專利名稱：外加熱發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及外加熱發(fā)動機(externally heated engine)。更具體地，本 發(fā)明涉及以相對低的溫度和壓力運行的外加熱發(fā)動機的效率的改進。發(fā)明背景外加熱發(fā)動機以及尤其是斯特林循環(huán)(Stirling cycle)發(fā)動機始終 保持大的前景，這是因為其理論熱效率接近于卡諾循環(huán)(Carnot Cycle) 的效率。該效率反過來建立在循環(huán)中熱時和冷時之間的溫差上?，F(xiàn)今 該種發(fā)動機的設(shè)計師們正設(shè)法通過提高發(fā)動機熱側(cè)的溫度而使效率 達到最大值。此外，他們利用超高壓下的諸如氦氣和氫氣的小分子氣 體以便更進一步地優(yōu)化發(fā)動機的輸出功率。他們的密切合作導(dǎo)致了商 業(yè)的失敗。高的溫度要求使用可經(jīng)受這些溫度的材料。使用諸如鈦和 不銹鋼的特種合金的實際問題和巨大費用結(jié)合起來使得制造這種發(fā) 動機不切實際而擁有和運行該種發(fā)動機過于昂貴。高壓氣體和極端溫 度已經(jīng)使得該發(fā)動機如此地復(fù)雜以致幾乎超出了最具經(jīng)驗用戶所能 達到的有效范圍。本發(fā)明采用了完全相反的途徑。通過結(jié)合使用若干改進，使得設(shè) 計高效、低溫的單缸發(fā)動機成為可能?，F(xiàn)有設(shè)計中要么采用平的氣缸 壁作為換熱器、要么采用殼管式氣對氣換熱器的變體。材料通常是鋼 或鈦，該兩者都相對為熱的不良導(dǎo)體。為了克服這些低效性，氣缸外空氣和氣缸內(nèi)工作流體之間的溫差 必須非常地大以便在非常有限的可用時間內(nèi)迫使傳輸必要的熱量。這 反過來迫使熱源本身甚至以更高的溫度運行，以及非常緊固地聯(lián)接于 換熱器上。這勢必使得交換器的外部部分曝露于甚至更高的溫度，從 而需要更多的稀有材料。一些現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動機采用液體鈉作為相變材料，以便更有效地 獲得氣缸內(nèi)部的熱量。除了涉及大的費用以外，具有為制造該裝置所 需的復(fù)雜技術(shù)。此外，液體鈉毒性強且很燙，因而使用其非常地危險。 這種技術(shù)不適于在簡單的、大量生產(chǎn)的裝置中使用?，F(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動機中另外的問題牽涉到發(fā)送給蓄熱器的空氣溫 度?，F(xiàn)有技術(shù)中通常涉及到的極端溫度使得不可能使用通用的諸如銅 的低溫管道。這也適于在蓄熱器中使用的材料。因為首要考慮到高溫下的耐久性，所以蓄熱器的外部或蓄熱器基體(matrix)中所用的材料都 不可優(yōu)化成用于熱性能。高溫問題完全控制了蓄熱器設(shè)計在現(xiàn)有技術(shù)的斯特林發(fā)動機中 的使用。這導(dǎo)致了值得注意的熱力損失以及較大的費用和降低的壽 命。蓄熱器外殼毫無疑問是由將容許高溫的金屬制成。這導(dǎo)致了高的 對環(huán)境的熱損失、從環(huán)境中獲得熱量以及從蓄熱器一端傳導(dǎo)至另一端 的熱量。這種熱傳導(dǎo)迫使蓄熱器以遠離理想的方式運行。在壓縮沖程期間，冷氣缸上的換熱器必須高效地從工作流體中除 去熱量。如同具有熱側(cè)那樣，現(xiàn)有技術(shù)的換熱器設(shè)計要么使用了基本 的缸形本身作為散熱器、要么使用簡單的翅面或者管殼式換熱器的一 些變體。