專利名稱：供外燃機使用的回流換熱室和燃燒室以及使用該裝置發(fā)電的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及外燃機。更具體地說，本發(fā)明涉及具有燃燒室/回流換熱室組件設(shè)計的適合改善傳熱特性的外燃機，例如，斯特林循環(huán)發(fā)動機。
在十九世紀(jì)初葉，斯特林循環(huán)發(fā)動機最初是由羅勃特·斯特林構(gòu)思的。在十九世紀(jì)中葉，這種高溫氣體發(fā)動機的工業(yè)應(yīng)用曾經(jīng)是為給磨坊提供旋轉(zhuǎn)動力而設(shè)計的。其后直到二十世紀(jì)中葉，因為內(nèi)燃機的成功和流行，斯特林發(fā)動機被忽略。包括發(fā)動機和冷凍機的斯特林循環(huán)機是在通過引證在此被并入的Walker的“Striling Engings(Oxford University Press，1980)”中詳細描述的。
斯特林循環(huán)發(fā)動機的原理是斯特林熱力學(xué)循環(huán)的機械實現(xiàn)，包括(1)氣體在汽缸里面的等容加熱，(2)氣體的等溫膨脹(在此期間通過驅(qū)動活塞作功)，(3)等容冷卻和(4)等溫壓縮。關(guān)于斯特林循環(huán)機的各個方面及其改進的其它背景資料是在通過引證在此被并入的Hargreaves的“Phillips Stirling Engine(Elsevier，Amsterdam，1991)”中討論的。
斯特林發(fā)動機的高效率理論近年來已經(jīng)引起人們相當(dāng)大的興趣。斯特林發(fā)動機有一些附加的優(yōu)勢容易控制燃燒排放物、可以使用更安全、更廉價和更容易得到的燃料以及安靜的運轉(zhuǎn)，所有這些優(yōu)勢相結(jié)合使斯特林發(fā)動機在許多應(yīng)用成為非常符合需要的內(nèi)燃機的替代品。
盡管有這些優(yōu)勢，但是斯特林發(fā)動機的發(fā)展速度比可能以別的方式預(yù)期的緩慢得多。一些比較敏銳的問題包括需要在高壓下把工作氣體密封在工作空間里面、要求在高溫下把來自熱源的熱量通過加熱頭傳遞給工作氣體，和在負荷改變時需要用來調(diào)整功率的簡單、可靠且便宜的裝置。
一種很好地適合多種應(yīng)用的設(shè)計是自由-活塞斯特林發(fā)動機。自由-活塞斯特林發(fā)動機使用機械上與功率輸出構(gòu)件無關(guān)的置換器。它相對于功率輸出構(gòu)件的運動和定相是借助彈簧和塊狀物的動態(tài)平衡系統(tǒng)的狀態(tài)而不是機械鏈接實現(xiàn)的。
斯特林發(fā)動機已被推薦用于各式各樣的應(yīng)用。例子包括汽車應(yīng)用、制冷系統(tǒng)和在外太空中的應(yīng)用。給便攜式電子儀器、通信設(shè)備、醫(yī)用器件和遙控現(xiàn)場服務(wù)方面的其它設(shè)備供電的需求還提出另一種機會，因為這些應(yīng)用需要提供功率和能量密度高同時要求尺寸和重量最小、排放物和成本低的功率來源。
迄今，電池已經(jīng)成為提供便攜式功率來源的主要裝置。然而，給電池再次充電所需的時間已經(jīng)證明不便于連續(xù)使用的應(yīng)用。此外，便攜式電池通常僅限于提供從幾毫瓦到幾瓦的功率并因此不能滿足對高水平的移動式輕量級功率生產(chǎn)的需求。
用無論是汽油還是柴油作為燃料的內(nèi)燃機產(chǎn)生功率的小型發(fā)電機也已被使用。然而，這種發(fā)電機的噪音和排放物特性已經(jīng)使它們變成完全不適合各式各樣的移動式供電系統(tǒng)而且對于室內(nèi)使用是不安全的。盡管用高能量密度液體燃料產(chǎn)生功率的傳統(tǒng)的熱力發(fā)動機提供尺寸方面的優(yōu)勢，但是熱力學(xué)縮放比例和成本考慮已傾向于支持它們在較大的發(fā)電廠使用。
鑒于這些因素，存在適合功率范圍在大約5.1到51公斤米/秒(50到500瓦特)的功率系統(tǒng)的空間。此外，為了利用高能量密度液體燃料，需要能夠低速加燃料的改進的燃料準(zhǔn)備和遞送系統(tǒng)。另外，所述系統(tǒng)也必須能夠在排放物最少的情況下非常有效地燃燒。
