用于外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的回?zé)崞鞯闹圃旆椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)專利權(quán)利要求1的前序部分所述的一種用于外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)、特別是用于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的回?zé)崞鳌?br>【背景技術(shù)】
[0002]外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)一般是通過工作流體一一例如空氣、氦氣、氫氣或其他氣體一一的循環(huán)壓縮和膨脹而運(yùn)轉(zhuǎn)的。工作流體的循環(huán)壓縮和膨脹在不同的溫度水平下進(jìn)行，使得將外部提供的熱能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。該發(fā)動(dòng)機(jī)也可以稱為閉式循環(huán)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，優(yōu)選地為回?zé)岬臒崃Πl(fā)動(dòng)機(jī)，該熱力發(fā)動(dòng)機(jī)具有永久工作的氣態(tài)流體。術(shù)語“閉式循環(huán)”可以定義為這樣的熱力學(xué)系統(tǒng):工作流體永久性地存在于該系統(tǒng)中?！盎?zé)岬摹敝傅氖窃O(shè)置特定類型的熱交換器和熱儲存系統(tǒng)，稱為回?zé)崞?。包含了回?zé)崞魇顾固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)別于其他已知的閉式循環(huán)熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0003]回?zé)崞鳛閮?nèi)部熱交換器和臨時(shí)的熱儲存器?；?zé)崞鞫ㄎ辉谕馊紵崃Πl(fā)動(dòng)機(jī)的熱部和冷部之間，使得工作流體從發(fā)動(dòng)機(jī)的熱部穿過回?zé)崞鞯竭_(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷部，并且再從發(fā)動(dòng)機(jī)的冷部穿過回?zé)崞鞯竭_(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱部?；?zé)崞鞯淖饔檬菍⒐ぷ髁黧w的熱保留在系統(tǒng)中，否則工作流體將與環(huán)境進(jìn)行熱交換。因此，當(dāng)工作流體來自外部燃燒熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的熱側(cè)時(shí)，工作流體將熱寄存在回?zé)崞髦?，?dāng)工作流體再從外部燃燒熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的冷側(cè)流回時(shí)，工作流體再從回?zé)崞鲙ё邿帷?br>[0004]回?zé)崞鞯闹饕饔檬峭ㄟ^維持并“回收”系統(tǒng)的內(nèi)部熱來提高熱效率，否則系統(tǒng)的內(nèi)部熱將不可逆地流失?，F(xiàn)有技術(shù)中已知的這種類型的回?zé)崞骶哂械囊粋€(gè)問題是，這種類型的回?zé)崞饕胩嗟念~外容積，這些額外容積造成發(fā)動(dòng)機(jī)的無效空間。外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中的無效空間導(dǎo)致工作流體中的可用的壓力差的損失，從而降低系統(tǒng)的熱力學(xué)效率和機(jī)械效率。另一種類型的使用一疊純金屬絲網(wǎng)的回?zé)崞骶哂幸韵聠栴}:當(dāng)工作流體流經(jīng)回?zé)崞鲿r(shí)在工作流體中產(chǎn)生渦流。這些渦流造成工作流體的流動(dòng)阻力，從而為熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率帶來負(fù)面影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是為現(xiàn)有技術(shù)已知的回?zé)崞鞯娜毕葸M(jìn)行補(bǔ)救。