在所有的這些設(shè)計中，為這些方法所固有的熱阻迫使散熱器 以氣缸內(nèi)部和外部之間的大溫差(AT)運行。換句話說，冷氣缸內(nèi)部的工作流體溫度被迫相當(dāng)大地高于熱量最 終散失的外部溫度。這大大降低了越過發(fā)動機的AT，從而限制了發(fā) 動機的最大效率和輸出功率。由于斯特林循環(huán)為封閉式熱力循環(huán)，所以工作流體必須密封在發(fā) 動機內(nèi)部。這導(dǎo)致了幾個重要的設(shè)計問題。首先，現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動機不得不運行在高的溫度和壓力下。這寄 予了對密封的大的需求。為了在高的溫度和壓力下正常運行(survive)， 唯一的實用方法便是像在常規(guī)的內(nèi)燃發(fā)動機中那樣在活塞上使用密 封環(huán)?；钊铜h(huán)組件經(jīng)受滲漏、或漏氣(blow - by)。由于必須不斷地對其更換以便避免輸出功率的損失及其對循環(huán)的干擾，使得來自發(fā)動 機的流體損耗成為關(guān)鍵性問題。這通常意味著曲軸箱本身也必須密 封，從而導(dǎo)致了曲軸箱中的無效功問題，如同活塞對曲軸箱氣體做了 不必要的功那樣。它也意味著曲軸箱如同在發(fā)動機自身中使用那樣必 須充滿相同的工作流體。氣缸壁上四處的活塞環(huán)碎屑導(dǎo)致了另外的問題。這些中最大的問 題在于產(chǎn)生的摩擦。在常規(guī)的發(fā)動機中，這可耗費發(fā)動機大約20%的 輸出，這是非常嚴重的損耗。另外的問題便是潤滑。液體油不能簡單地噴灑在氣缸壁上，因為 這將漏入發(fā)動機的工作區(qū)內(nèi)并弄污工作流體。這將導(dǎo)致包括不必要的 污染、腐蝕以及效率降低的問題。但沒有適當(dāng)?shù)臐櫥?，摩擦損耗甚至 變得更大。發(fā)明內(nèi)容簡要地說，本發(fā)明包括具有至少兩個活塞的外加熱發(fā)動機。第一 活塞在第一氣缸內(nèi)往復(fù)運動。該第一活塞具有第一側(cè)(工作側(cè))和相對 于第 一側(cè)的第二側(cè)。第 一活塞的第 一側(cè)和第 一 氣缸限定了容納工作流 體的第一工作室，該工作流體可包含任何可用的氣體。第一活塞的第 二側(cè)和第 一氣缸限定了容納反向流體的第 一相對室。加熱器在工作室內(nèi)加熱工作流體。優(yōu)選地，該室由熱源加熱以便工作流體具有至多500 華氏度的溫度同時熱源和工作流體之間的溫差小于5華氏度。工作流 體可通過換熱器或注熱器而加熱。加熱流體被傳送至注熱器并流過繞 著導(dǎo)熱材料的凹槽，從而直接將熱量注入發(fā)動機內(nèi)。熱量通過隔熱材 料而截留在發(fā)動機內(nèi)部。工作流體沿縱向流經(jīng)導(dǎo)熱材料。該導(dǎo)熱材料 具有通路以便工作流體可縱向地從中穿過。用于工作流體的縱向通道 是狹窄的并延伸了(run)注熱器全部可用的長度。優(yōu)選地，注熱器具有用于加熱流體的凹槽，該凹槽包括許多沿注熱器全部可用的外部長度而形成螺旋或螺線圖案的平行凹槽。螺旋凹槽可2個、3個、4個或更多個地組成一套，從而彼此平行地延伸以 及加熱流體同時地注入。通過將這些凹槽保持為非常地窄和深，獲得 了非常高的長/深比值和低溫差，同時提供了足夠可用的截面面積以便容許足量的加熱流體流動和提供熱量輸入D凹槽和通道通過堅實的傳導(dǎo)材料層而被隔開。本發(fā)明的注熱器在 下文中更為完整地進行了描述。加熱工作流體的另 一個方法是通過使用熱管。熱管為依賴于管內(nèi) 流體的相變而傳輸熱的管子。通過從液體至氣體并回到液體的變化， 熱從管子的一端傳輸?shù)搅硪欢?。