传热装置及斯特林发动机

技术领域

本发明涉及换热装置技术领域，尤其涉及一种传热装置及斯特林发动机。

背景技术

自由活塞斯特林发动机由冷端换热器、回热器、热端换热器和活塞等构成。热端换热器主要用于将热源的热量传递至工作介质，以对工作介质进行加热。在实际应用中的很多情况下，热源不能直接与热端换热器进行热交换，往往需要在热源与热端换热器之间设置热管等传热装置。

对于热管与热端换热器之间的连接，一般在热端换热器的外部设置紫铜块，并将热管的冷凝段插入紫铜块中，利用紫铜块将热管冷凝段的热量传递至热端换热器。但此种结构仅适用于功率较小的斯特林发动机，若将此种结构应用至功率较大的斯特林发动机，紫铜块的尺寸也会相应增加，会出现紫铜块的导热温差较大、质量较大的问题，使斯特林发动机变得非常笨重，且效率大幅度降低。

发明内容

本发明提供一种传热装置及斯特林发动机，用以解决上述问题。

本发明提供一种传热装置，用于向斯特林发动机的热端换热器传递热量，所述传热装置包括用于容纳冷凝介质的壳体；

所述壳体包括蒸发部、冷凝部和过渡部，所述冷凝部用于包覆在所述热端换热器的外部，所述蒸发部位于所述冷凝部的下方且所述蒸发部与所述冷凝部的下端连通、以使所述冷凝部的液态冷凝介质在重力作用下向所述蒸发部流动，所述过渡部设置在所述冷凝部与所述蒸发部之间，所述过渡部的第一端与所述冷凝部连通，第二端与所述蒸发部连通，所述过渡部的第一端的横截面积大于所述过渡部的第二端的横截面积。

根据本发明提供的一种传热装置，所述冷凝部用于与所述热端换热器接触的表面为冷凝面，所述冷凝面向下倾斜设置；

所述蒸发部内设置有吸液芯，所述吸液芯沿所述蒸发部的轴线方向延伸。

根据本发明提供的一种传热装置，所述过渡部的侧壁向下倾斜设置，所述吸液芯靠近所述冷凝部的一端延伸至所述过渡部内。

根据本发明提供的一种传热装置，所述蒸发部的轴线为直线；

所述蒸发部的轴线与竖直方向重合，或，所述蒸发部的轴线与所述竖直方向之间具有夹角。

根据本发明提供的一种传热装置，所述冷凝部呈圆环形，所述冷凝部设置为能够套设于所述热端换热器的外部且与所述热端换热器的外表面贴合接触。

根据本发明提供的一种传热装置，所述热端换热器具有多个供所述斯特林发动机的工作介质流通的换热管，所述冷凝部上设置有供所述换热管穿过的穿设通道。

根据本发明提供的一种传热装置，所述冷凝面位于所述蒸发部的一侧；

和/或，所述冷凝部的内部设置有导流板，所述导流板位于所述冷凝面靠近所述蒸发部的一侧，所述导流板设置为能够防止所述蒸发部的气态冷凝介质在进入所述冷凝部时直接作用在所述冷凝面。

根据本发明提供的一种传热装置，所述壳体设置有多个，多个所述壳体相互独立，多个所述壳体的所述冷凝部设置为沿所述热端换热器的周向分布。

本发明还提供一种斯特林发动机，包括上述的传热装置。

根据本发明提供的一种斯特林发动机，所述传热装置设置有多个，多个所述传热装置相互独立，多个所述传热装置沿所述斯特林发动机的轴线方向分布。

本发明提供的传热装置中，将冷凝部包覆在热端换热器的外部，使蒸发部延伸至热源处。蒸发部受热，其内部的冷凝介质受热蒸发转化为气态冷凝介质，气态冷凝介质经过渡部向冷凝部流动，在冷凝部冷凝形成液态冷凝介质，同时释放热量，热量通过壳体可以传递至热端换热器。液态冷凝介质在自身重力作用下沿冷凝部的侧壁向下流动并经过渡部进入蒸发部，进入蒸发部的液态冷凝介质再次受热蒸发，依此循环。如此设置，直接使冷凝部包覆在热端换热器上，能够保证传热装置与热端换热器之间的换热效率，提高斯特林发动机的效率；避免了对紫铜块的设置，有利于减小质量，进而可以解决大功率的斯特林发动机笨重的问题。