使發(fā)動機效率達到最大值的驅(qū)動力鼓勵引進一些使斯特林發(fā)動機變得更適合比較寬廣的應(yīng)用范圍的修正?；镜乃固亓职l(fā)動機使用經(jīng)由釋放到大氣的廢氣能浪費相當(dāng)多的能量的連續(xù)燃燒系統(tǒng)。對于固定使用的斯特林發(fā)動機，配備笨重的鋼制熱交換器把某個比例的排氣熱量返還給引進的空氣促進燃燒。在汽車上使用時，笨重的鋼制熱交換器被早先發(fā)現(xiàn)在燃氣輪機發(fā)動機應(yīng)用中有用的那種類型的旋轉(zhuǎn)陶瓷預(yù)熱器代替。旋轉(zhuǎn)預(yù)熱器先使灼熱氣體通過新月形孔口暴露在正在旋轉(zhuǎn)的陶瓷輪子之下，然后使引進的空氣分開暴露在對準(zhǔn)獨立的新月形孔口的熱輪子之下。小型自由-活塞斯特林發(fā)動機已經(jīng)在尋求提高發(fā)動機效率方面遇到獨特的挑戰(zhàn)，因為固有的尺寸限制了可用的選擇。
鑒于上述內(nèi)容以及盡管有技術(shù)上的進步，繼續(xù)需要一種熱效率特性得到改善的小型活塞斯特林發(fā)動機。
提供一種用于外燃機的燃燒室/回流換熱室組件，其中包括按照單軸嵌套隔開關(guān)系放置的多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件，所述多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件至少形成第一流動室和第二流動室，所述第一流動室適合通過它輸送引進的空氣充氣而所述第二流動室適合通過它輸送流出的燃燒廢氣充氣，其中所述第二室被放置在有效地加熱引進的空氣充氣的位置。
在一個方面中，該組件中所述多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件包括(a)有外表面和內(nèi)表面的進氣圓頂；(b)有外表面和內(nèi)表面的回流換熱室圓頂；(c)有外表面和內(nèi)表面的排氣圓頂；以及(d)有外表面和內(nèi)表面的內(nèi)部圓頂，其中所述回流換熱室圓頂被放置在所述進氣圓頂?shù)乃鰞?nèi)表面和所述排氣圓頂?shù)乃鐾獗砻嬷g，而且所述內(nèi)部圓頂?shù)乃鐾獗砻媾徦雠艢鈭A頂?shù)乃鰞?nèi)表面。
還提供用于有加熱頭的外燃機的燃燒器，其中包括(a)供有加熱頭的外燃機使用的燃燒室/回流換熱室組件，所述的燃燒室/回流換熱室組件包括按照單軸嵌套隔開關(guān)系放置的多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件，所述多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件至少形成第一流動室和第二流動室，所述第一流動室適合通過它輸送引進的空氣充氣，而所述第二流動室適合通過它輸送流出的燃燒廢氣充氣；(b)燃料蒸發(fā)裝置，所述燃料蒸發(fā)裝置包括至少一個毛細管流動通道，所述至少一個毛細管流動通道有入口端和出口端，所述入口端與液體燃料來源流體連通；和沿著所述至少一個毛細管流動通道安排的熱源，而所述熱源是可操作的，以便把所述至少一個毛細管流動通道中的液體燃料加熱到足以至少使其一部分從液體狀態(tài)變成蒸汽狀態(tài)并且將已實質(zhì)上蒸發(fā)的燃料氣流從所述至少一個毛細管流動通道的所述出口端遞送出去的水平；以及
(c)用所述燃燒室/回流換熱室組件的內(nèi)表面和外燃機加熱頭的外表面限定的燃燒室，所述燃燒室有一個用來使實質(zhì)上已蒸發(fā)的燃料和空氣的氣流燃燒起來的點火器，所述燃燒室與所述至少一個毛細管流動通道的所述出口端連通，其中所述燃燒室/回流換熱室組件的所述第二室被放置在有效加熱引進的空氣充氣的位置。
另外提供一種發(fā)電方法，其中包括(a)通過進氣引進空氣流；(b)把液體燃料供應(yīng)給至少一個毛細管流動通道；(c)通過加熱至少一個毛細管流動通道中的液體燃料使實質(zhì)上已蒸發(fā)的燃料氣流通過至少一個毛細管流動通道的出口；(d)使空氣和已蒸發(fā)的燃料在燃燒室中燃燒；(e)通過排氣口排放燃氣氣流；(f)完成從在步驟(e)中排放的燃氣氣流到在步驟(a)中通過回流換熱室引進的空氣流的熱交換；以及(g)使用外燃機把已蒸發(fā)的燃料在燃燒室燃燒所產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換成機械功率和/或電力，其中回流換熱室包括按照單軸嵌套關(guān)系放置的多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件，多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件至少形成第一流動室和第二流動室，第一流動室適合通過它輸送引進的空氣充氣，第二流動室適合通過它輸送流出的燃燒廢氣充氣，而且第二室被放置在有效加熱引進的空氣充氣的位置。
