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      用于斯特林循環(huán)機(jī)的沖擊式換熱器的制作方法

      文檔序號(hào):5207467閱讀:314來(lái)源:國(guó)知局
      專利名稱:用于斯特林循環(huán)機(jī)的沖擊式換熱器的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及斯特林(Stirling)循環(huán)機(jī),并且尤其涉及斯特林循環(huán)機(jī)中的換熱器,該換熱器被用來(lái)在運(yùn)行期間將熱傳遞到并且傳遞出工作流體。
      斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)最初在19世紀(jì)早期由羅伯特·斯特林構(gòu)想出。19世紀(jì)中期,這種熱氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的商業(yè)應(yīng)用被設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)研磨機(jī)提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。此后,由于內(nèi)燃機(jī)的成功和流行,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)一直被忽視,直到20世紀(jì)中期。在引入本文作為參考,Walker的《斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(Stirling Engine)》(牛津大學(xué)出版社(1980))中,詳細(xì)描述了包括發(fā)動(dòng)機(jī)和致冷器的斯特林循環(huán)機(jī)。
      作為斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)的原理是斯特林熱力循環(huán)的機(jī)械實(shí)現(xiàn)1)氣缸中氣體的等容加熱,2)氣體的絕熱膨脹(在此期間,通過(guò)驅(qū)動(dòng)活塞來(lái)做功),3)等容冷卻以及,4)絕熱壓縮。在引入本文作為參考,Hargreaves的《菲利浦斯斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)》(Phillips Stirling Engine)(Elsevier,Amsterdam,1991)中,討論了另外關(guān)于斯特林循環(huán)機(jī)以及對(duì)它的改善方面的背景。
      近年來(lái),斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)理論上的高效率已吸引了相當(dāng)多的關(guān)注。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)增加了額外的優(yōu)點(diǎn),即,易于控制燃燒放射,潛在的更安全、更便宜以及更易于獲得的燃料的使用和安靜的運(yùn)行,所有這些結(jié)合起來(lái),使得斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō),成為高度期望的內(nèi)燃機(jī)替換物。
      盡管具有這些優(yōu)點(diǎn),斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展還是以比預(yù)期的慢得多的速度進(jìn)行。一些更嚴(yán)重的問(wèn)題包括,要求在高壓下將工作氣體密封在工作空間中,需要在高溫下通過(guò)加熱器頭(heater head)將熱從熱源傳遞到工作氣體,以及當(dāng)負(fù)載改變時(shí),需要簡(jiǎn)單、可靠并且廉價(jià)的手段來(lái)調(diào)整動(dòng)力。
      一種很好地適合于多種應(yīng)用的設(shè)計(jì)是自由活塞(free-piston)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)使用置換器,所述置換器機(jī)械地獨(dú)立于動(dòng)力輸出件。該置換器相對(duì)于動(dòng)力輸出件的運(yùn)動(dòng)和定相是通過(guò)彈簧和質(zhì)量的平衡動(dòng)態(tài)系統(tǒng)狀態(tài),而不是機(jī)械鏈接來(lái)完成的。
      斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)已被建議用于廣大范圍的應(yīng)用中。實(shí)施例包括汽車應(yīng)用、致冷系統(tǒng)以及太空中的應(yīng)用。對(duì)偏遠(yuǎn)地域服務(wù)中的便攜式電子設(shè)備、通信裝備、醫(yī)療器件以及其他設(shè)備供以動(dòng)力的需要還呈現(xiàn)了另一個(gè)機(jī)會(huì),因?yàn)檫@些應(yīng)用需要既提供高功率,又提供高能量密度的電源,同時(shí)還需要最小的尺寸和重量,低的放射低成本。
