外加热发动机制造技术

本发明专利技术提供了具有至少两个活塞的外加热发动机。第一活塞具有第一侧（工作侧）和与第一侧相对的第二侧。第一活塞的第一侧和第一气缸限定了容纳工作流体的第一工作室。第一活塞的第二侧和第一气缸限定了容纳反向流体的第一相对室。加热器加热第一气缸中的工作流体。优选地，气缸由热源加热以便工作流体具有至多５００华氏度的温度，同时热源和工作流体之间的温差小于５华氏度。第二活塞在第二气缸内往复运动，且具有第一侧（工作侧）和与第一侧相对的第二侧。该第一侧和气缸限定了容纳工作流体的工作室。活塞的第二侧和气缸限定了容纳反向流体的第二相对室。位于第二气缸内的工作流体被冷却至低于３５华氏度的温度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及外加热发动机(externally heated engine) 0更具体地，本专利技术涉及 以相对低的温度和压力运行的外加热发动机的效率的改进。
技术介绍
外加热发动机以及尤其是斯特林循环(Stirling cycle)发动机始终保持大的前 景，这是因为其理论热效率接近于卡诺循环(Carnot Cycle)的效率。该效率反过来建立在 循环中热时和冷时之间的温差上。现今该种发动机的设计师们正设法通过提高发动机热侧 的温度而使效率达到最大值。此外，他们利用超高压下的诸如氦气和氢气的小分子气体以 便更进一步地优化发动机的输出功率。他们的密切合作导致了商业的失败。高的温度要求 使用可经受这些温度的材料。使用诸如钛和不锈钢的特种合金的实际问题和巨大费用结合 起来使得制造这种发动机不切实际而拥有和运行该种发动机过于昂贵。高压气体和极端温 度已经使得该发动机如此地复杂以致几乎超出了最具经验用户所能达到的有效范围。本专利技术采用了完全相反的途径。通过结合使用若干改进，使得设计高效、低温的单 缸发动机成为可能。现有设计中要么采用平的气缸壁作为换热器、要么采用壳管式气对气 换热器的变体。材料通常是钢或钛，该两者都相对为热的不良导体。为了克服这些低效性，气缸外空气和气缸内工作流体之间的温差必须非常地大以 便在非常有限的可用时间内迫使传输必要的热量。这反过来迫使热源本身甚至以更高的温 度运行，以及非常紧固地联接于换热器上。这势必使得交换器的外部部分曝露于甚至更高 的温度，从而需要更多的稀有材料。—些现有技术的发动机采用液体钠作为相变材料，以便更有效地获得气缸内部的 热量。除了涉及大的费用以外，具有为制造该装置所需的复杂技术。此外，液体钠毒性强且 很烫，因而使用其非常地危险。这种技术不适于在简单的、大量生产的装置中使用。现有技术的发动机中另外的问题牵涉到发送给蓄热器的空气温度。现有技术中通 常涉及到的极端温度使得不可能使用通用的诸如铜的低温管道。这也适于在蓄热器中使用 的材料。因为首要考虑到高温下的耐久性，所以蓄热器的外部或蓄热器基体(matrix)中所 用的材料都不可优化成用于热性能。高温问题完全控制了蓄热器设计在现有技术的斯特林发动机中的使用。这导致了 值得注意的热力损失以及较大的费用和降低的寿命。蓄热器外壳毫无疑问是由将容许高温 的金属制成。这导致了高的对环境的热损失、从环境中获得热量以及从蓄热器一端传导至 另一端的热量。这种热传导迫使蓄热器以远离理想的方式运行。在压缩冲程期间，冷气缸上的换热器必须高效地从工作流体中除去热量。如同具 有热侧那样，现有技术的换热器设计要么使用了基本的缸形本身作为散热器、要么使用简单的翅面或者管壳式换热器的一些变体。在所有的这些设计中，为这些方法所固有的热阻 迫使散热器以气缸内部和外部之间的大温差(ΔΤ)运行。换句话说，冷气缸内部的工作流体温度被迫相当大地高于热量最终散失的外部温 度。这大大降低了越过发动机的ΔΤ，从而限制了发动机的最大效率和输出功率。由于斯特林循环为封闭式热力循环，所以工作流体必须密封在发动机内部。这导 致了几个重要的设计问题。首先，现有技术的发动机不得不运行在高的温度和压力下。这寄予了对密封的大 的需求。为了在高的温度和压力下正常运行(survive)，唯一的实用方法便是像在常规的内 燃发动机中那样在活塞上使用密封环。活塞和环组件经受渗漏、或漏气(blow-by)。由于必 须不断地对其更换以便避免输出功率的损失及其对循环的干扰，使得来自发动机的流体损 耗成为关键性问题。这通常意味着曲轴箱本身也必须密封，从而导致了曲轴箱中的无效功 问题，如同活塞对曲轴箱气体做了不必要的功那样。它也意味着曲轴箱如同在发动机自身 中使用那样必须充满相同的工作流体。气缸壁上四处的活塞环碎屑导致了另外的问题。这些中最大的问题在于产生的摩 擦。在常规的发动机中，这可耗费发动机大约20%的输出，这是非常严重的损耗。另外的问题便是润滑。液体油不能简单地喷洒在气缸壁上，因为这将漏入发动机 的工作区内并弄污工作流体。这将导致包括不必要的污染、腐蚀以及效率降低的问题。但 没有适当的润滑，摩擦损耗甚至变得更大。本专利技术解决了现有技术设计中发现的所有这些问题。
技术实现思路
