按布雷敦循环运行的单活塞斯特林型发动机的制作方法

本发明涉及发动机，是一种按布雷敦循环运行的单活塞斯特林型发动机。

背景技术：

1、在给定的热源温度和冷源温度的各种发动机中，卡诺循环的效率最高，热力循环最为理想，但真实的高转速往复式热机是难以接近卡诺循环的，最根本的原因是从热源吸热和向冷源排热的等温换热器难以现实，严格按照减少不可逆因素的原则做出来的卡诺循环热机转速很低而且输出功率很小，因为只有这样热源和冷源换热器的不可逆损失才会比较小，因此，迄今为至，尚未出现完全依据卡诺循环的热能动力机械，然而，卡诺循环仍是各类热能动力机械最主要的热力循环，它为各类热机的热力循环指明了方向，而各类热机也尽可能的试图接近卡诺循环，以提高自身循环的热效率。

2、斯特林发动机又称为热气机，是一种外燃型发动机，它建立在著名的斯特林循环基础上，斯特林循环出现的时间比卡诺循环还早18年，其最大的特点在于它同时使用了两种工质，气相工质和固相工质，其中固相工质的热容远大于气相工质的热容，因而可以视为等温，固体工质组成多孔填料型的回热器通道壁，它的两端分别接热源和冷源，气体工质则在回热器中在压缩活塞和排出器的驱动下作往复运动，在理想的换热的条件下，气体在一个流动截面上都和固体工质处于局部热平衡，这就意味着，气体工质在运动周期中借助于一系列局部的等温过程完成了自己的循环，热量得以在等温条件下在热源、冷源和热机系统之间交换，解决了高转速下的等温换热，使斯特林循环与卡诺循环具有相同的效率。

3、现有的斯特林发动机有两种基本类型，一种是双活塞类型，又可分为α、β、γ三种结构型式，另一种是单活塞组合类型，又称为双作用斯特林发动机，它将四台单活塞斯特林发动机组合为一体，相邻两个活塞依次串联，通过曲柄曲轴，相位互错90º，进而满足斯特林循环的要求，并适宜于大功率场所。斯特林发动机的优点是热效率高、绿色环保、结构紧凑、振动小、寿命长，现已广泛应用低温超导、空间、红外技术、潜艇和太阳热能发电等领域。

4、斯特林发动机的主要缺点有三处，一是斯特林循环特殊的控制换热相位方法要求有复杂的结构和更精细的制造工艺，致使它的生产成本高；二是回热器效率对整机的热效率影响大，需确保回热器有效性在95%以上，造成回热器的热负荷很大，工作条件恶劣，回热器的不可逆损失占总损失60%以上，现有斯特林发动机的实际效率约为理论值的60～70%，大多数损失源于回热器，回热器不仅限制了整机热效率的提高，还使回热器的加工制造困难；三是它的压缩比较小，其容积压缩比须小于2.5，限制了循环功的提高。

5、热声热机是一种建立在热声转换基础上的新型热机，与斯特林机相比，它的结构更为简单，一般只需一个机械运动部件，因而便于小型化，可靠性更高，近30年来，人们对热声热机的研究已成为了新热点。与现有的其它热能机械相比，指导热声热机机组的热力循环在理论上一直是比较模糊的，1878年，rayleigh对热声现象给出了定性解释：对于作声振荡的介质，若在其最稠密的时候向其供热，而在其稀疏的时从其中吸热，声振动就会加强：反之，若在其最稠密的时候从中吸热，而在其稀疏的时向其供热，声振动就会衰减，这就是rayleigh准则，到目前为止，该准则一直被认为是热声现象最合理的定性解释，1969-1980年期间，nurich联邦技术研究所的nilolaus rott首先对热声效应进行了定量的理论分析，描述了热声效应中存在着热和功的相互转化，建立了低振幅线性化的波动方程式，后来有人又建立了更接近实际的非线性大波动方程式，用于指导、分析和计算热声热机。

6、目前有三大类型的热声热机，即：驻波型、行波型和驻波-行波联合型热声热机，由于缺乏具体的热力循环描述它们的热力过程，人们只是笼统的认为行波型热声热机因为其热力过程是可逆的，它的效率便等于卡诺循环相同，而驻波型热声热机存在不可逆的热力过程，其效率远则远低于行波型热声热机。现有的热声热机主要应用于低温超导、空间、红外等对可靠性要求较高的技术领域。它们的优、缺点与斯特林机基本相同，只是与其相比结构更为简单，可靠性也更高，但同时由于它们的压缩比较斯特林机更小，其循环功的也较斯特林机小。