      時(shí)至今日,電池已成為提供便攜式電源的主要手段。然而,對(duì)電池再充電所需的時(shí)間已證明,對(duì)于持續(xù)使用的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不方便的。此外,便攜式電池通常受限于幾毫瓦到幾瓦范圍內(nèi)的功率產(chǎn)出(power production),并且因此不能解決對(duì)相當(dāng)水平的可移動(dòng)輕便功率產(chǎn)出的需要。
      還使用了由內(nèi)燃機(jī)來(lái)供以動(dòng)力的小發(fā)電機(jī),不管是以汽油還是柴油來(lái)作為燃料。然而,這種發(fā)電機(jī)的噪音和放射特征已使得它們完全不適合于廣大范圍的可移動(dòng)電源系統(tǒng)(power system),并且對(duì)于室內(nèi)使用是不安全的。盡管由高能量密度液體燃料供以動(dòng)力的常規(guī)熱發(fā)動(dòng)機(jī)提供了尺寸方面的優(yōu)勢(shì),但熱力學(xué)定標(biāo)以及成本方面的考慮因素已傾向于支持它們?cè)谳^大的動(dòng)力廠中使用。
      為了實(shí)現(xiàn)斯特林循環(huán),或者是出于在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施方案中獲得動(dòng)力的目的,或者是出于在冷卻器實(shí)施方案中致冷的目的,必須對(duì)機(jī)器同時(shí)提供外部熱源和外部散熱器。在機(jī)器的外部壓力容器壁與工作流體之間的熱傳遞一般通過(guò)使用內(nèi)部換熱器來(lái)完成。當(dāng)盡可能多的熱被傳遞到工作流體,而不是傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)元件或者其他熱吸收體時(shí),獲得的效率最大。
      向工作流體的熱傳遞被三種換熱器特征影響1)換熱器與熱源/散熱器以及工作流體接觸的表面面積,2)工作流體與該表面之間的熱傳遞系數(shù),以及3)換熱器表面與工作流體之間的溫度差異??梢酝ㄟ^(guò)提高這三個(gè)參數(shù)中的任何一個(gè)或者所有來(lái)獲得改善的熱傳遞。
      在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中,對(duì)高的熱效率的期望要求高的回?zé)崞餍Я?,并且離開回?zé)崞鞑⑦M(jìn)入熱端換熱器(此后,稱為“加熱器”)的流體因此達(dá)到或者接近加熱器壁的溫度。同樣,離開回?zé)崞鞑⑦M(jìn)入冷端換熱器(此后,稱為“冷卻器”)的工作流體的溫度達(dá)到或者接近冷卻器壁的溫度。此外,因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)壓力變化一般是低的,尤其在自由活塞斯特林機(jī)實(shí)施方案中,所以末端狀態(tài)的膨脹或者壓縮流體的溫度分別傾向于加熱器和冷卻器壁的溫度。另外,常規(guī)加熱器或者冷卻器換熱器中的工作流體溫度在各自的換熱器入口處,空間地隨工作流體與換熱器壁之間的最大溫度差異而改變,并且沿?fù)Q熱器的長(zhǎng)度而降低,直到在換熱器的出口達(dá)到最低,如果換熱器被設(shè)計(jì)得相當(dāng)好的話,在所述換熱器出口,工作流體便已達(dá)到非常接近于換熱器壁的溫度。因此,在設(shè)計(jì)得很好的斯特林循環(huán)機(jī)中,加熱器和冷卻器換熱器與工作流體之間的有效溫度差異是有意地小的。
      用于斯特林循環(huán)機(jī)的常規(guī)換熱器裝置一般在厚壁的內(nèi)側(cè)、管的里面采用槽或洞,或者可替換地,在管道(例如,各種類型的翅)中采用延伸的表面。用在斯特林循環(huán)機(jī)中的傳統(tǒng)換熱器裝置,如上面所討論的那樣,是在熱源和工作流體之間溫度差異低的情況下運(yùn)行。為了彌補(bǔ)熱源或散熱器與工作流體之間的低溫度差異,與斯特林循環(huán)機(jī)有關(guān)的傳統(tǒng)換熱器的應(yīng)用遭受了其他折衷之苦。
      例如,在一些場(chǎng)合中,為了為有效的熱傳遞提供必要的增大表面積,換熱器結(jié)構(gòu)必須比所期望的要大。這一點(diǎn)又導(dǎo)致更大的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸,更少的用于其他發(fā)動(dòng)機(jī)部件的空間,或者二者皆有。另外,在一些場(chǎng)合中,為獲得必要的熱傳遞所設(shè)計(jì)的解決方案要求使用昂貴的,并且有時(shí)是異乎尋常的材料,以及要求使用昂貴、費(fèi)時(shí)而且有時(shí)根本不可靠的加工方法和設(shè)計(jì)。
      現(xiàn)有技術(shù)的換熱器裝置還存在其他缺點(diǎn)。例如,在壓力容器壁和換熱器壁之間需要金屬到金屬的接觸來(lái)獲得最小的熱阻,這導(dǎo)致裝置難以制造,并因此昂貴。
