，提高了產(chǎn)品合格率、降低了成本。由于加熱頭組件主要零部件均采用高溫合金和耐熱鋼材料。因此從總體成本比例上看材料成本占據(jù)總成本的75%以上。而彎管和焊接成本只占據(jù)25%。由于活塞腔和回熱腔均采用真空熔煉鑄造工藝，相對成品合格率低下，如果減少組件中數(shù)量能夠雙倍提高材料的合格率和成本占有率。同時減少加工工時，從而降低了成本。
[0023]2、現(xiàn)有技術(shù)主要考慮的是傳統(tǒng)彎管工藝及設備條件下管子成形工藝及可行性問題，很難實現(xiàn)較為難度的空間管子的形成。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展彎管設備的自動化程度越來越高，彎管質(zhì)量及精準程度也得到了改善。原先采用手工或半自動彎管方案，均采用大量的工裝模具投入。而現(xiàn)在無需要眾多模具，只是通過數(shù)控彎管機上程序的修正能夠?qū)崿F(xiàn)我們所需要的管子形狀和精度。因此本專利主要結(jié)合先進生產(chǎn)技術(shù)，優(yōu)化并創(chuàng)造性設計了空間的彎管及相關(guān)零件之間的連接方式及順序，從而達到了用管量減少、增加了管子排布致密性，提高了加熱管受熱均勻性，同時降低了成本和制作周期。同時更重要一點是最大限度的減少了無疑容積管段，對發(fā)動機輸出功率提高提供有力條件。
[0024]3、由于回熱腔數(shù)量的減少，配套的回熱器及冷卻器等其他零件數(shù)量也同樣減少了數(shù)量，提高了生產(chǎn)效率，減少了安裝工藝過程，縮短了裝配時間。同時對缸體結(jié)構(gòu)進行了改善，減少了加工孔數(shù)量和缸體鑄造難度，原先有12個安裝法蘭位置更改為8個安裝法蘭位置。
[0025]本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)新穎、簡單、加工簡便、降低制造難度、提高了成品率、降低了制造成本等優(yōu)點，其大批量投入市場必將產(chǎn)生積極的社會效益和顯著的經(jīng)濟效益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]本發(fā)明共有6幅附圖，其中:
[0027]附圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]附圖2加熱頭組件的主視圖；
[0029]附圖3加熱頭組件的俯視圖；
[0030]附圖4加熱頭組件的立體圖；
[0031]附圖5加熱管b、c、d段設計圖；
[0032]附圖6為本發(fā)明的設計布局圖。
[0033]在圖中:1、活塞腔體2、回熱腔體3、加熱管4、溫度傳感器。

【具體實施方式】
[0034]本發(fā)明的具體實施例如附圖所示，太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器；其特征在于所述的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器是由四組加熱頭組件圓周陣列組成；加熱頭組件包括活塞腔體1、回熱腔體2、加熱管3、溫度傳感器4 ;活塞腔體與回熱腔體2裝于安裝與發(fā)動機上，活塞腔體與回熱腔體2在發(fā)動機缸體安裝位置上相對相位角為90° ;在每對活塞腔體與回熱腔體2之間裝有N個加熱管3，形成由N個加熱管3排列組合而成的太陽光接受曲面；在活塞腔體內(nèi)及加熱管3上分別裝有多個溫度傳感器4。
[0035]活塞腔體的下部加工有安裝法蘭，安裝法蘭口與發(fā)動機安裝斷面平行；活塞腔體的軸線與發(fā)動機主軸平行，活塞腔體的頂部加工有插入加熱管3的臺階孔，每格臺階孔均有焊接配合空和氣道通氣孔組成，氣道通氣孔與焊接配合孔要求同軸，臺階孔臺階面與軸線要求垂直；臺階孔的數(shù)量與加熱管3的數(shù)量相同為12-18個；焊接配合孔與加熱管3之間選擇真空釬焊工藝進行連接，加熱管3和孔的單邊間隙為0-0.1_。
[0036]回熱腔體2的下部加工有安裝法蘭，安裝法蘭口與發(fā)動機安裝斷面平行；回熱腔體2的軸線與發(fā)動機主軸平行。
[0037]活塞腔體、回熱腔體2加熱管3及溫度傳感器4采用高溫合金或耐熱鋼材料制成，連接處采用高溫真空釬焊工藝焊接，使換熱器部件具備耐高溫高壓特性。