熱管可穿過第一氣缸的壁并且填充氣 缸內(nèi)超過活塞上死點的空間。薄的銅翅片可裝接在氣缸外的熱管上。 熱空氣通過換熱器區(qū)域而渦動，從而在熱空氣和熱管之間產(chǎn)生了非常 高效的熱交換。代替空氣和換熱器金屬之間通常的25°至45。的華氏溫 度差("AT"),僅將存在大約5度的AT。在熱管中，熱量沿著管子的長度行進，直接進入氣缸的內(nèi)部體積。 像通常在熱管設(shè)計中那樣，沿著管子的長度存在可忽略的AT。這意 味著氣缸內(nèi)部加熱的銅與外部熱空氣的溫度僅處于5度的范圍內(nèi)。外 加熱發(fā)動機可包括環(huán)繞熱管的加熱介質(zhì)，該熱管通過熱電發(fā)生器而加 熱。優(yōu)選地，使用了許多小的熱管。這些熱管具有小的直徑，且因為 有許多已擠入小的容積內(nèi)，因而僅存在非常有限地?zé)o用容積(dead volume)與換熱器相關(guān)聯(lián)。此外，銅和發(fā)動機內(nèi)工作流體之間的AT通 過該設(shè)計而保持絕對極小值。第二活塞在第二氣缸內(nèi)往復(fù)運動，并且具有第一側(cè)(工作側(cè))和相 對于第 一側(cè)的第二側(cè)。第 一側(cè)和氣缸限定了容納工作流體的工作室。 活塞的第二側(cè)和氣缸限定了容納反向流體的第二相對室。第二氣缸內(nèi) 的工作流體被冷卻至低于35華氏度的溫度。優(yōu)選地，發(fā)動機包括與活塞相關(guān)聯(lián)的膜以便隔開工作室和相對室。該膜像下文中將要詳細描述的那樣提供了許多益處。由于利用了 膜，故有益于控制反向流體的壓力。這防止了越過膜的大壓差，若不 受控制，該壓差會導(dǎo)致膜破裂。第二個理由是結(jié)合發(fā)動機的扼流控制 作用而改變反向側(cè)上的壓力。也就是說，像升高和降低工作流體壓力 一樣，同樣地作用于反向流體，以避免對相對室中的氣體作不必要的 功以及保護膜。工作流體壓力作為對發(fā)動機扼流的方式而受到控制。隨著推動更 多的工作流體進入發(fā)動機中，通過由控制系統(tǒng)提高其壓力，發(fā)動機將會提高其輸出功率，這是因為更工作流體的體積將會在發(fā)動機循環(huán)內(nèi) 外傳輸更多的熱并從而做更多的功。降低壓力將具有相反的效果。采 用該種方式，可連續(xù)地改變發(fā)動機輸出功率，從而匹配負荷狀態(tài)。當(dāng) 降低載荷時具有太大的扼流設(shè)定將由于發(fā)動機會超速而效率低下，而余熱將被收回(drawn in)并轉(zhuǎn)儲(dumped)至冷凍器中。為了迫使發(fā)動機內(nèi)最大可能百分比的工作流體有效地參與到熱 力過程中，這些空氣必須備選地自始至終地掃過發(fā)動機，從熱側(cè)至冷 側(cè)并再次返回。盡管始終釆取了步驟(在其它地方描述的關(guān)于注熱器、 抽熱器以及蓄熱器)以便降低未波及容量，但還控制活塞性能以便降低 未波及容量。在該兩種活塞式發(fā)動機構(gòu)型中，發(fā)動機沖程在長度上必須較鉆孔 的直徑更大。也就是說，沖程長度/鉆孔直徑的比值必須大于1。該 比值可以大很多、可高達2或3或更多，直到實際限制阻止更進一步 地增加為止。由于固定的無用容積空間存在于活塞的頭部、甚至沖程 的端部，故使沖程更長會大大地降低作為總體容積百分比的該無用容 積，并確?；钊帕看笥谖床叭萘咳舾杀?。照這^^羊，大多數(shù)的工作 流體粒子可全程地掃過發(fā)動機并提高效率。在下文中詳細描述的置換器類型的發(fā)動機中，通過使沖程和因此 的置換器的位移如同實際中那么大而獲得相同的合乎需要的效果。這 再次確保了大多數(shù)的工作流體有效地促成了該處理過程。