      換熱器可以被設(shè)計(jì)來(lái)產(chǎn)生高的熱傳遞系數(shù),以代替提供大的表面積來(lái)獲得所需要的熱傳遞,即使是以換熱器中稍高的壓力下降為代價(jià)。然而,消除了對(duì)延伸表面的換熱器的需要,自然產(chǎn)生顯著的加工、裝配以及成本利益。
      一方面是提供一種用于斯特林循環(huán)機(jī)的換熱器,所述換熱器提供所需要的熱傳遞能力。
      另一方面是提供成本效率高以及功能可靠的這樣一種換熱器。
      還有另一方面是提供易于加工和安裝的這樣一種換熱器。
      還有一個(gè)方面是提供加工和安裝便宜的換熱器。
      還有一個(gè)方面是提供一種換熱器,為了與外部換熱器的空間熱傳遞特征相匹配來(lái)使得熱傳遞達(dá)到最佳,以及控制溫度梯度,所述換熱器提供能夠局部改變熱傳遞的能力。
      還有一個(gè)方面是提供一種換熱器,取決于流動(dòng)的方向,所述換熱器提供能夠以顯著不同的速率將熱傳遞到并且傳遞出工作流體的能力,從而增強(qiáng)和/或減緩熱力循環(huán),以提高效率和/或輸出。
      本發(fā)明的優(yōu)選方式包括沖擊式換熱器,所述沖擊式換熱器的使用能夠提供顯著的熱傳遞改善以及成本下降。本發(fā)明的換熱器運(yùn)行,從而使得熱源和工作流體之間的大部分熱傳遞發(fā)生在工作流體沖擊在壓力容器表面上的這部分斯特林循環(huán)期間??梢詫?duì)沖擊式換熱器進(jìn)行配置,使得工作流體對(duì)壓力容器表面的沖擊發(fā)生在任一流動(dòng)方向上。對(duì)于加熱器,可以對(duì)沖擊式換熱器進(jìn)行配置,使得在循環(huán)期間,大部分向工作流體的熱傳遞發(fā)生在當(dāng)流體進(jìn)入或者離開膨脹空間的時(shí)候。同樣,對(duì)于冷卻器,可以對(duì)沖擊式換熱器進(jìn)行配置,使得在循環(huán)期間,大部分來(lái)自流體的熱傳遞發(fā)生在當(dāng)流體進(jìn)入或者離開壓縮空間的時(shí)候。
      根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo),兩種不同的沖擊式換熱器配置是有可能的。在第一種既用于加熱器又用于冷卻器應(yīng)用,本文中被稱為向前流動(dòng)沖擊式換熱器(“FFIHX”)配置中,沖擊熱傳遞發(fā)生在流體以向前的方向并朝容器的膨脹空間行進(jìn)的時(shí)候。與此相反,并且與本文中被稱為向后流動(dòng)沖擊式換熱器(“BFIHX”)配置,既用于加熱器又用于冷卻器應(yīng)用的本發(fā)明換熱器的第二配置有關(guān),沖擊熱傳遞發(fā)生在流體以向后的方向并朝容器的壓縮空間行進(jìn)的時(shí)候。
      本發(fā)明換熱器的FFIHX配置可以結(jié)合冷卻器或者加熱器來(lái)使用。在一個(gè)加熱器實(shí)施方案中,將FFIHX鄰近容器的膨脹空間放置,其中在換熱器和容器壁之間具有歧管。以這種方式,來(lái)自回?zé)崞鞯墓ぷ髁黧w可以在它進(jìn)入向前流動(dòng)換熱器,并且通過(guò)沖擊孔眼,從而沖擊在容器壁已加熱的表面上時(shí)被加熱。當(dāng)工作流體被迫從膨脹空間到壓縮空間(通過(guò)回?zé)崞?,并且期望冷卻時(shí),工作流體通過(guò)向前流動(dòng)換熱器,并且沖擊在換熱器的冷卻器內(nèi)表面上。通過(guò)FFIHX加熱器配置,大部分向工作流體的循環(huán)熱傳遞在流動(dòng)是朝向膨脹空間時(shí)完成。與循環(huán)的向后流動(dòng)部分對(duì)照,在循環(huán)的向前流動(dòng)部分期間,F(xiàn)FIHX加熱器中從壓力容器壁向工作流體傳遞的總熱量中的小部分可以通過(guò)FFIHX特定的設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整。
      本發(fā)明換熱器的BFIHX配置可以結(jié)合冷卻器或者加熱器來(lái)使用。在前一種情形中,BFIHX被放置在與壓縮空間鄰近的回?zé)崞飨路健.?dāng)處于相對(duì)加熱狀態(tài)下的工作流體被迫從發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮空間到膨脹空間時(shí),它通過(guò)BFIHX,并且所述流體沖擊在與壓縮空間鄰近的換熱器相對(duì)較熱的表面上。當(dāng)流體以另一個(gè)方向從膨脹空間流動(dòng)到壓縮空間,并且期望冷卻時(shí),所述流體沖擊在壓力容器壁上,所述壓力容器壁是冷卻器機(jī)構(gòu)相對(duì)較冷的表面。通過(guò)BFIHX冷卻器配置,大部分從工作流體的循環(huán)熱的吸取是在當(dāng)流動(dòng)是朝向壓縮空間時(shí)完成。與循環(huán)的向前流動(dòng)部分對(duì)照,在循環(huán)的向后流動(dòng)部分期間,BFIHX冷卻器中從工作流體向壓力容器壁傳遞的總熱量中的小部分可以通過(guò)BFIHX特定的設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整。