本發(fā)明現(xiàn)在將參照僅僅作為例子給出的本發(fā)明的優(yōu)選形式和參照附圖予以更詳細地描述，其中

圖1給出燃料蒸發(fā)裝置、燃燒室和排氣熱量回流換熱室的示意圖；圖2以橫截面展示依照本發(fā)明的實施方案的燃燒室/回流換熱室組件的透視圖；圖3給出依照本發(fā)明的實施方案燃燒室/回流換熱室組件的剖視圖；圖4展示依照本發(fā)明的實施方案的燃燒室/回流換熱室組件的放大剖視圖；圖5給出依照本發(fā)明燃燒室/回流換熱室組件的替代實施方案的剖視圖；圖6是依照本發(fā)明的發(fā)電裝置的示意圖，其中外燃機依照本發(fā)明的一個實施方案用來發(fā)電。
現(xiàn)在介紹在圖1-6中舉例說明的實施方案，其中類似的數(shù)字用來處處表示類似的零部件。
本發(fā)明提供一種適合供外燃機(尤其是斯特林發(fā)動機)使用的燃燒室/回流換熱室設(shè)計。該設(shè)計為了保證對諸如外燃機加熱頭之類的負荷的最大的高質(zhì)量傳熱和在回流換熱室中預(yù)熱助燃空氣的有效的低質(zhì)量傳熱提供與輕質(zhì)絕熱材料一起安排的助燃空氣和排氣的流動通道。這導(dǎo)致在緊湊的、重量輕而且低成本的設(shè)計中對負荷的最有效的傳熱。
如同眾所周知的那樣，斯特林發(fā)動機是使用外部的連續(xù)燃燒系統(tǒng)加熱的外燃機。通常，這種連續(xù)燃燒系統(tǒng)是由進氣系統(tǒng)、排氣口和燃燒室組成的。為了提高總的系統(tǒng)效率，使用預(yù)熱引進空氣流的裝置是有利的。
以許多方式限制燃料燃燒為加熱頭提供熱量。舉例來說，熱量必須是在介于大約500℃和750℃之間的溫度下提供的。加熱頭上可用的表面區(qū)域要求要么必須從燃燒熱源產(chǎn)生非常高的熱通量率，要么必須提供擴展的加熱頭表面，或兩者。此外，重要的是傳熱和頭部溫度應(yīng)該盡可能均勻一致，而且燃燒應(yīng)該在生成諸如NOx、CO和未燃盡的碳氫化合物之類的污染物種最少的情況下完成。
為了使該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率達到最大值，應(yīng)該使用被充分預(yù)熱的助燃空氣。為了實現(xiàn)這個目的，空氣在回流換熱室中被預(yù)先加熱。然而，高助燃空氣溫度顯著地增加形成來自燃燒室的NOx排放物的可能性。燃燒室應(yīng)該在盡可能低的過?？諝馑较虏僮?，以使煙道損失最小和使系統(tǒng)效率達到最大值。對于最大的燃燒室效率，作為可直接利用的來自燃燒的熱量的高質(zhì)量的熱量應(yīng)該被直接轉(zhuǎn)移給發(fā)動機的加熱頭，而作為排氣氣流的熱量的質(zhì)量較低的熱量應(yīng)該用來預(yù)熱回流換熱室中的助燃空氣。
現(xiàn)在參照圖1，展示斯特林發(fā)動機的燃燒室/回流換熱室部分10的示意圖。燃料和空氣以常溫T0(即，環(huán)境溫度)進入燃燒室12。燃燒產(chǎn)物以通常統(tǒng)一的溫度T4排出。
燃燒產(chǎn)物最后接觸膨脹交換器14的外表面的溫度必須高于名義來源溫度TE。人們可能領(lǐng)會到，在這個溫度下排放燃燒產(chǎn)物將會失去實現(xiàn)高的總效率的任何可能，因此燃燒系統(tǒng)應(yīng)該準(zhǔn)備通過與排氣的熱交換給空氣預(yù)熱。仍然參照圖1，在溫度T0下空氣進入回流換熱室20的預(yù)熱通道18的入口16，在經(jīng)由回流換熱室20得到來自排氣的熱量之后出現(xiàn)在出口24呈現(xiàn)溫度Tb。
在溫度T0下從燃料遞送裝置28的出口26引進燃料。非必選地，它可能以m′ap的速率用高壓空氣來源30夾帶注入。人們可能領(lǐng)會到，這種系統(tǒng)的凈空氣/燃料比以兩種氣流的總和m′a＝(m′ap+m′as)為基礎(chǔ)。在適度預(yù)熱的情況下，燃料和空氣可能預(yù)先混合。供本發(fā)明的實踐使用的特別優(yōu)選的基于毛細管的燃料蒸發(fā)裝置是在美國專利公開第US-2003-0177768-A1號中揭示的。