冷凍器系統(tǒng)的優(yōu)選實施例包括基于制冷劑壓縮/膨脹循環(huán)的系 統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計成用于通過在抽出器中直接蒸發(fā)(汽化)發(fā)動機內(nèi)的制 冷劑而在發(fā)動機內(nèi)、抽熱器中產(chǎn)生嚴冷。由于抽熱器為類似于注熱器 的設(shè)計，對于冷卻流體和工作流體之間的低溫差，發(fā)動機工作流體可 在溫度方面至少在零度以下降低50華氏度。與常規(guī)的冷凝方法相比，這對于發(fā)動機設(shè)計而言在發(fā)動沖凡的熱側(cè)和冷側(cè)之間或許增加了 100度的溫差。優(yōu)選地，冷凍器釆用三個壓縮機、三個冷凝器和三個雙速冷卻風(fēng) 扇，這些都由冷凍器控制器進行控制。然而，也可能使用其它的若干 壓縮機、冷凝器以及冷卻風(fēng)扇。僅像發(fā)動機事實上所需要的在任何給 定時間內(nèi)接通那樣多的容量。這通過不使用不需要的動力而大大地改 善了發(fā)動機功率分配并從而提高了效率。作為備選的抽熱器，外加熱發(fā)動機可包括穿過第二氣缸的氣缸壁 以便冷卻該氣缸的熱管。該熱管可通過熱電冷卻器或任何其它適當(dāng)?shù)睦鋮s方法而冷卻。該熱管可由^[氐于32華氏度的凝固溫度的換熱器介 質(zhì)所環(huán)繞，例如鹽水、甲醇、乙二醇或具有低于32華氏度凝固溫度 的其它流體。代替熱管，小的管子可用于經(jīng)過氣缸壁直接向氣缸傳送 冷卻液、或優(yōu)選地像下文中所更完全地描述那樣傳送到換熱器中的通 道內(nèi)。冷卻可通過許多其它的方式而實現(xiàn)。冷水夾套(jacket)可環(huán)繞氣缸。這樣， 一定量的熱可經(jīng)過氣缸壁自 身而被抽出。這還確保了漫射熱(stray heat)不可經(jīng)由該路徑漏入發(fā)動 機中。在一個實施例中，經(jīng)由氣缸壁安裝有許多在氣缸內(nèi)部和冷的換熱 器區(qū)域之間延伸的熱管。這確保了實質(zhì)上可忽略冷凝的冷卻水和發(fā)動 機內(nèi)部之間的AT,從而將發(fā)動機內(nèi)部的冷流體工作溫度降低至盡可 能低的水平。在冷液體夾套內(nèi)部，熱管裝接在銅翅片上，從而大大地了冷液體 和熱管之間的熱傳輸。冷液體4史泵送到夾套的低位拐角內(nèi)，并使其經(jīng)由該區(qū)域渦動。這更顯著地進一步提高了熱傳輸。為了冷卻液體，可使用冷凍器系統(tǒng)或熱電冷卻器(Tec)。按照設(shè)計的約束，通過將膨脹制冷劑的工作壓力保持至盡可能低 的值，可使得抽熱器的運行溫度盡可能的低。通過使得冷側(cè)非常地冷，」提高了冷側(cè)和熱側(cè)之間的溫差，以致熱 側(cè)沒必要超過500華氏度。熱電冷卻器以眾所周知的方式通過用電將熱從冷側(cè)泵送至熱側(cè)。 冷凍器中的Tec將由發(fā)動機產(chǎn)生的若干能量供以動力。這部分地通過 使用熱的發(fā)動機排氣裝置上的熱電發(fā)生器(Teg)以及部分地使用由連 接發(fā)動機的發(fā)電機所產(chǎn)生電力中的一些而實現(xiàn)。在Tec的熱側(cè)上使用 了聯(lián)結(jié)翅片、銅散熱器以及強制的空氣冷卻。散熱器具有厚的銅板， 該銅板已加工成正常的扁平程度并拋光。這些可容易地從Ontano(安 大略)、NY(紐約)的ERM熱技術(shù)中獲得。其次，由于這大大提高了效率，因而僅使用了各個Tec—小部分 的熱泵送能力。Tec的熱側(cè)和冷側(cè)之間的AT會受到限制。若需要時，溫度可通 過簡單、便宜、被動的使用地?zé)崂鋮s而受到限制。