[0038]加熱管3迎光面采用球面螺旋線形或梯形螺旋線形設計，每組換熱器由12-18根熱管組成一個換熱面，一臺發(fā)動機由相同的四組換熱器構(gòu)成一個完整的發(fā)動機換能部件，換能部件組成一個內(nèi)球面狀或內(nèi)凹型的受熱面，高能聚光光源較為均勻照射在接受面上位置，使加熱管3迎光面各處得到均勻的能量供給；球形面換熱器面積與光熱源能量密度匹配設計，使加熱管3表面能流密度處于合適的范圍內(nèi)。
[0039]四個加熱頭組件的加熱管3上各設置1-2個溫度傳感器；溫度傳感器4釬焊于加熱管3光照背側(cè)，能夠充分測得外管壁實際溫度；在活塞腔體的匯流腔內(nèi)側(cè)也裝有一個溫度傳感器4，溫度傳感器4采用真空釬焊進行焊接，保證溫度傳感器4的焊縫處不能夠漏內(nèi)部工作氣體；通過活塞腔體的匯流腔內(nèi)插入溫度傳感器，檢測工質(zhì)溫度，同時通過對比加熱管3光照背側(cè)的溫度傳感器4的信息，控制整體發(fā)動機工質(zhì)壓力和輸出功率。
[0040]每根加熱管3均由a、b、c、d、e段組成；每個加熱管3的a段和e段是垂直于活塞腔體1和回熱腔體2上平面，平行于對應臺階孔軸線；每根加熱管3的b段、c段和d段根據(jù)不同發(fā)動機功率設計出不同尺寸規(guī)格和弧段，但是各弧段之間采取相切連接，連貫、無急回彎銜接；不同發(fā)動機設計b段、c段和d段尺寸不同同時，弧段數(shù)量可以調(diào)整增加或減少，并保證迎光面所有管段尺寸是一樣的。
[0041]每根管子的a段、b段、c段均一樣的尺寸構(gòu)成，但由于插入到回熱器的臺階孔相對位置不同，同時考慮簡化生產(chǎn)工序和零部件種類考慮，加熱管3的d段和e段采取了不同的彎曲半徑和角度。加熱管的設計主要滿足光照面積達到發(fā)動機設計需求同時最大限度的減少無疑容積和通道容積，這是對整個斯特林發(fā)動機至關(guān)重要的。如附圖所示，通過對加熱管b段及c段弧度及尺寸調(diào)整尋找合適的螺旋排布尺寸，達到前后管子之間凈間距減小到0.2?1mm之內(nèi)，增加光線照射到加熱管上的比例，減少漏光、減少熱量損失。由于空間走管需求，回熱腔上面的N個臺階孔以發(fā)動機主軸作為原點，在不同的同心圓上間隔同等角度均勻陣列布置，具體間隔角度取決于排列管數(shù)量。具體數(shù)值為360° /排列管數(shù)量。這樣做出來管子整體間距均勻、接受陽光管端長短一致，同時保證能量吸收一致，不會出現(xiàn)局部管端過熱現(xiàn)象。
[0042]本發(fā)明的所有零件通過真空釬焊工藝一體焊接組成斯特林發(fā)動機工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)“能量接收器”。四缸雙作用斯特林發(fā)動機安裝四組換熱器組件成為發(fā)動機的熱量輸入換熱器。每組換熱器通過活塞腔1零件和回熱腔2零件與發(fā)動機體密封連接。加熱管3工作溫度達到管壁溫度760°C，工質(zhì)氣體最高壓力20MPa，氣體在管內(nèi)往復循環(huán)吸取外部熱量，以熱力循環(huán)做功實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。
[0043]太陽能型斯特林發(fā)動機換熱器設計兼顧發(fā)動機熱力循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)匹配和換熱能力量方面要求，在結(jié)構(gòu)和工藝上滿足發(fā)動機總體性能要求和制造工藝要求。加熱管3、溫度傳感器套4、活塞腔體1、回熱腔體2材料均采用高溫合金或耐熱鋼材料制造，相互的連接采用高溫真空釬焊工藝焊接，使換熱器部件具備耐高溫高壓特性。
[0044]加熱管3迎光面采用球面螺旋線形或梯形螺旋線形設計，每組換熱器由12?18根加熱管3組成一個換熱面，一臺發(fā)動機由相同的四組加熱頭組件構(gòu)成一個完整的發(fā)動機換能部件，加熱頭組件組成一個內(nèi)球面狀或內(nèi)凹型的受熱面，高能聚光光源較為均勻照射在接受面上位置，使加熱管迎光面各處得到均勻的能量供給。球形面換熱器面積與光熱源能量密度匹配設計，使加熱管表面能流密度處于合適的范圍內(nèi)。