进一步，在本发明提供的斯特林发动机中，由于具备如上所述的传热装置，因此同样具备如上所述的各种优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的传热装置设置在斯特林发动机上时的结构示意图一；

图2是本发明提供的传热装置的结构示意图一；

图3是本发明提供的传热装置的结构示意图二；

图4是本发明提供的传热装置具有两个壳体时的结构示意图；

图5是本发明提供的传热装置具有三个壳体时的结构示意图；

图6是本发明提供的传热装置设置在斯特林发动机上时的结构示意图二；

图7是本发明提供的传热装置的结构示意图三。

附图标记：

1：热端换热器；2：壳体；3：蒸发部；4：冷凝部；5：吸液芯；6：换热管；7：穿设通道；8：过渡部；9：冷凝面；10：导流板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图7描述本发明的传热装置。

如图1至图7所示，本发明实施例提供的传热装置用于设置在热源与斯特林发动机的热端换热器1之间，以将热源的热量传递至斯特林发动机的热端换热器1，为热端换热器1提供热量。

本发明实施例中的传热装置包括壳体2，壳体2的内部容纳有冷凝介质。冷凝介质的材质可以为钠、钾、锂等。上述壳体2包括蒸发部3、冷凝部4和过渡部8，具体地，冷凝部4用于包覆在热端换热器1的外部。蒸发部3位于冷凝部4的下方且蒸发部3与冷凝部4的下端连通，以使冷凝部4的液态冷凝介质在自身重力作用下向蒸发部3流动。

过渡部8设置在冷凝部4与蒸发部3之间，过渡部8为两端均敞口的筒状结构，过渡部8的第一端与冷凝部4连通，第二端与蒸发部3连通。过渡部8的第一端的横截面积大于过渡部8的第二端的横截面积，蒸发部3内的气态冷凝介质在经过过渡部8向冷凝部4流动时，流速降低。气态冷凝介质在冷凝部4内的流动方向与液态冷凝介质在冷凝面9上的流动方向相反或呈钝角，气态冷凝介质直接吹在冷凝面9上，会对液态冷凝介质的流动产生阻碍作用。减小气态冷凝介质的流速后，可以减小因气态冷凝介质的流速过高产生的对液态冷凝介质的流动的阻碍作用，避免在过渡部8和冷凝部4内造成携带极限。

在利用本实施例中的传热装置向热端换热器1传递热量时，将冷凝部4包覆在热端换热器1的外部，并使蒸发部3延伸至热源处。

蒸发部3吸收热源的热量，其内部的冷凝介质会受热蒸发转化为气态冷凝介质，气态冷凝介质向冷凝部4流动。气态冷凝介质在冷凝部4冷凝形成液态冷凝介质，同时释放热量，释放的热量通过壳体2可以传递至热端换热器1。

液态冷凝介质在自身重力作用下沿冷凝部4的侧壁向下流动并进入蒸发部3，进入蒸发部3的液态冷凝介质再次受热蒸发，依此循环。

如此设置，在利用本实施例中的传热装置向热端换热器1传递热量时，直接使冷凝部4包覆在热端换热器1上，结构紧凑，且能够保证传热装置与热端换热器1之间的换热效率，提高斯特林发动机的效率。并且，避免了对紫铜块的设置，有利于减小质量，本实施例中的传热装置不仅适用于功率较小的斯特林发动机，还适用于功率较大的斯特林发动机，能够解决斯特林发动机笨重的问题。