其后，在燃燒室12中進行燃燒，產(chǎn)生溫度T2。在這個例子中，在燃燒產(chǎn)物通過膨脹交換器14之前，燃燒是完全的，其中所述燃燒產(chǎn)物是在T3下退出膨脹交換器14的。這是產(chǎn)物進入回流換熱室20的排氣通道22的排氣入口32的溫度。排氣產(chǎn)物在與引進的空氣進行交換熱之后在T4下排出。
現(xiàn)在參照圖2-4，本發(fā)明尋求在緊湊的、重量輕的和低成本的設(shè)計中以最高效率實現(xiàn)對斯特林發(fā)動機加熱頭的有效傳熱。如圖所示，燃燒室殼體/回流換熱室組件是由四個嵌套的實質(zhì)上半球形圓頂組成的。這四個圓頂包括可以用不銹鋼或一種眾所周知的超級合金制造的壁厚從大約0.5毫米到大約1毫米的進氣圓頂150、也可以用不銹鋼制造的壁厚從大約0.5到大約1毫米的回流換熱室圓頂152、又可以用不銹鋼制造的壁厚大約為1毫米的排氣圓頂154和又可以用不銹鋼制造的壁厚大約為1毫米的內(nèi)部圓頂156。耐高溫材料160附著在內(nèi)部圓頂156上，以便進一步把進氣圓頂150、回流換熱室圓頂152和排氣圓頂154與燃燒產(chǎn)生的熱量隔絕和提高把最大熱量傳遞給斯特林發(fā)動機加熱頭170的外表面(見圖3)的能力。為了進一步幫助傳熱，可能由不銹鋼構(gòu)成的加熱頭170可能被進一步鍍上一層銅。如圖4所示，嵌套的不銹鋼圓頂是按照隔開關(guān)系設(shè)置的，為的是形成下面討論的通道。不銹鋼圓頂可以借助焊接或銅焊與焊接到陶瓷殼上用來定位的圓形或半圓形管子結(jié)合在一起。
參照圖2和4，助燃空氣被引進入口180然后進入上面的歧管182，在那里它向下流動先通過多個流道184，再通過由進氣圓頂150和回流換熱室圓頂152組合而成的外殼通道186。然后，助燃空氣借助來自流過由排氣圓頂154和內(nèi)部圓頂156組合而成的排氣殼通道190的燃燒產(chǎn)物的對流傳熱吸取熱量?？諝馐峭ㄟ^沿著圓周安排的多個狹槽194輸送的，然后改變方向向上通過由回流換熱室圓頂152和排氣圓頂154組合而成的內(nèi)殼通道192被進一步加熱，最后經(jīng)由上面的歧管182進入中央的燃燒區(qū)域200，在那里它與燃料混合并且被點燃。燃燒室可以要么是按照擴散火焰模式通過歧管182沿著中心軸線引進燃料操作的，要么是按照預(yù)先混合模式把燃料引進回流換熱室通道或歧管182操作的。燃燒區(qū)借助對流和輻射給斯特林發(fā)動機加熱器頭170加熱。燃燒產(chǎn)物在加熱頭的底部流出然后向上流過排氣圓頂154和內(nèi)部圓頂156組合而成的位于輕質(zhì)耐高溫絕緣材料160后面的排氣殼通道190。
優(yōu)選的耐高溫材料包括重量輕、純度高而且工況額定值至少大約1260℃(2300F)的氧化鋁-二氧化硅纖維，更優(yōu)選工況額定值范圍為至少大約1427℃到大約1538℃(2600F到大約2800F)。所述材料呈現(xiàn)特有的低導(dǎo)熱系數(shù)、低比熱、高的抗熱沖擊性和非常好的耐用性。適合本發(fā)明使用的耐高溫材料在538℃(1000F)的平均溫度下?lián)碛兄辽俅蠹s1.2joules/(sec)(cm2)(℃/cm)(0.8BTUin/hr/ft2)的近似導(dǎo)熱系數(shù)值(ASTM C-201)。這種材料的來源是在市場上按照商標(biāo)GemcoliteTM銷售的產(chǎn)品，來自俄亥俄州Sebring的Refractory Specialties Incorporated公司。
本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員可以領(lǐng)會到，毗鄰火焰區(qū)的絕熱材料的位置不允許高質(zhì)量的熱量經(jīng)由溫度較低的回流換熱室壁傳遞給引進的空氣和外部環(huán)境從而提高效率。
優(yōu)選的是，燃燒室可以是使用氣體燃料來源加燃料的，或者燃燒室可以配備能夠為燃燒提供已蒸發(fā)的高能量密度液體燃料的燃料系統(tǒng)。在標(biāo)準(zhǔn)的溫度和壓力(環(huán)境條件)下作為氣體存在的適當(dāng)?shù)娜剂习ㄖT如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷之類的烴類燃料。
