一种低流阻的斯特林发动机回热器

1.本发明涉及斯特林发动机回热器，具体是涉及一种低流阻的斯特林发动机回热器。


背景技术：

2.斯特林发电机是斯特林发动机和直线电机的耦合系统，可以将热能转换成电能或动能。作为一种外燃式热机，它的能量来源广泛，几乎可以利用现有的所有热源，并且对热源的品质要求不高。最重要的是，在热电转换过程中，不会对造成任何环境污染问题。此外，斯特林发动机遵循斯特林循环，其理想效率可以达到最高的热力学效率，因此其组成的斯特林发电机也具有较高的发电效率。
3.按照活塞支撑形式和传动机构的不同，斯特林发动机又可以分为曲柄连杆斯特林发动机和自由活塞斯特林发动机。后者取消了传统斯特林发动机的曲轴连杆结构，其动力活塞和配气活塞运动没有机械结构的限制。因此具有磨损小、机械效率高、免维护、自启动、噪声低、振动小等优点。其中自由活塞斯特林发动机主要由加热器、回热器、冷却器、配气活塞、动力活塞和板弹簧等组成。加热器、回热器和冷却器三器共同组成了斯特林发动机的热交换部件，实现内部工质的热胀冷缩，推动活塞运动。斯特林发电机的运行频率较高时，热交换更频繁，回热器内的流阻损失不断增加，导致斯特林发电机的工作效率严重下降。
4.传统的自由活塞斯特林发电机回热器就像一块热力海绵，热半周期时，工质由热端向冷端进行流动，回热器吸取工质的热量并存储下来；冷半周期时，工质由冷端向热端进行流动，回热器将存储的热量释放给工质，如此交替的进行吸放热，实现斯特林发动机的回热，提高热效率。因此，传统自由活塞式斯特林发电机是依靠多孔丝网结构来作为蓄热器件的。多孔丝网结构一般为不锈钢、铝等金属材料，具有较好的导热能力和径向刚度。但是，多孔丝网存在较大的流阻损失，回热器中的流阻损失占整个斯特林发电机流阻损失的87％以上，随着斯特林发电机逐步高频化，流阻损失也逐步增大，严重制约了斯特林发电机功率和效率的提高。减小流阻损失就要求回热器丝网有较大的流通容积，较大的孔隙率；而要提高回热器的传热能力需要回热器传热面积大、孔隙率小，两者相互矛盾，严重制约了回热器效率的提高。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种低流阻的斯特林发动机回热器，在保证高蓄热能力的同时，减小了流动阻力，大幅度的提高回热器的效率；另外防止了孔眼堵塞，工质不流通现象的发生，提高了可靠性和使用寿命。
6.本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种低流阻的斯特林发动机回热器，包括热端回热器和冷端回热器，所述热端回热器包括热端回热环体，热端回热环体内设有热端回热通道，热端回热通道采用特斯拉阀结构，特斯拉阀纵向上从热端回热环体的一开口端延伸至另一开口端，特斯拉阀横向上沿热端回热环体的圆周分布；热端回热通道的特
斯拉阀使工质从热端到冷端正向导通，使工质从冷端到热端反向截止；
7.所述冷端回热器包括冷端回热环体，冷端回热环体内设有冷端回热通道，冷端回热通道采用特斯拉阀结构；特斯拉阀纵向上从冷端回热环体的一开口端延伸至另一开口端，特斯拉阀横向上沿冷端回热环体的圆周分布；冷端回热通道的特斯拉阀使工质从冷端到热端正向导通，使工质从热端到冷端反向截止。
8.进一步，所述特斯拉阀由多个阀单元组成，每个阀单元内设有翼状阻流物，每个阀单元通过翼状阻流物分成主阀道单元和支阀道单元，沿热端回热通道纵向剖视，主阀道单元的截面形状为：主阀道单元呈直线流道；支阀道单元的截面形状为：支阀道单元呈曲线流道，支阀道单元包括底部圆弧段和两侧直线段，底部圆弧段和两侧直线段连接成曲线流道，主阀道单元与支阀道单元相连，主阀道单元的截面沿热端回热环体或冷端回热环体的圆周方向延伸形成环状结构的主阀道单元，支阀道单元的截面沿热端回热环体或冷端回热环体的圆周方向延伸形成环状结构的支阀道单元，多个主阀道单元组成主阀道，主阀道是工质流通的主通道，多个支阀道单元组成支阀道，支阀道是工质流通的辅助通道。
9.进一步，所述翼状阻流物为圆环结构，翼状阻流物的圆心位置和支阀道圆心位置重合，翼状阻流物通过固定板固定于阀单元内。
10.进一步，每个支阀道单元内设有不锈钢丝网，不锈钢丝网为圆环结构，不锈钢丝网设于支阀道单元的底部圆弧结构内。
11.进一步，所述不锈钢丝网由单片丝网堆叠而成，丝网为方孔网，网间留有孔隙供气体流通。
12.与现有技术相比，本发明的优点如下：
13.本发明回热器采用特斯拉阀结构，并对特斯拉阀进行改进，通过不锈钢丝网极大增加了回热器反向截止时的流阻，使气体工质更难以流通；同时不锈钢丝网有较大的传热面积，增强了其热交换能力，使气体的热量得以保留。在保证高蓄热能力的同时，减小了流动阻力，大幅度的提高回热器的效率；另外防止了孔眼堵塞，工质不流通现象的发生，提高了可靠性和使用寿命。
附图说明
14.图1是本发明实施例的结构示意图。
15.图2是图1所示实施例的热端回热器正向导通，冷端回热器反向截止的示意图。
16.图3是图1所示实施例的冷端回热器正向导通，热端回热器反向截止的示意图。
17.图4是图1所示实施例的翼状阻流物的结构示意图。