將提供一種如下的回?zé)崞?，其使得能夠?qū)崿F(xiàn)有效的且足夠高的熱量被傳遞至氣態(tài)工作流體以及從氣態(tài)工作流體被傳遞出，并且不引入太多的額外內(nèi)部容積或流動(dòng)阻力。將提供一種回?zé)崞?，其還允許使用較重的氣體一一例如空氣一一作為工作流體?；?zé)崞鲗⒕哂邢鄬唵蔚慕Y(jié)構(gòu)，并將與不同類型的外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)一一特別是阿爾法或貝塔型的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)一一兼容。
[0006]通過根據(jù)本發(fā)明的包括專利權(quán)利要求1中列舉的特征的回?zé)崞?，?shí)現(xiàn)了上述主題背景下的這些以及其他目的。對加熱器的進(jìn)一步改進(jìn)以及本發(fā)明的優(yōu)勢和優(yōu)選實(shí)施方式是從屬權(quán)利要求的主題。
[0007]因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)、特別是用于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的回?zé)崞?，該回?zé)崞鬟m于安裝在從發(fā)動(dòng)機(jī)的熱部至發(fā)動(dòng)機(jī)的冷部的工作流體的管道中。當(dāng)工作流體在從發(fā)動(dòng)機(jī)的熱側(cè)至發(fā)動(dòng)機(jī)的冷側(cè)的途中經(jīng)過回?zé)崞鲿r(shí)，該回?zé)崞髂軌蚪邮蘸团R時(shí)儲存工作流體寄存的熱，并且隨后，當(dāng)工作流體在從發(fā)動(dòng)機(jī)的冷側(cè)至熱側(cè)的途中經(jīng)過回?zé)崞鲿r(shí)，回?zé)崞髂軌蛟賹後尫胖凉ぷ髁黧w中?；?zé)崞靼ㄖ辽僖粋€(gè)貫通通道，該貫通通道沿貫通通道的軸線延伸方向從貫通通道的熱側(cè)口向冷側(cè)口漸縮，以使得貫通通道流動(dòng)的工作流體可以保持在大致恒定的壓力下。
[0008]通過為回?zé)崞魈峁呢炌ㄍǖ赖臒醾?cè)口向冷側(cè)口漸縮的至少一個(gè)貫通通道，考慮到在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中工作流體在提高的溫度的狀態(tài)下從發(fā)動(dòng)機(jī)的熱側(cè)到達(dá)熱側(cè)口。并且因此，工作流體傾向于膨脹并占據(jù)較大的容積，或者在可得的恒定的容積下具有較高的壓力。在工作流體穿過貫通通道的過程中，工作流體將其熱寄存至回?zé)崞?。由于工作流體的溫度降低，工作流體的體積收縮且其壓力降低。降低壓力指每單位面積中更少的分子到達(dá)貫通通道的側(cè)壁。因此，隨著工作流體的溫度降低，工作流體與回?zé)崞鞯呢炌ㄍǖ赖膫?cè)壁的熱交換也降低。
[0009]由于漸縮的貫通通道，溫度導(dǎo)致的壓力降低能夠被抵消。通過選擇貫通通道的錐度使得沿著貫通通道流動(dòng)的工作流體保持在大致恒定的壓力下，到達(dá)通道壁的分子的數(shù)量能夠保持大約恒定，并且回?zé)崞髦械臒峤粨Q效率可以顯著提高。此效果不僅發(fā)生在工作流體從外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的熱側(cè)流過貫通通道行進(jìn)到冷側(cè)時(shí)，而且在工作流體沿相反的方向、從外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的冷側(cè)流過貫通通道流到熱側(cè)時(shí)也會(huì)發(fā)生。工作流體一旦與貫通通道的壁接觸則吸收熱。工作流體隨著溫度升高而膨脹。貫通通道的橫截面以對應(yīng)于工作流體的體積增大的方式擴(kuò)大。因此，回?zé)崞鞯呢炌ㄍǖ纼?nèi)的工作流體的壓力保持大約恒定。避免了突然的壓力增大導(dǎo)致的流動(dòng)阻力的增大。貫通通道的漸縮的形狀避免了當(dāng)從外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的熱側(cè)行進(jìn)到冷側(cè)的工作流體被冷卻時(shí)的稀釋效果，并且避免了當(dāng)工作流體在沿相反的方向——從發(fā)動(dòng)機(jī)的冷側(cè)至熱側(cè)——行進(jìn)而被加熱時(shí)的封閉效果。工作流體中的渦流保持大約恒定并且是可控的。貫通孔沒有如金屬絲網(wǎng)之類的任何障礙物。因此，可以避免不受控制的額外的渦流?；?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)相對簡單并且僅需要形成從其熱側(cè)口向冷側(cè)口漸縮的至少一個(gè)貫通通道。