作為替代，適合本發(fā)明使用的燃料汽化器被示意地展示在圖3中?，F(xiàn)在參照圖3，本發(fā)明的燃燒室/回流換熱室組件可能配備燃料汽化器，該燃料汽化器可以包括至少一個與燃料補給系統(tǒng)(未展示)連接的按規(guī)定尺寸制作的毛細管流動通道300。如同在美國專利公開第US-2003-0177768-A1號中所揭示的那樣，熱源是沿著流動通道300安排的，以便把流動通道中的液體燃料加熱到足以把已蒸發(fā)的燃料氣流從流動通道的出口遞送到已蒸發(fā)的燃料在其中燃燒的燃燒區(qū)200。流動通道300可能是與電阻加熱器加熱的毛細管，其中一段管子被通過的電流加熱。特別優(yōu)選的是，毛細管流動通道應(yīng)該有低的熱慣性，以致毛細管通道300能非常快地升溫到預(yù)期的燃料蒸發(fā)溫度，例如，在2.0秒以內(nèi)，優(yōu)選在0.5秒以內(nèi)，更優(yōu)選在0.1秒以內(nèi)。按規(guī)定尺寸制作的毛細管流動通道優(yōu)選在諸如單層或多層的金屬、陶瓷或玻璃本體之類的毛細管本體中形成。該通道有通向入口和出口的封閉體積，其中所述入口和出口之一可能通向毛細管本體的外部或可能與在同一本體或另一個本體之內(nèi)的另一個通道連接或與附屬裝置連接。加熱器能用所述本體的一部分(例如，一段不銹鋼管)形成，或者加熱器可以是被合并在毛細管本體之中或之上的不連續(xù)的電阻加熱材料層或電阻加熱絲。
圖5依照本發(fā)明的另一方面給出燃燒室/回流換熱室組件的替代實施方案的剖視圖。燃燒室殼體/回流換熱室組件由四個嵌套的實質(zhì)上半球形圓頂組成，雖然外部的三個圓頂是開口端向外增大的，以適應(yīng)歧管，如圖所示。四個圓頂包括可以用不銹鋼制造的壁厚從大約0.5毫米到大約1毫米的進氣圓頂550、也可以用不銹鋼制造的壁厚從大約0.5毫米到大約1毫米的回流換熱室圓頂552、又可以用不銹鋼制造的壁厚大約為1毫米的排氣圓頂554和又可以用不銹鋼制造的壁厚大約為1毫米的內(nèi)部圓頂556。耐高溫材料560附著在內(nèi)部圓頂556上，以使進氣圓頂550、回流換熱室圓頂552和排氣圓頂554進一步隔絕燃燒產(chǎn)生的熱量和提高能力把最大量的熱量轉(zhuǎn)移到斯特林發(fā)動機加熱頭(未展示)的外表面。如圖所示，嵌套的不銹鋼圓頂是按照隔開關(guān)系設(shè)置的，為的是形成進氣通道和排氣通道。這些不銹鋼圓頂可以借助焊接或銅焊結(jié)合在一起。
有利的是，為了在給組件加熱和排氣圓頂554熱膨脹期間提供柔性，內(nèi)部圓頂560可以是對排氣圓頂554彈簧加載的，而不是被剛性地固定。這也避免起因于斯特林發(fā)動機振動的內(nèi)部圓頂560的實時磨損。另一種適當(dāng)?shù)陌才虐ū绢I(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員將認可的在燃氣渦輪發(fā)動機中使用的那種類型的陶瓷/金屬氈。
在操作中，助燃空氣被引進入口580，在那里它向下流動經(jīng)過進氣圓頂550和回流換熱室圓頂552組合而成的外殼通道586。然后，助燃空氣借助對流傳熱吸收來自通過由排氣圓頂554和內(nèi)部圓頂556組合而成的排氣殼通道590流出的燃燒產(chǎn)物的熱量。空氣通過多個沿著圓周安排的狹槽594，然后改變方向向上通過由回流換熱室圓頂552和排氣圓頂554組合而成的內(nèi)殼通道592，并且被進一步加熱，最后經(jīng)由上面的歧管582，通過多個出口狹長孔588進入中心燃燒區(qū)600，在那里它與燃料混合并且被點燃。人們可以領(lǐng)會到，通過多個出口狹長孔588的助燃空氣用來把漩渦運動賦予助燃空氣。漩流空氣用來形成適合燃燒的更均勻的空氣和燃料混合物，從而產(chǎn)生更穩(wěn)定的火焰。燃燒區(qū)借助對流和輻射給斯特林發(fā)動機加熱頭(未展示)加熱。燃燒產(chǎn)物從加熱頭的底部流出，然后向上流動通過由排氣圓頂554和位于輕質(zhì)耐高溫絕熱材料560后面的內(nèi)部圓頂556組合而成的排氣殼通道590。
再一次，優(yōu)選的耐高溫材料包括工況額定值至少大約為1260℃(2300F)的重量輕、純度高的氧化鋁-二氧化硅纖維，更優(yōu)選工況額定值范圍從至少大約1427℃到大約1538℃(2600F到大約2800F)。適合本發(fā)明使用的耐高溫材料在538℃(1000F)的平均溫度下?lián)碛兄辽俅蠹s1.2Joules/(sec)(cm2)(℃/cm)(0.8BTU in/hr/ft2)的近似導(dǎo)熱系數(shù)值(ASTM C-201)。這樣的材料的來源是按照商標(biāo)GemcoliteTM在市場上銷售的產(chǎn)品，來自俄亥俄州Sebring的Refractory Specialties Incorporated公司。