简要地说，本专利技术包括具有至少两个活塞的外加热发动机。第一活塞在第一气缸 内往复运动。该第一活塞具有第一侧(工作侧)和相对于第一侧的第二侧。第一活塞的第 一侧和第一气缸限定了容纳工作流体的第一工作室，该工作流体可包含任何可用的气体。 第一活塞的第二侧和第一气缸限定了容纳反向流体的第一相对室。加热器在工作室内加热 工作流体。优选地，该室由热源加热以便工作流体具有至多500华氏度的温度同时热源和 工作流体之间的温差小于5华氏度。工作流体可通过换热器或注热器而加热。加热流体被 传送至注热器并流过绕着导热材料的凹槽，从而直接将热量注入发动机内。热量通过隔热 材料而截留在发动机内部。工作流体沿纵向流经导热材料。该导热材料具有通路以便工作 流体可纵向地从中穿过。用于工作流体的纵向通道是狭窄的并延伸了(rim)注热器全部可 用的长度。优选地，注热器具有用于加热流体的凹槽，该凹槽包括许多沿注热器全部可用的 外部长度而形成螺旋或螺线图案的平行凹槽。螺旋凹槽可2个、3个、4个或更多个地组成一 套，从而彼此平行地延伸以及加热流体同时地注入。通过将这些凹槽保持为非常地窄和深， 获得了非常高的长/深比值和低温差，同时提供了足够可用的截面面积以便容许足量的加 热流体流动和提供热量输入。凹槽和通道通过坚实的传导材料层而被隔开。本专利技术的注热器在下文中更为完整 地进行了描述。加热工作流体的另一个方法是通过使用热管。热管为依赖于管内流体的相变而传输热的管子。通过从液体至气体并回到液体的变化，热从管子的一端传输到另一端。热管 可穿过第一气缸的壁并且填充气缸内超过活塞上死点的空间。薄的铜翅片可装接在气缸外 的热管上。热空气通过换热器区域而涡动，从而在热空气和热管之间产生了非常高效的热 交换。代替空气和换热器金属之间通常的25°至45°的华氏温度差(“ΔΤ”)，仅将存在 大约5度的ΔΤ。在热管中，热量沿着管子的长度行进，直接进入气缸的内部体积。像通常在热管设 计中那样，沿着管子的长度存在可忽略的ΔΤ。这意味着气缸内部加热的铜与外部热空气的 温度仅处于5度的范围内。外加热发动机可包括环绕热管的加热介质，该热管通过热电发 生器而加热。优选地，使用了许多小的热管。这些热管具有小的直径，且因为有许多已挤入小的 容积内，因而仅存在非常有限地无用容积(dead volume)与换热器相关联。此外，铜和发动 机内工作流体之间的△ T通过该设计而保持绝对极小值。第二活塞在第二气缸内往复运动，并且具有第一侧(工作侧)和相对于第一侧的 第二侧。第一侧和气缸限定了容纳工作流体的工作室。活塞的第二侧和气缸限定了容纳反 向流体的第二相对室。第二气缸内的工作流体被冷却至低于35华氏度的温度。优选地，发动机包括与活塞相关联的膜以便隔开工作室和相对室。该膜像下文中 将要详细描述的那样提供了许多益处。由于利用了膜，故有益于控制反向流体的压力。这 防止了越过膜的大压差，若不受控制，该压差会导致膜破裂。第二个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种外加热发动机，包括：　　ａ）适于在第一气缸内运动的活塞，所述活塞具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述第一侧和所述第一气缸限定了工作室，而所述第二侧和所述第一气缸限定了容纳反向流体的相对室；　　ｂ）适于在第二气缸内运动的置换器，所述置换器具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述置换器的第一侧和所述第二气缸限定了冷室，而所述置换器的第二侧和所述第二气缸限定了热室；　　ｃ）位于所述第一气缸和所述第二气缸之间的封闭流体路径，所述封闭流体路径包括工作流体，所述工作流体能在所述工作室、所述冷室和所述热室之间运动；　　ｄ）位于所述封闭流体路径内的蓄热器；以及　　ｅ）用于将所述第一气缸中的所述工作流体加热到小于５００°华氏度温度的热源。

【技术特征摘要】
US 2005-8-5 11/198681一种外加热发动机，包括a)适于在第一气缸内运动的活塞，所述活塞具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述第一侧和所述第一气缸限定了工作室，而所述第二侧和所述第一气缸限定了容纳反向流体的相对室；b)适于在第二气缸内运动的置换器，所述置换器具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述置换器的第一侧和所述第二气缸限定了冷室，而所述置换器的第二侧和所述第二气缸限定了热室；c)位于所述第一气缸和所述第二气缸之间的封闭流体路径，所述封闭流体路径包括工作流体，所述工作流体能在所述工作室、所述冷室和所述热室之间运动；d)位于所述封闭流体路径内的蓄热器；以及e)用于将所述第一气缸中的所述工作流体加热到小于500°华氏度温度的热源。2.根据权利要求1所述的外加热发动机，其特征在于，所述热源包括注热器，所述注热 器包括加热流体用于加热所述热室中的工作流体，其中，所述加热流体与所述工作流体并 不形成直接接触。3.根据权利要求2所述的外加热发动机，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：GP霍夫曼，RJ伊德，
申请(专利权)人：更新热力学有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]