專利名稱：斯特林發(fā)動機(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)動機(jī)，它具有一個帶有許多近似彎成U形的加熱細(xì)管的可加熱的氣缸蓋，以及一個工作氣體的冷卻器。
斯特林發(fā)動機(jī)有許多已知的形式。這里以DE 4 016 238 C2作為這種發(fā)動機(jī)和蒸汽發(fā)生器結(jié)合的例子。
這類斯特林發(fā)動機(jī)的基本原理在于，一定容積的氣體(現(xiàn)在基本上用氦氣)被兩個活塞強(qiáng)迫在斯特林發(fā)動機(jī)內(nèi)部作往復(fù)運動。在發(fā)動機(jī)的一端，氦氣在加熱細(xì)管中被氣體燃燒器的火焰加熱，而在另一端氦氣由冷卻器冷卻。中間是一個熱回收器，在氣體從加熱端到冷卻端的過程中從氣體中提取熱量，并將熱量在回流過程中又供給氣體。兩個活塞之間連接有傳動齒輪箱，因此可以例如通過發(fā)電機(jī)引出動力。兩個活塞相互平行或反向地作交替運動，因此氣體由一個活塞壓縮，然后利用另一個活塞在輸入熱量之后而再次膨脹。
除了機(jī)械問題以外，人們還發(fā)現(xiàn)了一個疑難問題，即一方面要優(yōu)化燃燒器火焰的熱量傳遞給加熱細(xì)管的過程，而另一方面又要優(yōu)化冷卻器。相應(yīng)于權(quán)利要求1前序部分的斯特林發(fā)動機(jī)由DE 2 821 164 A1已知。該文獻(xiàn)所公開的高溫氣體發(fā)動機(jī)與前述能量問題無關(guān)，這一點也可適用于現(xiàn)有技術(shù)所述的其它解決方案。例如，DE 3 444 995 A1說明了在相應(yīng)渦輪機(jī)中的紊流裝置。
此外，由DE 4 232 555 A1或例如由DE 4 401 247 A1已知冷卻器，這種冷卻器的冷卻體具有一個在外部環(huán)繞并流過冷卻液的螺旋槽。這種開有螺旋槽的冷卻體制造起來比較昂貴，而且冷卻液總是在途經(jīng)螺旋槽時被加熱，因此這種冷卻體不可能進(jìn)行最佳設(shè)計。
本發(fā)明的目的是為了優(yōu)化斯特林發(fā)動機(jī)中的能量平衡，特別是提供這樣一種解決方案，利用它改進(jìn)對加熱細(xì)管的熱量傳遞和冷卻器的效率。
在一種本文開頭所述類型的斯特林發(fā)動機(jī)中，按本發(fā)明，上述目的是這樣實現(xiàn)的流過工作介質(zhì)的加熱細(xì)管的朝外的管段至少局部帶有陶瓷背圈，以使加熱氣體的流動最優(yōu)化。
在這里所討論的結(jié)構(gòu)中，加熱器通常包括兩組同軸的細(xì)管，這些管子圍著同一中心排成圓形，并經(jīng)管子彎頭連成U型的加熱器細(xì)管，其中，細(xì)管的一端與膨脹室相連，另一端與熱回收器相連。
考慮到內(nèi)側(cè)的熱傳遞技術(shù)，設(shè)置成圓環(huán)形的細(xì)管組有利地相互并置，但由于幾何空間的原因，外側(cè)的細(xì)管組自然就排列得比較疏，因此廢氣流在縫隙間速度減慢，熱量傳遞變差。正如定義所討論類型的說明書中指出的，迄今所采取的應(yīng)付措施是，將外側(cè)的細(xì)管設(shè)計成加肋管，例如在管子上焊加熱傳遞肋，這必然涉及很大的費用，從而被證明不夠經(jīng)濟(jì)。
在本發(fā)明中，利用帶陶瓷導(dǎo)流元件的背圈，如為一種陶瓷背圈，用經(jīng)濟(jì)、可承受的手段優(yōu)化了外側(cè)細(xì)管周圍氣體的流動。