與圖2-4的實施方案一樣，毗鄰火焰區(qū)的絕熱材料位置不允許高質(zhì)量的熱量經(jīng)由溫度較低的回流換熱室壁傳遞給引進的空氣和外部環(huán)境，從而提高效率。
圖6展示依照本發(fā)明另一方面的功率系統(tǒng)400的示意圖。功率系統(tǒng)400包括諸如運動型斯特林發(fā)動機或自由-活塞斯特林發(fā)動機之類的外燃機430、燃燒室434和交流發(fā)電機432，其中熱量在550-750℃下被驅(qū)動交流發(fā)電機432產(chǎn)生電力的往復(fù)運動活塞轉(zhuǎn)換成機械功率。該組件還包括毛細管流動通道/加熱器組件436、控制器438、整流器/調(diào)節(jié)器440、電池442、燃料補給系統(tǒng)444、前面揭示的并在圖2-4中描繪的那種類型的燃燒室/回流換熱室組件446、助燃鼓風(fēng)機448、冷卻器450和冷卻器/鼓風(fēng)機452。在運行中，控制器438是可操作的，以便控制向毛細管436遞送燃料和控制燃料在燃燒室434中的燃燒，以致燃燒產(chǎn)生的熱量驅(qū)動斯特林發(fā)動機430的活塞，使該發(fā)動機通過交流發(fā)電機432輸出電力。如果需要，斯特林發(fā)動機430/交流發(fā)電機432能用輸出機械功率的運動型斯特林發(fā)動機(未展示)代替。
為了開始燃燒，空氣-燃料混合物能被限制在用諸如火花發(fā)生器之類的點火器點燃所述混合物的點火區(qū)。點火器可以是任何能夠點燃燃料的裝置，例如機械式火花發(fā)生器、電火花發(fā)生器、電阻加熱的點火絲以及類似的裝置。電火花發(fā)生器能用任何適當(dāng)?shù)碾娫?例如小電池)供電。然而，電池能用被激活時產(chǎn)生電流的手動操作的壓電換能器代替。采用這樣的安排，電流能由于壓縮該換能器以電機械方式產(chǎn)生。舉例來說，撞擊物可以是這樣安排的，在按壓板機時撞擊物用預(yù)定的力撞擊該換能器。該換能器所產(chǎn)生的電力能借助適當(dāng)?shù)碾娐饭?yīng)火花發(fā)生機制。這樣的安排可以用來點燃燃料-空氣混合物。
所產(chǎn)生的一些電力能被儲存在諸如電池或電容器之類能給點火器供電的適當(dāng)?shù)膬Υ嫜b置中。舉例來說，手動操作的開關(guān)能用來把電流遞送給電阻加熱元件或直接通過一部分金屬管遞送，使流動通道中的燃料蒸發(fā)，和/或把該電流供應(yīng)給點火器使遞送到燃燒室的燃料-空氣混合物開始燃燒。
如果需要，該功率系統(tǒng)的輸出可能被用來操作任何類型的依靠機械力或電力的裝置。舉例來說，所產(chǎn)生的電力可能被用于便攜式用電設(shè)備，例如，電話通信裝置(例如，無線電話)、便攜式計算機、電動工具、器具、野營設(shè)備、軍事設(shè)備、諸如電動自行車、電動輪椅和船用推進裝置之類的運輸設(shè)備、電子敏感元件、電子監(jiān)測設(shè)備、電池充電器、照明設(shè)備、加熱設(shè)備，等等。該功率系統(tǒng)還可能被用來把功率供應(yīng)給非便攜式裝置或使用電力網(wǎng)不可得、不方便或不可靠的位置。這樣的位置和/或非便攜式裝置包括偏僻的住宅和軍事營地、自動售貨機、船用設(shè)備，等等。
盡管本發(fā)明已參照其優(yōu)選的實施方案被詳細地描述，但是不脫離本發(fā)明的范圍可以有各種不同的變化和可用的等價方案，這一點對于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.