18.图5是图1所示实施例的不锈钢丝网的结构示意图。
19.图中，1—冷端回热器1，2—热端回热器，3—主阀道单元，4—支阀道单元，5—固定板，6—翼状阻流物，7—不锈钢丝网。
具体实施方式
20.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
21.参照图1，本实施低流阻的斯特林发动机回热器包括热端回热器2和冷端回热器1，热端回热器2包括热端回热环体，热端回热环体内设有热端回热通道，热端回热通道纵向上
从热端回热环体的一开口端延伸至另一开口端，热端回热通道横向上沿热端回热环体的圆周分布，热端回热通道采用特斯拉阀结构，特斯拉阀纵向上从热端回热环体的一开口端延伸至另一开口端，特斯拉阀横向上沿热端回热环体的圆周分布。热端回热通道的特斯拉阀使工质从热端通过主阀道流向冷端，从而使工质从热端到冷端正向导通，使工质从冷端到热端反向截止。
22.冷端回热器1包括冷端回热环体，冷端回热环体内设有冷端回热通道，冷端回热通道纵向上从冷端回热环体的一开口端延伸至另一开口端，冷端回热通道横向上沿冷端回热环体的圆周分布，冷端回热通道采用特斯拉阀结构。特斯拉阀纵向上从冷端回热环体的一开口端延伸至另一开口端，特斯拉阀横向上沿冷端回热环体的圆周分布。冷端回热通道的特斯拉阀使工质从冷端通过主阀道流向热端，从而使工质从冷端到热端正向导通，使工质从热端到冷端反向截止。
23.特斯拉阀由多个阀单元组成，每个阀单元内设有翼状阻流物6，每个阀单元通过翼状阻流物6分成主阀道单元3和支阀道单元4，沿热端回热通道纵向剖视，主阀道单元3的截面形状为：主阀道单元3呈直线流道；支阀道单元4的截面形状为：支阀道单元4呈曲线流道，支阀道单元4包括底部圆弧段和两侧直线段，底部圆弧段和两侧直线段连接成曲线流道，主阀道单元3与支阀道单元4相连，并略宽于支阀道单元4，主阀道单元3的截面沿热端回热环体或冷端回热环体的圆周方向延伸形成环状结构的主阀道单元3，支阀道单元4的截面沿热端回热环体或冷端回热环体的圆周方向延伸形成环状结构的支阀道单元4，多个主阀道单元3组成主阀道，主阀道是工质流通的主通道，多个支阀道单元4组成支阀道，支阀道是工质流通的辅助通道。由于长度限制，阀单元数量不能太多，本实施例中，图中所示结构具有8个阀单元。
24.参照图4，翼状阻流物6为圆环结构，翼状阻流物6的圆心位置和支阀道圆心位置重合，翼状阻流物6通过固定板5固定于阀单元内。翼状阻流物6用于控制工质流通时受到的流阻。
25.参照图5，每个支阀道单元4内设有不锈钢丝网7，不锈钢丝网7为圆环结构，不锈钢丝网7设于支阀道单元4的底部圆弧结构内，不锈钢丝网7由单片丝网堆叠而成，丝网为方孔网，网间留有孔隙供气体流通，具有结构简单，传热面积大的特点。不锈钢丝网7用于增加工质流通时所受的阻力，同时起到吸热放热的作用。
26.回热器的工作原理如图2，图3所示。当回热器工作在冷半周期，冷工质由冷端流向热端，冷工质可以加速流过冷端回热通道的主阀道和支阀道，与热半周期内存留在冷端回热通道的热工质进行热交换，使工质升温流向热端，起到了热交换与蓄能的作用；而在热端回热通道，冷工质每经过一个支阀道，就会流过一个翼状阻流物6和不锈钢丝网7，冷工质会经过不锈钢丝网7，受到一定流阻，同时吸收不锈钢丝网的热量。当工质经过翼状阻流物6，从支阀道反向回流至主阀道，回流会使流动发生阻塞，流动速度减慢，冷工质流过的阻流物越多，流速越慢，导致冷工质会在靠近热端的几个支阀道里堵塞，阻止了冷工质由冷端流向热端，大量冷工质堆积在流道内。
27.冷半周期结束，回热器开始工作在热半周期，热工质由热端流向冷端，热工质可以加速流过热端回热通道的主阀道和支阀道，与冷半周期内存留在热端回热通道的冷工质进行热交换，使工质降温流向冷端，起到了热交换与蓄能的作用；而在冷端回热通道，热工质
每经过一个支阀道，就会流过一个翼状阻流物6和不锈钢丝网7，热工质会经过不锈钢丝网7，受到一定流阻，同时向不锈钢丝网7放出热量。
28.当工质经过翼状阻流物6，从支阀道反向回流至主阀道，回流会使流动发生阻塞，流动速度减慢，热工质流过的阻流物越多，流速越慢，导致热工质会在靠近冷端的几个支阀道里堵塞，阻止了热工质由热端流向冷端，大量热工质堆积在流道内，在冷半周期时与冷工质进行热交换，使工质升温流向热端。如此交替往复的工作，不仅能满足换热要求，同时能显著降低流动阻力。
29.本发明回热器采用特斯拉阀结构，并对特斯拉阀进行改进，通过不锈钢丝网7极大增加了回热器反向截止时的流阻，使气体工质更难以流通；同时不锈钢丝网7有较大的传热面积，增强了其热交换能力，使气体的热量得以保留。在保证高蓄热能力的同时，减小了流动阻力，大幅度的提高回热器的效率；另外防止了孔眼堵塞，工质不流通现象的发生，提高了可靠性和使用寿命。
30.本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
31.说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