      BFIHX配置還可以用于加熱能力中。在這種情形中,本發(fā)明這種形式的換熱器位于壓力容器的上部分,鄰近膨脹空間。當(dāng)工作流體從壓縮空間流向膨脹空間時(shí),并且在它已通過(guò)回?zé)崞髦?,所述流體借助這樣的事實(shí)來(lái)獲得熱傳遞,即在通過(guò)沖擊孔眼進(jìn)入膨脹空間之前,它在壓力容器壁相對(duì)較熱的表面與沖擊阻擋件(impingement baffle)之間流動(dòng)。當(dāng)工作流體被迫從膨脹空間到壓縮空間時(shí),所述流體沖擊在壓力容器壁上并且被加熱。當(dāng)所述流體繼續(xù)向壓縮空間流動(dòng)時(shí),它通過(guò)回?zé)崞?,在這里,它放棄了大部分它在逆流時(shí)能夠再獲得的這種熱。
      與此相一致,所提供的是通過(guò)工作流體的壓縮和膨脹來(lái)運(yùn)行的斯特林循環(huán)機(jī),所述斯特林循環(huán)機(jī)包括在第一氣缸中,由活塞來(lái)界定的膨脹腔室;以及在第二氣缸中,由所述活塞來(lái)界定的壓縮腔室;所述膨脹腔室和所述壓縮腔室通過(guò)至少一個(gè)通道來(lái)聯(lián)系;所述通道包括至少一個(gè)換熱器,與所述工作流體流向所述壓縮腔室時(shí)對(duì)照,當(dāng)所述工作流體在朝向所述膨脹腔室的方向上流動(dòng)時(shí),所述至少一個(gè)換熱器提供更高的熱傳遞功能。
      還提供的是用于斯特林循環(huán)機(jī)的換熱器,所述換熱器包括用于接收工作流體的入口;在其上具有多個(gè)孔的沖擊阻擋件;以及形成在所述斯特林循環(huán)機(jī)的內(nèi)壁和所述沖擊阻擋件之間的空間中的歧管;
      其中當(dāng)所述工作流體在第一方向上流動(dòng)時(shí),所述工作流體沖擊在所述斯特林循環(huán)機(jī)的內(nèi)壁上,并且當(dāng)所述工作流體在第二方向上流動(dòng)時(shí),所述工作流體被導(dǎo)入所述斯特林循環(huán)機(jī)的腔室中。
      進(jìn)一步提供的是用于控制斯特林循環(huán)機(jī)中工作流體溫度的方法,所述方法包括的步驟有在氣缸中提供由活塞界定的膨脹腔室;在所述汽缸中提供由所述活塞界定的壓縮腔室;以及使得所述工作流體通過(guò)至少一個(gè)通道在所述壓縮腔室和所述膨脹腔室之間流動(dòng);其中所述通道包括至少一個(gè)換熱器,與所述工作流體流向所述壓縮腔室時(shí)對(duì)照,當(dāng)所述工作流體在朝向所述膨脹腔室的方向上流動(dòng)時(shí),所述至少一個(gè)換熱器提供基本上更高的熱傳遞功能。
      本發(fā)明的其他實(shí)施方案還可能如以下進(jìn)一步詳細(xì)描述的那樣,并且還可能如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的那樣。
      參考僅以實(shí)施例形式給出的本發(fā)明優(yōu)選方式,并且參見(jiàn)附圖,本發(fā)明現(xiàn)將被更詳細(xì)地描述,其中

      圖1是根據(jù)本發(fā)明的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)一部分的剖視圖,示出了BFIHX加熱器和BFIHX冷卻器實(shí)施方案;圖2是本發(fā)明換熱器的BFIHX加熱器實(shí)施方案的詳細(xì)剖視圖3是本發(fā)明換熱器的BFIHX冷卻器實(shí)施方案的詳細(xì)剖視圖;圖4是本發(fā)明換熱器的FFIHX加熱器實(shí)施方案的詳細(xì)剖視圖。
      現(xiàn)參考圖1-4所示的實(shí)施方案,其中同樣的標(biāo)號(hào)被用來(lái)指明所有同樣的部件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解,雖然以下是在自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的情形中來(lái)描述本發(fā)明,但本發(fā)明的應(yīng)用不一定受限于此,而且本發(fā)明僅僅由所附的權(quán)利要求書來(lái)定義。將進(jìn)一步理解本發(fā)明的各種其他應(yīng)用,并且不是以限制的方式,包括,例如與各種熱發(fā)動(dòng)機(jī)以及冷卻器機(jī)有關(guān)的應(yīng)用,無(wú)論這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)或者機(jī)器是否基于斯特林循環(huán)來(lái)運(yùn)行。