陶瓷背圈的部件可有利地由橫斷面近似為T型的陶瓷成型元件構(gòu)成，其中，T立股在相鄰的細(xì)管之間由外指向內(nèi)，T頭部蓋住細(xì)管外側(cè)局部。從這一點看，應(yīng)當(dāng)指出，冷卻管上的導(dǎo)流元件本身是已知的，例如JP 61-226 547-A中所示的那樣。
為了保證外側(cè)細(xì)管外表面和陶瓷背圈間的規(guī)定的流動通道，本發(fā)明規(guī)定，在陶瓷背圈的內(nèi)表面特別是在從T立股向T頭部的過渡區(qū)域，為形成環(huán)流或穿流間隙設(shè)有間距定位裝置。這種間距定位裝置可以是澆注在陶瓷上的小隔肋，如果需要，也可以是點狀的圓形陶瓷凸起或陶瓷圓點或類似的結(jié)構(gòu)。
按本發(fā)明還規(guī)定，加熱細(xì)管頂部的彎曲部分設(shè)有一個陶瓷環(huán)形蓋，其中，為了優(yōu)化經(jīng)過外側(cè)細(xì)管自由空間的橫向流動，陶瓷環(huán)形蓋有一個帶流動隔肋的頂部盤，因此在環(huán)形蓋內(nèi)表面和頂部彎曲部分的外表面間沒有間隙。
為了使冷卻器的致冷能力最佳，本發(fā)明規(guī)定，冷卻器為一塊被冷卻水環(huán)繞的帶有徑向肋的輕金屬體，位于鍋形殼體內(nèi)，徑向肋相互之間的間隔比徑向肋外邊緣到殼體內(nèi)壁的間隙寬。這個冷卻塊能很容易就特別有效地致冷是因為，它可確保全部的冷卻液從徑向肋之間的間隙中通過。
為保證冷卻水只通過冷卻體內(nèi)部一條特別短的路線，以獲得好的致冷效果，本發(fā)明在邊緣至少開兩個跨經(jīng)所有徑向肋的槽，這樣就形成了冷卻水的入流和出流。這樣通過冷卻器中的一個槽，冷卻水就能被分流到所有冷卻肋之間的間隙中去，并且冷卻水可以從另一邊的槽中流出，所以每股冷卻水實際上繞了半圈。長的路線，例如已知的螺旋冷卻肋就由此可靠地避免了。
按本發(fā)明，向內(nèi)偏移一段距離，有鉆孔或軸向肋，用于要冷卻的工作氣體。
為了解決容納冷卻體的鍋形殼體和冷卻體間的密封問題，采取了一些簡單措施，本發(fā)明規(guī)定，冷卻體至少在其與殼體底部相應(yīng)的底部表面，設(shè)有環(huán)形密封圈。
更進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)上的簡單設(shè)計在于，冷卻體在其朝向加熱器的邊緣表面上設(shè)有一個帶有至少一個環(huán)形密封圈的向外指的密封凸緣。環(huán)形密封圈可做為密封裝置，不受軸向載荷。當(dāng)然，作為環(huán)形密封圈的補(bǔ)充，在冷卻體的圓柱形外壁上設(shè)適當(dāng)?shù)拿芊庋b置。
為了防止或處理可能的泄漏，本發(fā)明規(guī)定，在殼體的與冷卻器凸緣共同作用的邊緣區(qū)域設(shè)有一個排流裝置。
下面參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖中

圖1為一種帶加熱器細(xì)管和冷卻器的斯特林發(fā)動機(jī)的簡化的原理圖，圖2是大致沿圖1中Ⅱ-Ⅱ線剖開加熱頭的放大的截面圖，圖3用簡單立體圖示出了陶瓷背圈的一個元件，圖4用比較視圖示出了陶瓷背圈的細(xì)節(jié)，圖5為帶有陶瓷背圈的細(xì)管底部的細(xì)節(jié)截面圖，圖6示出了陶瓷頂蓋，圖7用簡單立體圖示出了冷卻體，以及圖8為大致沿圖7中Ⅷ-Ⅷ線通過帶有冷卻體的殼體的局部區(qū)域的細(xì)節(jié)剖視圖。
大為簡化地示于圖1中、總的用1表示的斯特林發(fā)動機(jī)包括一個被燃燒器的火焰加熱、總的用3表示的氣缸蓋，它帶有許多U型彎曲加熱細(xì)管4；一個畫出了輪廓的熱回收器5；一個相鄰的冷卻體6；一個驅(qū)氣活塞7；一個作功活塞8；以及，一個傳動齒輪箱9，這里不提及任何傳動齒輪箱的細(xì)節(jié)。