供有加熱頭的外燃機使用的燃燒室/回流換熱室組件，其中包括按照單軸嵌套隔開關(guān)系放置的多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件，所述多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件至少形成第一流動室和第二流動室，所述第一流動室適合于通過它傳送引進的空氣充氣，而所述第二流動室適合于通過它傳送流出的燃燒廢氣充氣，其中所述第二室被放置在有效加熱引進的空氣充氣的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中所述多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件包括(a)有外表面和內(nèi)表面的進氣圓頂；(b)有外表面和內(nèi)表面的回流換熱室圓頂；(c)有外表面和內(nèi)表面的排氣圓頂；以及(d)有外表面和內(nèi)表面的內(nèi)部圓頂，其中所述回流換熱室圓頂被放置在所述進氣圓頂?shù)膬?nèi)表面和所述排氣圓頂?shù)耐獗砻嬷g，而所述內(nèi)部圓頂?shù)乃鐾獗砻媾徦雠艢鈭A頂?shù)乃鰞?nèi)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的組件，進一步包括附著在所述內(nèi)部圓頂?shù)乃鰞?nèi)表面之上使所述進氣圓頂、所述回流換熱室圓頂和所述排氣圓頂與燃燒所產(chǎn)生的熱量隔離的耐高溫材料，借此所述耐高溫材料提高把熱量轉(zhuǎn)移到外燃機加熱頭的外表面的能力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的組件，其中所述耐高溫材料是具有工況額定值至少大約為1260℃(2300F)的重量輕、純度高的氧化鋁-二氧化硅纖維。
5.根據(jù)任何上述權(quán)力要求的組件，其中外燃機的加熱頭被鍍上銅層以便提高對加熱頭的傳熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4或5的組件，其中所述進氣圓頂是用不銹鋼制造的，有大約0.5毫米到大約1毫米的壁厚。
7.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4、5或6的組件，其中所述回流換熱室圓頂是用不銹鋼制造的，有大約0.5毫米到大約1毫米的壁厚。
8.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4、5、6或7的組件，其中所述排氣圓頂是用不銹鋼制造的，有大約1毫米的壁厚。
9.一種用于有加熱頭的外燃機的燃燒器，其中包括(a)供有加熱頭的外燃機使用的燃燒室/回流換熱室組件，所述燃燒室/回流換熱室組件包括按照單軸嵌套隔開關(guān)系放置的多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件，所述多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件至少形成第一流動室和第二流動室，所述第一流動室適合于通過它傳送引進的空氣充氣而所述第二流動室適合于通過它傳送流出的燃燒廢氣充氣；(b)燃料蒸發(fā)裝置，所述燃料蒸發(fā)裝置包括至少一個毛細管流動通道，所述至少一個毛細管流動通道有入口端和出口端，所述入口端與液體燃料來源流體連通；和沿著所述至少一個毛細管流動通道安排的熱源，而所述熱源是可操作的，以便把所述至少一個毛細管流動通道中的液體燃料加熱到足以至少使其一部分從液體狀態(tài)變成蒸汽狀態(tài)并且將已實質(zhì)上蒸發(fā)的燃料氣流從所述至少一個毛細管流動通道的所述出口端遞送出去的水平；以及(c)用所述燃燒室/回流換熱室組件的內(nèi)表面和外燃機加熱頭的外表面定義的燃燒室，所述燃燒室有用來使實質(zhì)上已蒸發(fā)的燃料和空氣的氣流燃燒的點火器，所述燃燒室與所述至少一個毛細管流動通道的所述出口端連通，其中所述燃燒室/回流換熱室組件的所述第二室被放置在有效加熱引進的空氣充氣的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的燃燒器，其中所述多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件包括(a)有外表面和內(nèi)表面的進氣圓頂；(b)有外表面和內(nèi)表面的回流換熱室圓頂；(c)有外表面和內(nèi)表面的排氣圓頂；以及(d)有外表面和內(nèi)表面的內(nèi)部圓頂，其中所述回流換熱室圓頂被放置在所述進氣圓頂?shù)乃鰞?nèi)表面和所述排氣圓頂?shù)乃鐾獗砻嬷g，而且所述內(nèi)部圓頂?shù)乃鐾獗砻媾徦雠艢鈭A頂?shù)乃鰞?nèi)表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的燃燒器，進一步包括附著在所述內(nèi)部圓頂?shù)乃鰞?nèi)表面之上使所述進氣圓頂、所述回流換熱室圓頂和所述排氣圓頂與燃燒產(chǎn)生的熱量隔絕的耐高溫材料，借此所述耐高溫材料提高熱量向外燃機加熱頭的外表面轉(zhuǎn)移的能力。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的燃燒器，其中所述耐高溫材料是具有工況額定值至少大約為1260℃(2300F)的重量輕、純度高的氧化鋁-二氧化硅纖維。