上述冷凝部4用于与热端换热器1接触的表面为冷凝面，本发明实施例中，使冷凝面向下倾斜设置，从而使冷凝面上的液态冷凝介质可以依靠自身重力向下流动。

在蒸发部内设置有吸液芯5，吸液芯5沿蒸发部3的轴线方向延伸。吸液芯5由毛细多孔材料制成，通过毛细作用可以将液态冷凝介质运输至蒸发部3。

需要说明的是，上述能够包覆在热端换热器1外部的冷凝部4一般为异形结构，本实施例中仅在蒸发部3设置吸液芯5，没有在冷凝部4设置吸液芯5，可以降低对冷凝部4的加工难度，降低生产成本，能够避免在异形结构加工过程中对传热装置的传热性能的影响。

蒸发部3内的气态冷凝介质的流动方向与液态冷凝介质的流动方向相反，气态冷凝介质对液态冷凝介质的流动具有阻碍作用，容易出现携带极限的问题。上述吸液芯5的设置可以有效防止蒸发部3内携带极限的过早出现，确保蒸发部3内的流动过程和蒸发过程的稳定性。

并且，上述吸液芯5的设置还可以辅助液态冷凝介质在蒸发部3内的流动，可以减少对蒸发部3的结构形状和设置角度的限制，既可以将蒸发部3设置为任意弯曲形状，也可以将蒸发部3设置为直线状；既可以使上述蒸发部3的轴线沿竖直方向设置，也可以使上述蒸发部3的轴线与竖直方向之间具有夹角，即，上述蒸发部3的轴线既可以沿竖直方向设置，也可以倾斜设置，甚至可以沿水平方向设置，具体可以根据实际空间情况确定。

现有技术中一般在直管内加工吸液芯5，对于直管内的吸液芯5加工技术相对较为成熟。对于弯曲等异形管内的吸液芯5加工，一般采用先在直管内烧结加工吸液芯5，然后再将直管进行弯曲加工。弯曲加工的难度较大，且在弯曲加工过程中，不可避免的会影响吸液芯5等内部结构，进而使传热装置的传热性能受到影响。

故，本实施例中，将上述蒸发部3的轴线设置为直线，即，蒸发部3呈直线型，为直管状，能够降低吸液芯5在蒸发部3内的加工难度，有利于保证传热装置的传热性能。

本实施例中，过渡部8的侧壁向下倾斜设置，确保从冷凝面滴落至过渡部8的液态冷凝介质能够在自身重力的作用下向下流动。吸液芯5靠近冷凝部4的一端延伸至过渡部8内，可以防止液态冷凝介质在蒸发部3和过渡部8内与高速气态冷凝介质接触而被吹散。

斯特林发动机的热端换热器1一般为呈圆环状的翅片式换热器。本发明实施例中，将上述冷凝部4设置为圆环形，参照图2，使冷凝部4套设于热端换热器1的外部，并与热端换热器1的外表面贴合接触。需要说明的是，上述冷凝部4可以套设在热端换热器的外部，也可以套设在斯特林发动机外壳的外部、与热端换热器1对应的位置

斯特林发动机的轴线沿水平方向设置，相应地，冷凝部4的轴线沿水平方向设置，蒸发部3设置在冷凝部4的下方。冷凝部4与热端换热器1接触的表面为冷凝面9，冷凝面9为轴线沿水平方向设置的圆柱形面。气态冷凝介质在冷凝面9冷凝形成液态冷凝介质，液态冷凝介质沿圆柱形面向下流动，并滴落至蒸发部3。

若斯特林发动机的热端换热器1为管束换热器，即热端换热器1具有多个供斯特林发动机的工作介质流通的换热管6，如图6所示。此时，需要在冷凝部4上设置相应的穿设通道7，以供换热管6穿过，如图6和图7所示。