[0010]在回?zé)崞鞯囊粋€(gè)非常簡單的設(shè)計(jì)中，貫通通道可以連續(xù)地或者說線性地漸縮。這一實(shí)施方式的背景是假設(shè)工作流體在流過貫通通道的過程中溫度線性升高并因此體積增大?；?zé)崞鞯奶娲詫?shí)施方式也可以設(shè)置有呈錐形的至少一個(gè)貫通通道，該錐形沿著貫通通道的從回?zé)崞鞯臒醾?cè)口至回?zé)崞鞯睦鋫?cè)口的延伸方向增大或減小。
[0011]貫通通道原則上可以具有任意的橫截面。然而，回?zé)崞鞯囊粋€(gè)非常便利的實(shí)施方式設(shè)置呈大致的截頭錐形的至少一個(gè)貫通通道。這種形狀的機(jī)械實(shí)現(xiàn)能夠相對簡單地完成。
[0012]呈截頭錐形的貫通通道不需要具有圓形橫截面。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式中，貫通通道可以具有長形或橢圓形橫截面，從而形成分別位于回?zé)崞鞯臒醾?cè)和冷側(cè)處的差不多類似于狹槽的口。
[0013]對于大多數(shù)外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、特別是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用，可以使用回?zé)崞鳎責(zé)崞髦械闹辽僖粋€(gè)成錐形地漸縮的貫通通道具有側(cè)壁，該側(cè)壁與貫通通道的軸線所夾的角度大于0°至小于45°、優(yōu)選地2°至40°、最優(yōu)選地5°至35°。錐度可由技術(shù)工人根據(jù)回?zé)崞鞯臒醾?cè)口和冷側(cè)口處的工作流體的溫度來確定。根據(jù)本發(fā)明的具有上述指定范圍內(nèi)的大致錐形狀漸縮的漸縮貫通通道滿足了大多數(shù)外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的需求和通常所利用的、發(fā)動(dòng)機(jī)的熱側(cè)與冷側(cè)之間的溫度差。
[0014]根據(jù)熱交換的所需的程度，回?zé)崞骺梢栽O(shè)置有這樣的貫通通道，其中貫通通道的冷側(cè)口的橫截面面積為熱側(cè)口的橫截面面積的10%至小于100%、優(yōu)選地15%至80%、最優(yōu)選地20%至65 %。
[0015]為了增大當(dāng)工作流體流過回?zé)崞鲿r(shí)能夠發(fā)生熱交換的面積，回?zé)崞骺梢园ǘ鄠€(gè)漸縮的貫通通道，該多個(gè)貫通通道各自的軸線以彼此大致平行的方式延伸。全部的貫通通道可以根據(jù)前述實(shí)施方式中的任意實(shí)施方式漸縮。應(yīng)當(dāng)注意的是，為了機(jī)械簡易性和回?zé)崞餍实目深A(yù)見性，全部的貫通通道可以形成并構(gòu)造為同樣的。因此，依據(jù)回?zé)崞鞯臒醾?cè)的橫截面以及冷側(cè)的橫截面，貫通通道的口的寬度可以各不相同，錐度和口的橫截面的百分比關(guān)系優(yōu)選地為同樣的。
[0016]在回?zé)崞鞯目珊唵蔚匕惭b的實(shí)施方式中，多個(gè)通道的熱側(cè)口可以設(shè)置在熱側(cè)凸緣板中，而多個(gè)通道的冷側(cè)口設(shè)置在冷側(cè)凸緣板中。
[0017]為了更好地隔絕回?zé)崞鹘?jīng)由周圍環(huán)境發(fā)生的熱損失，貫通通道可以通過殼體被封閉。在回?zé)崞鞯倪@一實(shí)施方式中，熱側(cè)凸緣板和冷側(cè)凸緣板分別形成殼體的表面?zhèn)取?br>[0018]在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，該實(shí)施方式相對地易于制造且不需要特定的單獨(dú)組裝，多個(gè)通道可以設(shè)置在單件金屬中。