正如前面已說明的，被火焰2加熱的氣缸蓋3包括許多加熱細(xì)管4，與氣缸蓋相關(guān)，這些加熱細(xì)管由內(nèi)側(cè)直的管段4a，相應(yīng)的彎頭4b和外側(cè)的管段4c構(gòu)成，其中，管段4a處接入膨脹室7a，而外側(cè)的管段4c導(dǎo)入熱回收器5。
正如圖2中詳細(xì)表示的，從幾何圖形上看，內(nèi)側(cè)的管段4a互相之間排列得較密，而外側(cè)管段4c則相對較疏。內(nèi)側(cè)管段4a為廢氣提供了優(yōu)良的流動條件，流動路線見圖1和圖2中箭頭10所示。
為了使氣體在相隔較遠(yuǎn)的外側(cè)管段4c之間有同樣優(yōu)良的流動路線，外側(cè)管段4c具有陶瓷背圈11。陶瓷背圈11由各個橫斷面近似為T型的陶瓷成型元件12組成，各陶瓷成型元件12有一個由內(nèi)向外延伸的T立股12a和一個T頭部12b,T頭部12b在管段4c的外側(cè)，并保留一段間隙。
這個間隙的形成是這樣實現(xiàn)的陶瓷成型元件12的內(nèi)側(cè)表面在T立股12a和T頭部12b間的過渡區(qū)域有恰好緊貼靠著外側(cè)管段4c的加強(qiáng)肋13。由此，廢氣在外側(cè)管段4c的周圍獲得了與內(nèi)側(cè)管段4a周圍同樣的流動條件。
為了在外側(cè)管段4c區(qū)域獲得有利的橫向流動，在本發(fā)明中，在上面蓋上一個陶瓷環(huán)形蓋14，這個環(huán)形蓋14具有用于陶瓷元件12頂部區(qū)域的定位凸緣15。
在圖5中還示出了每個陶瓷元件12的底部區(qū)域是如何被定位在缸壁17內(nèi)的，這時，在那里設(shè)有一個固定相應(yīng)的底部區(qū)域的定位凸緣18。
圖7和8所示的斯特林發(fā)動機(jī)1的冷卻器6，基本上由一塊輕金屬冷卻塊20組成，該冷卻塊裝在鍋形殼體21內(nèi)，殼體21具有入流22和空間位置相對、在圖8中未示出的冷卻水出流。
冷卻塊20被設(shè)計為一塊輕金屬體，具有許多平行的外部環(huán)繞的徑向肋23，這些徑向肋23在其間形成了流動通道24，并且徑向肋和殼體21內(nèi)壁間有一段比較窄的間隙25，這段間隙明顯比每個流動通道24的寬度窄。在兩側(cè)，在冷卻水的入口22和相對的冷卻水出口區(qū)域，在冷卻體20上設(shè)兩個軸向槽26，軸向槽26跨經(jīng)了所有的徑向肋23，通過軸向槽26將經(jīng)過的冷卻水分流到各個流動通道24，或者，冷卻水由軸向槽26得以排走。
位置更靠里，冷卻塊20具有許多軸向鉆孔28，它們也可以是許多肋，作為要冷卻的工作介質(zhì)的相應(yīng)流動通道。
為了最有效地把冷卻塊20相對相鄰的部件密封，冷卻塊在其面向殼體下部的底部20a在圖示實施例中有兩個軸向密封圈29，在其上側(cè)有一個徑向密封圈30和另一個軸向密封圈31，如圖8所特別示出的那樣，其上側(cè)被設(shè)計成一個徑向向外的密封凸緣32。
最后，可以在殼體21的與冷卻塊20凸緣32共同作用的區(qū)域33，以及在兩個缸底密封圈29之間的區(qū)域34，設(shè)一個排流槽或類似的結(jié)構(gòu)，以便泄漏的冷卻水流出，這一點只在圖8中示意示出。
當(dāng)然，在不脫離本發(fā)明基本思路的情況下，可在許多方面對本發(fā)明的上面描述的實施方案進(jìn)行變化。
權(quán)利要求
1．一種斯特林發(fā)動機(jī)，它具有一個設(shè)有許多近似彎成U形的加熱細(xì)管的可加熱的氣缸蓋，并具有一個冷卻器，其特征在于流過工作介質(zhì)的加熱細(xì)管(4)朝外的管段(4c)至少局部帶有陶瓷背圈，以使加熱氣體的流動(10)最優(yōu)化。