13.根據(jù)任何上述權(quán)力要求的燃燒器，其中外燃機的加熱頭被鍍上銅層以便提高對加熱頭的傳熱。
14.根據(jù)權(quán)利要求10、11、12或13的燃燒器，其中所述進氣圓頂是用不銹鋼制造的，有從大約0.5毫米到大約1毫米的壁厚。
15.根據(jù)權(quán)利要求10、11、12、13或14的燃燒器，其中所述回流換熱室圓頂是用不銹鋼制造的，有從大約0.5毫米到大約1毫米的壁厚。
16.根據(jù)權(quán)利要求10、11、12、13、14或15的燃燒器，其中所述排氣圓頂是用不銹鋼制造的，有大約1毫米的壁厚。
17.一種發(fā)電的方法，該方法包括下述步驟(a)促使空氣流經(jīng)進氣口；(b)把液體燃料供應(yīng)給至少一個毛細管流動通道；(c)通過加熱至少一個毛細管流動通道中的液體燃料使實質(zhì)上已蒸發(fā)的燃料氣流通過至少一個毛細管流動通道的出口；(d)使空氣和已蒸發(fā)的燃料在燃燒室中燃燒；(e)通過排放裝置排放燃氣氣流；(f)通過回流換熱室完成從在步驟(e)中排放的燃氣流到在步驟(a)中引進的空氣流的熱交換；以及(g)使用外燃機把已蒸發(fā)的燃料在燃燒室中燃燒產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)換成機械功率和/或電力，其中所述回流換熱室包括多個按照單軸嵌套關(guān)系放置的實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件，多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件至少形成第一流動室和第二流動室，第一流動室適合通過它傳送引進的空氣充氣，而第二流動室適合通過它傳送流出的燃燒廢氣充氣，第二室被放置在有效加熱引進的空氣充氣的位置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件包括(a)有外表面和內(nèi)表面的進氣圓頂；(b)有外表面和內(nèi)表面的回流換熱室圓頂；(c)有外表面和內(nèi)表面的排氣圓頂；以及(d)有外表面和內(nèi)表面的內(nèi)部圓頂，其中回流換熱室圓頂被放置在進氣圓頂?shù)膬?nèi)表面和排氣圓頂?shù)耐獗砻嬷g，而且內(nèi)部圓頂?shù)耐獗砻媾徟艢鈭A頂?shù)膬?nèi)表面。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，進一步包括附著在內(nèi)部圓頂?shù)膬?nèi)表面之上使進氣圓頂、回流換熱室圓頂和排氣圓頂與燃燒產(chǎn)生的熱隔絕的耐高溫材料，借此耐高溫材料提高把熱量轉(zhuǎn)移到外燃機加熱頭的外表面的能力。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中所述耐高溫材料是具有工況額定值至少大約為1260℃(2300F)的重量輕、純度高的氧化鋁-二氧化硅纖維。
全文摘要
一種供諸如斯特林發(fā)動機之類外燃機使用的燃燒室/回流換熱室組件。該組件包括按照單軸嵌套隔開關(guān)系放置的多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件，所述多個實質(zhì)上半球形圓頂構(gòu)件至少形成第一流動室和第二流動室，所述第一流動室適合于通過它輸送引進的空氣充氣，而所述第二流動室適合于通過它輸送流出的燃燒廢氣充氣，其中所述第二室被放置在有效加熱引進的空氣充氣的位置。
文檔編號F02G5/02GK1846051SQ200480024858
公開日2006年10月11日 申請日期2004年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月1日
發(fā)明者羅伯托·O·珀里澤瑞, 彼得·勞弗特斯 申請人:蒂艾克思股份有限公司