      圖1是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)所設(shè)計(jì)的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(FPSE)100一部分的剖視圖。FPSE 100包括氣缸170,置換器活塞150在氣缸170中進(jìn)行軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。置換器活塞150在置換器活塞150和氣缸頭140之間界定了可改變?nèi)萘康呐蛎浨皇?80。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間,當(dāng)置換器活塞150前往和離開汽缸頭140進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),膨脹腔室180的容量發(fā)生改變。置換器活塞150安放在置換器活塞桿160上。針對(duì)置換器活塞150和動(dòng)力活塞(未示出)的運(yùn)動(dòng),在置換器活塞150下方的壓縮腔室190也在容量上發(fā)生改變。壓縮腔室190通常由置換器活塞150的底部來(lái)界定一端,而由動(dòng)力活塞(未示出)的頂部來(lái)界定另一端。
      圖1所示的FPSE 100的運(yùn)行通常進(jìn)行如下。如示出的那樣,對(duì)FPSE 100的汽缸頭施加熱源。由此產(chǎn)生的熱能通過(guò)在汽缸頭140的壓力容器壁來(lái)傳遞,并且通過(guò)換熱器130傳到工作流體,如下面更詳細(xì)描述的那樣。在機(jī)器中,工作流體通過(guò)換熱器的運(yùn)動(dòng)以及壓縮和膨脹容量來(lái)完成斯特林循環(huán),這主要由置換器活塞150的運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)。在斯特林循環(huán)期間的某一點(diǎn),當(dāng)置換器活塞150向上移動(dòng)時(shí),膨脹腔室180中的工作流體以向后的方向從膨脹腔室180轉(zhuǎn)移,通過(guò)換熱器130,通過(guò)回?zé)崞?10,通過(guò)換熱器120并進(jìn)入壓縮腔室190。在理想的斯特林循環(huán)中,在置換器活塞150向上運(yùn)動(dòng)之后,最大量的工作流體駐留在壓縮空間190中時(shí),動(dòng)力活塞(未示出)被移動(dòng)來(lái)壓縮工作流體。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到,在斯特林循環(huán)的實(shí)用實(shí)施方案中,置換器活塞150和動(dòng)力活塞的運(yùn)動(dòng)既不是間斷的,也不是彼此完全異相的。
      當(dāng)置換器活塞150向下移動(dòng)時(shí),壓縮腔室190中的工作流體被迫以“向前”的方向,通過(guò)換熱器120,通過(guò)回?zé)崞?10,通過(guò)換熱器130并進(jìn)入膨脹腔室180。在工作流體以向前的方向運(yùn)動(dòng)期間,所述工作流體被加熱,并且由于工作流體膨脹,當(dāng)動(dòng)力活塞被工作流體在膨脹的方向上推動(dòng)時(shí),可以從循環(huán)獲得機(jī)械功。
      圖1所示的特定實(shí)施方案采用BFIHX作為換熱器120,并且采用BFIHX作為換熱器130。出于下面討論的目的,換熱器120在本文中稱為“冷卻器”,以及換熱器130在本文中稱為“加熱器”,與它們?cè)诒緦?shí)施方案中各自的功能一致?,F(xiàn)對(duì)每個(gè)換熱器的運(yùn)行,以及與FPSE 100的運(yùn)行有關(guān)的每個(gè)換熱器總體進(jìn)行詳細(xì)討論。
      圖1中的BFIHX加熱器130在圖2中被更詳細(xì)地示出。具體參見(jiàn)圖2,BFIHX沖擊阻擋件215被緊固到回?zé)崞?10并且由其支撐。如所要求或者期望的那樣,可選擇地將銅鍍層(未示出)沿壓力容器壁240的內(nèi)表面放置,以幫助緩和沿氣缸頭240內(nèi)表面的“熱點(diǎn)”現(xiàn)象。
      根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案,沖擊阻擋件215被形成有多個(gè)孔265,以提供對(duì)壓力容器壁240內(nèi)表面或者對(duì)置換器250表面的噴射沖擊熱傳遞。如下面更詳細(xì)討論的那樣,流體流動(dòng)的方向,無(wú)論是“向前”,還是“向后”,決定了工作流體沖擊的表面。
      在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中,BFIHX沖擊阻擋件215被形成有具體數(shù)量的孔265,并且具有特定的孔間距和圖形,從而使通過(guò)噴射沖擊的熱傳遞最大化。存在許多關(guān)于噴射沖擊技術(shù)的論文和其他信息來(lái)源,例如,G.Failla等的“在低雷偌數(shù)下具有交叉流的增強(qiáng)噴射沖擊熱傳遞(Enahnced Jet Impingement HeatTransfer with Crossflow at Low Reynolds Numbers)”(《電子設(shè)備加工》(Electronics Manufacturing)雜志,vol.9,No.2,1999年6月),以及D.M.Kercher和W.Tabakoff的“由圓形空氣射流的方陣列垂直沖擊平坦表面的包括余氣效果的熱傳遞(Heat Transferby a Square Array of Round Air Jets Impinging Perpendicular to aFlat Surface Including the Effect of Spent Air)”(《工程動(dòng)力》雜志,1970年1月),它們描述了使噴射沖擊功能最大化的技術(shù)。出于本發(fā)明的目的,可以采用這樣的孔,即孔的直徑在1到3mm的范圍內(nèi),并且在沖擊阻擋件的表面上以相對(duì)均勻的方式間隔,其中中心到中心的間距在6到10mm的范圍內(nèi)。沖擊阻擋件215可以由不銹鋼制成,并且可以使用各種技術(shù)(例如,旋壓、拉拔、深拉拔、水電成形)來(lái)形成,或者由實(shí)心材料來(lái)機(jī)加工成。