具体地，对于自由活塞斯特林发动机，其热端换热器1一般设置为圆环状结构，构成热端换热器1的多个换热管6相互平行、并列设置，且分布呈圆环形。相应地，冷凝部4也设置成圆环状结构，在冷凝部4的侧壁上开设多个通孔，通孔的数量与换热管6的数量一致，且分布呈圆环形。在将该换热装置与管束换热器进行装配时，换热管6经过通孔穿过冷凝部4后，使各个通孔的侧壁与换热管6的侧壁密封连接，以确保壳体2内部为密闭腔室。

换热管6的壁面作为冷凝面9，气态冷凝介质冷凝释放的热量通过换热管6实现与热端换热器1内的工作介质之间的热交换，可以减小热量传输的温差，使热端换热器1的温度分布均匀。

各个冷凝面9上的液态冷凝介质在重力作用下向下流动，汇流至冷凝部4的内圈壁面上后向蒸发部3流动。

本实施例中，使蒸发部3与冷凝部4相错开，使冷凝部4的冷凝面9位于蒸发部3的一侧，参照图3，避免蒸发部3内的气态冷凝介质直接吹在冷凝面9上，可以进一步减小气态冷凝介质对液态冷凝介质流动的阻碍作用。

本实施例中，可以在冷凝部4的内部设置导流板10，将导流板10设置在冷凝面9靠近蒸发部3的一侧，且导流板10与冷凝面9之间具有间距，如图3和图4所示。蒸发部3内的气态冷凝介质在导流板10远离冷凝面9的一侧由下向上流动，与液态冷凝介质在冷凝面上的流动方向相反，导流板的设置能够防止蒸发部3的气态冷凝介质在进入冷凝部4时直接作用在冷凝面。导流板10将气态冷凝介质导流至冷凝部4的上端后，气态冷凝介质自上向下沿冷凝面9向下流动。气态冷凝介质在冷凝面9冷凝后沿冷凝面9向下流动，即，冷凝面9附近的气态冷凝介质的流动方向与冷凝面9上的液态冷凝介质的流动方向相同或呈锐角，可以避免气态冷凝介质对液态冷凝介质流动的阻碍作用。

为确保传热装置的传热能力，本实施例中的传热装置包括多个壳体2，每个壳体2均至少包括蒸发部3和冷凝部4，各个壳体2之间相互独立。各个壳体2的冷凝部4均与热端换热器1接触，且多个壳体2的冷凝部4沿热端换热器1的周向分布，如图4和图5所示，使多个壳体2的冷凝部4相配合共同包围热端换热器1的整个圆周。各个壳体2的蒸发部3均延伸至热源处，增加了冷凝介质携带至冷凝部4的热量，确保能够满足热端换热器1的热量需求。

考虑到液态冷凝介质在重力作用下能够顺利向下流回至蒸发部3，本实施例中的传热装置的壳体2的数量优选设置2个，最多设置6个。

需要说明的是，也可以对一个壳体2设置多个蒸发部3，多个蒸发部3均与同一冷凝部4连通。各个蒸发部3的冷凝介质吸收热量形成气态冷凝介质，汇集至同一冷凝部4进行冷凝放热，可以增加冷凝介质携带至冷凝部4的热量，从而提高传热装置的传热能力。

另一方面，本发明实施例还提供一种斯特林发动机，包括上述任一实施例提供的传热装置。上述任一实施例提供的传热装置能够保证传热装置与热端换热器1之间的换热效率，避免了对紫铜块的使用，有利于减小质量，可以解决大功率的斯特林发动机笨重的问题，故本发明实施例提供的斯特林发动机的性能得到了提高，解决了在功率要求较大时存在的质量大、笨重的问题，具有结构紧凑、轻巧、高效的优点。本发明实施例中的斯特林发动机的有益效果的推导过程与上述传热装置的有益效果的推导过程大体类似，故此处不再赘述。

本实施例中，传热装置在斯特林发动机上设置有多个，多个传热装置沿斯特林发动机的轴线方向分布，确保传热装置与热端换热器1的换热面积，保证对热端换热器1的热量供应。上述多个传热装置相互独立，互不影响，在使用过程中，即使其中一个或部分传热装置失效，也可以使斯特林发动机正常运行。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。