2．按照權(quán)利要求1所述的斯特林發(fā)動機(jī)，其特征在于陶瓷背圈(11)的部件由橫斷面近似為T型的陶瓷成型元件(12)構(gòu)成，T立股(12a)在相鄰的細(xì)管(4)之間由外指向內(nèi)，T頭部(12b)蓋住細(xì)管(4c)外側(cè)局部。
3．按照權(quán)利要求1或2所述的斯特林發(fā)動機(jī)，其特征在于內(nèi)表面尤其是在從T立股(12a)向T頭部(12b)的過渡區(qū)域，為形成環(huán)流或穿流間隙設(shè)有間距定位裝置(13)。
4．按照上述權(quán)利要求之一所述的斯特林發(fā)動機(jī)，其特征在于加熱細(xì)管(4)的頂部彎曲部分(4b)設(shè)有陶瓷環(huán)形蓋(14)。
5．按照權(quán)利要求4所述的斯特林發(fā)動機(jī)，其特征在于陶瓷環(huán)形蓋(14)上有一個帶隔肋(15)的頂部盤，使環(huán)形蓋(14)內(nèi)表面(16)和頂部彎曲部分(4b)的外表面間沒有間隙。
6．按照權(quán)利要求4或5所述的斯特林發(fā)動機(jī)，其特征在于在陶瓷環(huán)形蓋(14)和殼體壁(17)上有定位凸緣(15或18)，分別用于固定陶瓷元件(12)的頂部和底部。
7．一種斯特林發(fā)動機(jī)，它具有一個設(shè)有許多近似彎成U形的加熱細(xì)管的可加熱的氣缸蓋，并具有一個冷卻器，特別是按照上述權(quán)利要求之一所述的斯特林發(fā)動機(jī)，其特征在于冷卻器在一鍋形的殼體(21)內(nèi)設(shè)計成被冷卻水環(huán)繞的、帶若干徑向肋的輕金屬體(20)，其中，徑向肋(23)相互之間的間隔比徑向肋外邊緣到殼體內(nèi)壁的間隙(25)寬。
8．按照權(quán)利要求7所述的斯特林發(fā)動機(jī)，其特征在于在邊緣至少開兩個跨經(jīng)所有徑向肋(23)的槽(27)，以形成冷卻液的入流和出流。
9．按照權(quán)利要求7或隨后一項權(quán)利要求所述的斯特林發(fā)動機(jī)，其特征在于冷卻體(20)至少在其與殼體底部相應(yīng)的底部表面設(shè)有環(huán)形密封圈(29)。
10．按照權(quán)利要求7或隨后一項權(quán)利要求所述的斯特林發(fā)動機(jī)，其特征在于冷卻體(20)在其朝向加熱器的邊緣表面上設(shè)有一個帶環(huán)形密封圈(31)的向外指的密封凸緣(32)。
全文摘要
一種斯特林發(fā)動機(jī),它具有一個設(shè)有許多近似彎成U形的加熱細(xì)管的可加熱的氣缸蓋,并具有一個冷卻器,利用這種發(fā)動機(jī)來優(yōu)化其中的能量平衡。特別是,提出這樣一種方案,利用它來改善對加熱細(xì)管的熱量傳遞和冷卻器的工作效率。上述方案是這樣實現(xiàn)的:流過工作介質(zhì)的加熱細(xì)管(4)朝外的管段(4c)至少局部帶有陶瓷背圈(11),以使加熱氣體的流動(10)最優(yōu)化;冷卻器在一鍋形的殼體(21)內(nèi)設(shè)計成被冷卻水環(huán)繞的、帶若干徑向肋的輕金屬體(20),其中,徑向肋(23)相互之間的間隔比徑向肋外邊緣到殼體內(nèi)壁的間隙(25)寬。
文檔編號F02G1/055GK1217765SQ97194116
公開日1999年5月26日 申請日期1997年3月21日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月29日
發(fā)明者蒂姆·郎爾曼 申請人:Sipra專利發(fā)展合作股份有限公司