      根據(jù)本發(fā)明新穎的換熱器裝置的結(jié)構(gòu),傳遞到以及傳遞出工作流體的熱量發(fā)生改變,取決于工作流體的方向(即,“向前”朝向膨脹腔室280,或者“向后”離開膨脹腔室280)。通過(guò)BFIHX加熱器配置,在循環(huán)期間,外部熱向工作流體的傳遞,大部分發(fā)生在當(dāng)流動(dòng)是在向后的方向上時(shí)。當(dāng)從膨脹空間280以向后的方向,并且通過(guò)沖擊阻擋件215流動(dòng)時(shí),工作流體沖擊在壓力容器壁240上。可以通過(guò)與相對(duì)較高的溫度差異結(jié)合的沖擊來(lái)獲得高的熱傳遞率,所述溫度差異是指離開膨脹空間280的膨脹工作流體與壓力容器壁240之間的溫度差異,所述高熱傳遞率導(dǎo)致沖擊后的工作流體達(dá)到接近壓力容器壁溫度的溫度。然后,工作流體繼續(xù)前行到回?zé)崞?10中,在進(jìn)入BFIHX冷卻器120之前,工作流體在回?zé)崞?10放棄了它大量的能量。在設(shè)計(jì)良好的機(jī)器中,當(dāng)流體返回到膨脹空間280時(shí),該熱量被回?zé)崞?10返回到所述工作流體。
      當(dāng)從回?zé)崞?10以向前的方向,通過(guò)歧管235,通過(guò)沖擊阻擋件215流動(dòng)時(shí),工作流體或者沖擊在置換器250上,或者射流使膨脹空間280中的流體散開。在任一種情形中,在這部分循環(huán)期間,傳遞到工作流體的熱較少,因?yàn)槠绻?35中的工作流體與壓力容器壁240之間的管道熱傳遞是低的,并且隨后的沖擊熱傳遞或者在低溫度差異下,發(fā)生在工作流體和置換器250之間,或者根本不發(fā)生。
      BFIHX冷卻器120包括各種功能元件。具體參見(jiàn)圖3,BFIHX沖擊阻擋件315被定位在氣缸370和壓力容器壁340之間,從而將BFIHX冷卻器120容量分為內(nèi)歧管325和外歧管335。內(nèi)歧管325通向回?zé)崞?10,并且通過(guò)沖擊孔眼365與通向壓縮空間390的外歧管335有聯(lián)系。
      通過(guò)BFIHX冷卻器配置,在循環(huán)期間,大部分從工作流體的放熱發(fā)生在流動(dòng)是在向后的方向上時(shí)。當(dāng)從回?zé)崞?10以向后的方向,通過(guò)內(nèi)歧管325,并且通過(guò)沖擊阻擋件315流動(dòng)時(shí),工作流體沖擊在壓力容器壁340上??梢酝ㄟ^(guò)與相對(duì)較高的溫度差異結(jié)合的沖擊來(lái)獲得高的熱傳遞率,所述溫度差異是指離開回?zé)崞?10的工作流體與壓力容器壁340之間的溫度差異,所述高熱傳遞率導(dǎo)致外歧管335中沖擊后的工作流體達(dá)到接近壓力容器壁溫度的溫度。然后,工作流體繼續(xù)前行進(jìn)入壓縮空間390中。
      如下面所解釋的那樣,在向后流動(dòng)的方向上,離開回?zé)崞鞯臏囟蕊@著高于壓力容器壁的溫度。在向前的方向上,來(lái)自壓縮空間390,通過(guò)外歧管335,并且通過(guò)沖擊阻擋件315的壓縮后工作流體沖擊在內(nèi)歧管325的壁上,所述內(nèi)歧管壁在比壓力容器壁340更高的溫度下。在這部分循環(huán)期間,從工作流體吸取的熱較少,因?yàn)橥馄绻?35中的工作流體與壓力容器壁340之間的管道熱傳遞是低的,并且隨后的沖擊熱傳遞發(fā)生在低溫度差異下的工作流體與內(nèi)歧管325的壁之間。接著,回?zé)崞?10在它的冷端被裝上溫度比如果采用常規(guī)換熱器要高的流體。在本發(fā)明BFIHX冷卻器的優(yōu)選實(shí)施方案中,不是如可能在常規(guī)換熱器的優(yōu)選實(shí)施方案中那樣,在壓力容器壁340的溫度下,而是在壓縮后溫度下,氣體從壓縮空間390被輸送到回?zé)崞?10的冷端。