[0045]以上所述，僅為本發(fā)明的較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，所有熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明公開的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其本發(fā)明的構(gòu)思加以等同替換或改變均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器；其特征在于所述的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器是由四組加熱頭組件圓周陣列組成；加熱頭組件包括活塞腔體(I)、回熱腔體(2)、加熱管(3)、溫度傳感器(4);活塞腔體(I)與回熱腔體(2)裝于安裝與發(fā)動機上，活塞腔體(I)與回熱腔體(2)在發(fā)動機缸體安裝位置上相對相位角為90° ;在每對活塞腔體⑴與回熱腔體⑵之間裝有N個加熱管(3)，形成由N個加熱管(3)排列組合而成的太陽光接受曲面；在活塞腔體(I)內(nèi)及加熱管(3)上分別裝有多個溫度傳感器(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器，其特征在于所述的活塞腔體(I)的下部加工有安裝法蘭，安裝法蘭口與發(fā)動機安裝斷面平行；活塞腔體(I)的軸線與發(fā)動機主軸平行，活塞腔體(I)的頂部加工有插入加熱管(3)的臺階孔，每格臺階孔均有焊接配合空和氣道通氣孔組成，氣道通氣孔與焊接配合孔要求同軸，臺階孔臺階面與軸線要求垂直；焊接配合孔與加熱管(3)之間選擇真空釬焊工藝進行連接，加熱管(3)和孔的單邊間隙為0-0.1mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器，其特征在于所述的回熱腔體(2)的下部加工有安裝法蘭，安裝法蘭口與發(fā)動機安裝斷面平行；回熱腔體(2)的軸線與發(fā)動機主軸平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器，其特征在于所述的活塞腔體(I)、回熱腔體(2)加熱管(3)及溫度傳感器(4)采用高溫合金或耐熱鋼材料制成，連接處采用高溫真空釬焊工藝焊接，使換熱器部件具備耐高溫高壓特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器，其特征在于所述的加熱管(3)迎光面采用球面螺旋線形或梯形螺旋線形設計，每組換熱器由12-18根熱管組成一個換熱面，一臺發(fā)動機由相同的四組換熱器構(gòu)成一個完整的發(fā)動機換能部件，換能部件組成一個內(nèi)球面狀或內(nèi)凹型的受熱面，高能聚光光源較為均勻照射在接受面上位置，使加熱管(3)迎光面各處得到均勻的能量供給；球形面換熱器面積與光熱源能量密度匹配設計，使加熱管(3)表面能流密度處于合適的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器，其特征在于所述的每根加熱管⑶均由a、b、c、d、e段組成；每個加熱管(3)的a段和e段是垂直于活塞腔體(I)和回熱腔體⑵上平面，平行于對應臺階孔軸線；每根加熱管⑶的b段、c段和d段根據(jù)不同發(fā)動機功率設計出不同尺寸規(guī)格和弧段，但是各弧段之間采取相切連接，連貫、無急回彎銜接；不同發(fā)動機設計b段、c段和d段尺寸不同同時，弧段數(shù)量可以調(diào)整增加或減少，并保證迎光面所有管段尺寸是一樣的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器，其特征在于所述的四個加熱頭組件的加熱管(3)上各設置1-2個溫度傳感器；溫度傳感器(4)釬焊于加熱管(3)光照背側(cè)，能夠充分測得外管壁實際溫度；在活塞腔體(I)的匯流腔內(nèi)側(cè)也裝有一個溫度傳感器(4)，溫度傳感器(4)采用真空釬焊進行焊接，保證溫度傳感器(4)的焊縫處不能夠漏內(nèi)部工作氣體；通過活塞腔體(I)的匯流腔內(nèi)插入溫度傳感器，檢測工質(zhì)溫度，同時通過對比加熱管(3)光照背側(cè)的溫度傳感器(4)的信息，控制整體發(fā)動機工質(zhì)壓力和輸出功率。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽能斯特林發(fā)動機加熱頭換熱器，其特征在于所述的臺階孔的數(shù)量與加熱管⑶的數(shù)量相同為12-18個。
【文檔編號】F02G1/055GK104265499SQ201410473202
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】王振聲, 阿古達木 申請人:大連宏海新能源發(fā)展有限公司