7、脉管制冷机，尤其是热声热机驱动的脉管制冷机，由于无机械运动部件，受到了空间深温制冷领域的高度重视。基本型脉管制冷机发明于上世纪60年代的，因制冷能力低下，未受到人们的重视，直到1984年，在mikulin等人在其热端增加了一个气库，并在热端换热器与脉管之间增加了小孔，使它的制冷能力得到大幅提高后，脉管制冷技术才受到了人们的重视。并先后出现了小孔型、双向进气型、惯性管型等多种脉管制冷机。与热声热机相近，脉管制冷机的热力循环理论亦是比较模糊的，基本型脉管制冷机发明之初gifford和longworth就在实验研究的基础上提出了基于传热分析的表面泵原理，用于解释基本型脉管，但小孔型脉管制冷机的出现，表面泵原理却无法解释其机理，rodebaugh提出了焓流调相理论，解释小孔型脉管制冷机的机理，并指导了之后的调相脉管制冷机的发展，但焓流调相理论面对基本型脉管制冷机时，却难以自圆其说，1993年中国科学院低温中心的梁惊涛等人提出了非对称理论，较成功地解释了这两类脉管制冷机机理，目前，它们的量化分析以欧拉法数值模拟为主要突破方向，但存在着计算工作量大、数值计算不稳定等困难。脉管制冷机的优点是结构简单、可靠性高，缺点是制冷效率低，制冷量小，目前它的制冷效率低于卡诺循环的25%，因此，它仅适宜于低温制冷领域，不适合用于普冷，也难以民用化，更不能逆向作为动力机使用。

8、综上所述，无论是现有的斯特林机、热声热机还是脉管制冷机均存在一些缺陷，尤其是它们均将回热器视为不可或缺的组成部分，与此同时，回热器也是这类热能动力机械最主要的不可逆损失的器件，是否具有结构相近或更为简单，并能克服这类热能动力机械缺点的发动机，为此，人们一直进行着不断的创新和探索。

技术实现思路

1、本发明提供了一种按布雷敦循环运行的单活塞斯特林型发动机，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有的斯特林机、热声热机、脉管制冷机存在效率低，难以民用化的问题。

2、本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种按布雷敦循环运行的单活塞斯特林型发动机，包括第一脉管、活塞缸、活塞和驱动件，活塞缸内滑动安装有活塞，活塞右端和驱动件安装在一起，活塞缸左端固定连通有第一脉管，所述第一脉管呈左端封闭且右端开口的管状结构，第一脉管从左至右依次为第一热端换热器、第一压缩/膨胀器和第一冷端换热器，第一热端换热器内和第一冷端换热器内均填充有第一导热填料，所述驱动件使得活塞在压缩冲程末将活塞在膨胀冲程末处于第一冷端换热器中的部分或全部工质压入第一热端换热器中；或者，第一压缩/膨胀器内左右间隔设有至少一个第一回热器，所述驱动件使得活塞在压缩冲程末将活塞在膨胀冲程末处于第一回热器中的全部工质以及通过第一回热器的部分工质压入第一热端换热器中。

3、下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

4、作为一种优选，上述第一压缩/膨胀器中可设有绝热隔板，绝热隔板右端间隔分布有若干个左右贯通的流道。

5、作为另一种优选，上述第一压缩/膨胀器内可设有蓄放热器，蓄放热器包括填充于第一压缩/膨胀器内的第二导热填料。

6、上述第一热端换热器内和第一冷端换热器内均可沿周向间隔设置有若干个内导热翅片，每相邻的两个内导热翅片之间均填充有第三导热填料。

7、上述第一热端换热器左端外侧可固定有左绝热层。

8、上述第一冷端换热器右端可安装有第二回热器。

9、上述第一脉管右端与活塞缸左端之间可安装有制冷机，制冷机从左至右依次为第二热端换热器、第二压缩/膨胀器和第二冷端换热器。

10、作为一种优选，上述活塞缸左部外侧可固定安装有罩设于第一脉管外侧的制冷壳体，制冷壳体内间隔设有若干个右端与活塞缸左端固定连通的第二脉管，第二脉管与第一脉管结构相同，对应第一热端换热器和第一冷端换热器之间位置的制冷壳体内固定有隔离套，第一热端换热器外侧和第一冷端换热器位外侧均左右间隔固定安装有若干个外导热翅片，对应第一冷端换热器位置的制冷壳体右部外侧设有交错分布的第一进口和第一出口，对应第一热端换热器位置的制冷壳体左部外侧设有相对的第二进口和第二出口。

11、作为另一种优选，上述第一出口与第二进口之间固定连通有连接管。

12、本发明结构合理而紧凑，所述的发动机既能作为动力机，又可作为制冷机使用，第一脉管是左端封闭，右端开口的金属圆管，第一热端换热器、第一压缩/膨胀器、第一冷端换热器和活塞缸的空腔中均充有气体工质，当活塞处于膨胀冲程末时，活塞缸的空腔容积最大，压力最小，驱动件使得活塞向左移动至活塞缸的最左端的过程中，第一冷端换热器中的气体工质的部分或全部将被压入第一热端换热器中，本发动机按照布雷敦循环进行热功转换，将膨胀冲程末处于第一冷端换热器中的气体工质，在压缩冲程末，部分或全部被压入第一热端换热器中，活塞在往复运动过程中，使部分气体工质既通过了第一热端换热器又通过了第一冷端换热器，重复气体工质越多，发动机的功率越大。