技术特征：
1.一种低流阻的斯特林发动机回热器，包括热端回热器和冷端回热器，其特征在于：所述热端回热器包括热端回热环体，热端回热环体内设有热端回热通道，热端回热通道采用特斯拉阀结构，特斯拉阀纵向上从热端回热环体的一开口端延伸至另一开口端，特斯拉阀横向上沿热端回热环体的圆周分布；热端回热通道的特斯拉阀使工质从热端到冷端正向导通，使工质从冷端到热端反向截止；所述冷端回热器包括冷端回热环体，冷端回热环体内设有冷端回热通道冷端回热通道采用特斯拉阀结构；特斯拉阀纵向上从冷端回热环体的一开口端延伸至另一开口端，特斯拉阀横向上沿冷端回热环体的圆周分布；冷端回热通道的特斯拉阀使工质从冷端到热端正向导通，使工质从热端到冷端反向截止。2.如权利要求1所述的低流阻的斯特林发动机回热器，其特征在于：所述特斯拉阀由多个阀单元组成，每个阀单元内设有翼状阻流物，每个阀单元通过翼状阻流物分成主阀道单元和支阀道单元，沿热端回热通道纵向剖视，主阀道单元的截面形状为：主阀道单元呈直线流道；支阀道单元的截面形状为：支阀道单元呈曲线流道，支阀道单元包括底部圆弧段和两侧直线段，底部圆弧段和两侧直线段连接成曲线流道，主阀道单元与支阀道单元相连，主阀道单元的截面沿热端回热环体或冷端回热环体的圆周方向延伸形成环状结构的主阀道单元，支阀道单元的截面沿热端回热环体或冷端回热环体的圆周方向延伸形成环状结构的支阀道单元，多个主阀道单元组成主阀道，主阀道是工质流通的主通道，多个支阀道单元组成支阀道，支阀道是工质流通的辅助通道。3.如权利要求1或2所述的低流阻的斯特林发动机回热器，其特征在于：所述翼状阻流物为圆环结构，翼状阻流物的圆心位置和支阀道圆心位置重合，翼状阻流物通过固定板固定于阀单元内。4.如权利要求2所述的低流阻的斯特林发动机回热器，其特征在于：每个支阀道单元内设有不锈钢丝网，不锈钢丝网为圆环结构，不锈钢丝网设于支阀道单元的底部圆弧结构内。5.如权利要求4所述的低流阻的斯特林发动机回热器，其特征在于：所述不锈钢丝网由单片丝网堆叠而成，丝网为方孔网，网间留有孔隙供气体流通。

技术总结
一种低流阻的斯特林发动机回热器，包括热端回热器和冷端回热器，热端回热器包括热端回热环体，热端回热环体内设有热端回热通道，热端回热通道采用特斯拉阀结构，特斯拉阀纵向上从热端回热环体的一开口端延伸至另一开口端，横向上沿热端回热环体的圆周分布；热端回热通道的特斯拉阀使工质从热端到冷端正向导通，使工质从冷端到热端反向截止；冷端回热器包括冷端回热环体，冷端回热通道采用特斯拉阀结构；特斯拉阀纵向上从冷端回热环体的一开口端延伸至另一开口端，横向上沿冷端回热环体的圆周分布；冷端回热通道的特斯拉阀使工质从冷端到热端正向导通，使工质从热端到冷端反向截止。本发明蓄热能力强，流动阻力小，回热器效率高。回热器效率高。回热器效率高。


技术研发人员：帅智康 杨炬辉 黄文 冯宇 靳张涛 邢凯
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/6