      現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖4,接下來(lái)討論換熱器的FFIHX實(shí)施方案。在這個(gè)實(shí)施方案中,如在BFIHX冷卻器配置中那樣,兩個(gè)歧管被用來(lái)控制向前和向后兩個(gè)方向上的熱傳遞。通過(guò)BFIHX加熱器配置,在循環(huán)期間,外部熱被傳遞到工作流體的大部分發(fā)生在當(dāng)流動(dòng)是在向前的方向上時(shí)。當(dāng)從回?zé)崞?10,通過(guò)內(nèi)歧管435,并且通過(guò)沖擊阻擋件415,以向前的方向流動(dòng)時(shí),工作流體沖擊在壓力容器壁440上??梢酝ㄟ^(guò)與相對(duì)較高的溫度差異結(jié)合的沖擊來(lái)獲得高的熱傳遞率,所述溫度差異是指離開回?zé)崞?10的工作流體與壓力容器壁440之間的溫度差異,所述高熱傳遞率導(dǎo)致沖擊后的工作流體達(dá)到接近壓力容器壁溫度的溫度。然后,所述流體從外歧管425行進(jìn)到膨脹空間480中。圖4所示的BFIHX加熱器實(shí)施方案還優(yōu)選地包括腔445,所述腔445被用來(lái)使容量在循環(huán)壓力變化中不相互影響。
      如下面所解釋的那樣,在向前流動(dòng)的方向上,從回?zé)崞?10離開的溫度顯著低于壓力容器壁的溫度。以向后的方向流動(dòng),從膨脹空間480,通過(guò)外歧管425,通過(guò)沖擊阻擋件415,通過(guò)內(nèi)歧管435,并且進(jìn)入回?zé)崞?10中的膨脹后工作流體從熱源,壓力容器壁440獲得較少的熱。在向后流動(dòng)的方向上,歧管中的管道熱傳遞是低的,并且沖擊熱傳遞在低溫度差異下,發(fā)生在膨脹后的工作流體與內(nèi)歧管壁435之間。接著,回?zé)崞?10在它的熱端被裝上流體,所述流體的溫度比如果采用常規(guī)換熱器或者本發(fā)明的BFIHX要低。因此,在FFIHX加熱器的優(yōu)選實(shí)施方案中,不是如它可能在常規(guī)換熱器的優(yōu)選實(shí)施方案中那樣,在壓力容器壁440的溫度下,而是在膨脹后的溫度下,工作流體從膨脹空間490被輸送到回?zé)崞?10的熱端。
      使用FFIHX實(shí)施方案作為加熱器,提供了比使用BFIHX作為加熱器更顯著的熱力循環(huán)優(yōu)點(diǎn)。照那樣,通過(guò)FFIHX,流體在它抵達(dá)回?zé)崞?10時(shí)變得更涼,使得更小并且不是那么昂貴的回?zé)崞鞯靡允褂?。此外,通過(guò)使用FFIHX比通過(guò)BFIHX實(shí)施方案,遭受較少的壓力下降損失。
      本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解,就向后流動(dòng)的方向上使向工作流體的熱傳遞達(dá)到最小而言,盡管與FFIHX實(shí)施方案相比,BFIHX通常不是那么有效,但BFIHX實(shí)施方案呈現(xiàn)如下優(yōu)點(diǎn),即需要較少金屬用于構(gòu)造,以及制造和安裝工藝簡(jiǎn)單得多并可靠得多。
      本發(fā)明所公開的換熱器提供了顯著的優(yōu)點(diǎn),例如,包括顯著降低的構(gòu)造方面的成本,運(yùn)行上額外的可靠性,以及每單位尺寸上增強(qiáng)的熱傳遞特征。本發(fā)明的換熱器在它的各種實(shí)施方案中,可以由相對(duì)廉價(jià)的300系列不銹鋼構(gòu)造成。
      此外,在換熱器的構(gòu)造和安裝中所涉及的高成本及有風(fēng)險(xiǎn)的銅焊操作能夠特別通過(guò)使用本發(fā)明的BFIHX實(shí)施方案來(lái)消除。取而代之,可以使用低成本機(jī)加工和成形技術(shù),并且可以容易地將本發(fā)明的FFIHX和BFIHX實(shí)施方案放入壓力容器組件中。
      在各種實(shí)施方案中,以及用來(lái)同時(shí)與加熱器頭和斯特林循環(huán)機(jī)的冷卻段結(jié)合使用的新穎換熱器設(shè)計(jì)在本文中公開。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的那樣,本發(fā)明不一定受限于本文中所公開的特定實(shí)施方案,并且在仍保持在本發(fā)明范圍和精神中的同時(shí),各種其他實(shí)施方案是有可能的。
      權(quán)利要求
      1.一種通過(guò)工作流體的壓縮和膨脹來(lái)運(yùn)行的斯特林循環(huán)機(jī),所述斯特林循環(huán)機(jī)包括在第一氣缸中,由活塞界定的膨脹腔室;在第二氣缸中,由所述活塞界定的壓縮腔室;所述膨脹腔室和所述壓縮腔室通過(guò)至少一個(gè)通道來(lái)聯(lián)系;所述通道包括至少一個(gè)換熱器,與所述工作流體流向所述壓縮腔室時(shí)對(duì)照,當(dāng)所述工作流體在朝向所述膨脹腔室的方向上流動(dòng)時(shí),所述至少一個(gè)換熱器提供更高的熱傳遞功能。
      2.如權(quán)利要求1所述的斯特林循環(huán)機(jī),其中所述至少一個(gè)換熱器包括鄰近所述膨脹腔室的向前流動(dòng)換熱器。
      3.如權(quán)利要求1所述的斯特林循環(huán)機(jī),其中所述至少一個(gè)換熱器包括鄰近所述膨脹腔室的向后流動(dòng)換熱器。
      4.如權(quán)利要求1所述的斯特林循環(huán)機(jī),其中所述至少一個(gè)換熱器包括鄰近所述壓縮腔室的向后流動(dòng)換熱器。
      5.如權(quán)利要求1所述的斯特林循環(huán)機(jī),其中所述至少一個(gè)換熱器包括多個(gè)孔,所述多個(gè)孔導(dǎo)致所述工作流體對(duì)表面的噴射沖擊。