熱側(cè)凸緣和冷側(cè)凸緣分別形成此單件金屬的表面?zhèn)取?br>[0019]在回?zé)崞鞯挠忠粋€(gè)實(shí)施方式中，熱側(cè)凸緣板可以適于安裝至用于外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的熱側(cè)的加熱裝置，冷側(cè)凸緣板可以適于安裝至用于外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的冷側(cè)的冷卻裝置。加熱裝置和冷卻裝置優(yōu)選地設(shè)置在回?zé)崞鞯母浇?，使得大量的熱能夠在工作流體與回?zé)崞髦g進(jìn)行交換。應(yīng)當(dāng)注意的是，在本發(fā)明的這一實(shí)施方式中，由于加熱裝置和冷卻裝置盡可能地接近回?zé)崞?，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的無效容積減小。
[0020]原則上，工作流體可以是液體或氣體。出于運(yùn)輸目的和效率原因，優(yōu)選氣態(tài)工作流體。因此，回?zé)崞靼ǘ鄠€(gè)貫通通道，其中，各貫通通道適于與氣態(tài)工作流體結(jié)合使用。氣態(tài)工作流體可以是具有高熱容的氣體，如氦氣或氫氣。為了降低例如對于氦氣而言所需的密封的復(fù)雜性，以及為了遵守氫氣作為工作流體的情況下的安全監(jiān)測方面的要求，空氣為優(yōu)選的工作流體。因此，回?zé)崞鞯呢炌ㄍǖ辣慌渲煤蛢?yōu)化為用于與作為工作流體的空氣相結(jié)合使用。
[0021]根據(jù)上述實(shí)施方式中的任意一個(gè)實(shí)施方式的回?zé)崞鲀?yōu)選地可以適于安裝在阿爾法型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的通路中。因此，阿爾法型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)選地配備有根據(jù)前述實(shí)施方式中的任意一個(gè)實(shí)施方式的回?zé)崞鳌＿@一斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)展示出較高效的熱交換，并且其具有比現(xiàn)有技術(shù)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)更流暢的操作特性。
【附圖說明】
[0022]通過參照示意性附圖對本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的以下描述將清楚本發(fā)明的其他細(xì)節(jié)和優(yōu)勢，以下附圖不按比例繪制，其中:
[0023]圖1示出包括根據(jù)本發(fā)明的回?zé)崞鞯囊粋€(gè)實(shí)施方式的阿爾法型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的截面圖；
[0024]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的回?zé)崞鞯脑恚?br>[0025]圖3示出回?zé)崞鞯囊粋€(gè)示例性實(shí)施方式的從熱側(cè)口上看時(shí)的立體圖；
[0026]圖4示出圖3的回?zé)崞鞯膹奈挥谪炌ㄍǖ赖睦鋫?cè)口上看時(shí)的立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]圖1示意性地示出阿爾法型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的截面圖。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為一種熟知的經(jīng)典的外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，并且由于包括回?zé)崞鞫鴧^(qū)別于其它已知類型的外燃熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)總體上用編號I表示。阿爾法型構(gòu)造的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)I包括第一氣缸2和第二氣缸3，其中，第一氣缸2和第二氣缸3的各自的活塞21、31周期性地上下移動(dòng)。兩個(gè)氣缸2、3經(jīng)由包括第一分支管41和第二分支管42的用于工作流體10的管道4連接。氣缸2、3和管道