      6.如權(quán)利要求5的斯特林循環(huán)機(jī),其中當(dāng)所述工作流體流向所述膨脹腔室時(shí),所述表面包括第一表面,以及當(dāng)所述工作流體流向所述壓縮腔室時(shí),所述表面包括第二表面,并且其中所述第一表面和所述第二表面不是同一表面。
      7.如權(quán)利要求5所述的斯特林循環(huán)機(jī),其中當(dāng)所述工作流體流向所述膨脹腔室時(shí),所述表面包括鄰近所述斯特林循環(huán)機(jī)內(nèi)壁的鍍層。
      8.如權(quán)利要求5所述的斯特林循環(huán)機(jī),其中當(dāng)所述工作流體流向所述膨脹腔室時(shí),所述表面包括所述斯特林循環(huán)機(jī)的內(nèi)壁。
      9.如權(quán)利要求5所述的斯特林循環(huán)機(jī),其中當(dāng)所述工作流體流向所述壓縮腔室時(shí),所述表面包括所述換熱器的壁,所述壁鄰近所述膨脹腔室。
      10.如權(quán)利要求1所述的斯特林循環(huán)機(jī),其中所述至少一個(gè)換熱器包括第一換熱器和第二換熱器,所述第一換熱器鄰近所述膨脹腔室放置,并且所述第二換熱器鄰近所述壓縮腔室放置。
      11.如權(quán)利要求10所述的斯特林循環(huán)機(jī),其中所述第一換熱器是向前流動(dòng)換熱器,并且所述第二換熱器是向后流動(dòng)換熱器。
      12.如權(quán)利要求10所述的斯特林循環(huán)機(jī),其中所述第一換熱器是向后流動(dòng)換熱器,并且所述第二換熱器是向后流動(dòng)換熱器。
      13.如權(quán)利要求10所述的斯特林循環(huán)機(jī),其中所述第一換熱器和所述第二換熱器彼此之間通過(guò)回?zé)崞髀?lián)系。
      14.一種用于斯特林循環(huán)機(jī)的換熱器,包括用于接收工作流體的入口;在其上具有多個(gè)孔的沖擊阻擋件;以及形成在所述斯特林循環(huán)機(jī)內(nèi)壁和所述沖擊阻擋件之間的空間中的歧管;其中當(dāng)所述工作流體在第一方向上流動(dòng)時(shí),所述工作流體沖擊在所述斯特林循環(huán)機(jī)的內(nèi)壁上,并且當(dāng)所述工作流體在第二方向上流動(dòng)時(shí),所述工作流體被導(dǎo)入所述斯特林循環(huán)機(jī)的腔室中。
      15.如權(quán)利要求14所述的換熱器,其中所述斯特林循環(huán)機(jī)的所述腔室是膨脹腔室,并且所述第二方向是朝向所述膨脹腔室。
      16.如權(quán)利要求14所述的換熱器,其中所述斯特林循環(huán)機(jī)的所述腔室是壓縮腔室,并且所述第二方向是朝向所述壓縮腔室。
      17.一種用于控制斯特林循環(huán)機(jī)中的工作流體溫度的方法,包括的步驟有在氣缸中提供由活塞界定的膨脹腔室;在所述汽缸中提供由所述活塞界定的壓縮腔室;以及使得所述工作流體通過(guò)至少一個(gè)通道在所述壓縮腔室和所述膨脹腔室之間流動(dòng);其中所述通道包括至少一個(gè)換熱器,與所述工作流體流向所述壓縮腔室時(shí)對(duì)照,當(dāng)所述工作流體在朝向所述膨脹腔室的方向上流動(dòng)時(shí),所述至少一個(gè)換熱器提供基本上更高的熱傳遞功能。
      18.如權(quán)利要求17所述的方法,其中所述至少一個(gè)換熱器包括多個(gè)孔,所述多個(gè)孔導(dǎo)致所述工作流體對(duì)表面的噴射沖擊。
      19.如權(quán)利要求18所述的方法,其中與所述工作流體流向所述壓縮腔室時(shí)對(duì)照,當(dāng)所述工作流體流向所述膨脹腔室時(shí),所述表面相對(duì)較熱。
      20.如權(quán)利要求18所述的方法,其中當(dāng)所述工作流體流向所述膨脹腔室時(shí),所述表面包括鄰近所述斯特林循環(huán)機(jī)內(nèi)壁的鍍層。
      全文摘要
      一種用于斯特林循環(huán)機(jī)的換熱器包括用于接收工作流體的入口;在其上具有多個(gè)孔(265)的沖擊阻擋件(215);以及形成在斯特林循環(huán)機(jī)內(nèi)壁(240)和沖擊阻擋件(215)之間的空間中的歧管(235);其中當(dāng)工作流體在第一方向上流動(dòng)時(shí),所述工作流體沖擊在斯特林循環(huán)機(jī)的內(nèi)壁上,并且當(dāng)工作流體在第二方向上流動(dòng)時(shí),所述工作流體被導(dǎo)入斯特林循環(huán)機(jī)的腔室中。
      文檔編號(hào)F02G1/055GK1846052SQ200480024859
      公開日2006年10月11日 申請(qǐng)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 申請(qǐng)人:蒂艾克思股份有限公司
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