管子適中的長度可 埋在地表以下數(shù)英尺，且冷卻空氣在使用之前經(jīng)由該管子泵出。眾所 周知地，該深度處的地面溫度大致恒定為50華氏度。這意味著熱的 散熱器通過50度的空氣而冷卻。在冬季，人們甚至可使用更冷的冷 卻空氣以便獲得更好的效果。工作流體在封閉流體路徑中的氣缸之間往復(fù)運動。封閉流體路徑意思指在正常運行期間，與例如不斷地吸入燃燒空氣并向大氣中排出 燃燒副產(chǎn)物的內(nèi)燃機相比，流體在活塞之間往復(fù)運動。本發(fā)明中的封 閉流體路徑必要時允許導(dǎo)入其它的工作流體以及像下文中所描述的 那樣允許壓力控制。第一氣缸中工作流體和反向流體之間的壓差保持在4 PSI至250 PSI之間。通過保持加壓的反向流體，在保持膜完整性的同時較高的工作流體壓力也是有可能的。此外，反向流體通過降低為壓縮工作流 體所必需的功而有助于壓縮沖程。然而，反向流體的壓力沒有如此地 高以致防礙動力沖程。外加熱發(fā)動機可具有低于10個大氣壓力的工作流體。外加熱發(fā)動機可具有大于60PSI壓力的工作流體。在封閉流體路徑中提供了蓄熱器。蓄熱器是發(fā)動機某些循環(huán)期間 的臨時ui熱室。由于溫度低于現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動機，本發(fā)明采用了由聚 四氟乙烯材料制成的殼體。該材料不導(dǎo)熱。因而繞著網(wǎng)格不存在熱的 短回路。現(xiàn)有技術(shù)中蓄熱器以非常高的溫度運行，因而僅可使用全金屬的內(nèi)部構(gòu)件D由于該金屬網(wǎng)格的各層都觸到相鄰層，從而自蓄熱器的熱側(cè)至冷側(cè)建立了連續(xù)的導(dǎo)熱路徑。這導(dǎo)致了高溫能量朝向冷側(cè)的 連續(xù)損失。在本發(fā)明中，蓄熱器以足夠低的溫度運行以便允許采用非金屬的網(wǎng)格層。優(yōu)選地，非金屬網(wǎng)格層在每大約10個金屬層之后使用。這些非傳導(dǎo)層分散了傳導(dǎo)路徑、并因而阻止了從蓄熱器熱側(cè)至冷側(cè)的不 必要的能量損失。此外，由于可做出例如編織玻璃纖維的非金屬網(wǎng)格 層，其具有足夠的熱容量以便略微地增加蓄熱器的保溫能力，從而無須增加不必要的、未波及容量而更進一步地增加蓄熱作用。優(yōu)選地，在蓄熱器中除了金屬網(wǎng)格層和隔熱網(wǎng)格層之外，使用了 第三種類型的層。具體地，可使用具有較大孔口圖案的堅實的較厚銅 層。該孔口排列成用于分散和再分布蓄熱器中的氣流以便確保完全高效地利用全部的網(wǎng)格容量。較厚的銅還保持若干附加熱，這更進一步 地增加了蓄熱能力。該蓄熱室如同現(xiàn)有技術(shù)的蓄熱室 一樣在網(wǎng)格內(nèi)不需要不銹鋼絲， 但可包括比鋼更加傳導(dǎo)的銅絲。銀因其甚至更高的性能而可用作銅的 替換物。銅網(wǎng)格可涂上金剛石，且可包括以外筒和芯型形式的諸如聚 四氟乙烯的高熔點隔熱聚合物。蓄熱器可包括根據(jù)金剛石-銅復(fù)合材料(dmmond copper composite)而構(gòu)建的穿孔盤。這些選擇允許通過利 用較少的網(wǎng)格而隨后具有減少的泵送損耗。發(fā)動機以下列方式運行。施加到熱側(cè)的熱量導(dǎo)致諸如空氣、甲烷 或其它氣體的工作流體壓力升高、和產(chǎn)生膨脹。這會向外推動熱活塞 和冷活塞，從而做有效功。工作流體然后在其流向冷側(cè)的途中經(jīng)過蓄 熱器。在該處理過程中，它留下了其大部分的熱量暫時存儲在蓄熱器網(wǎng)格基體(matrix)中。流體因而以降低很多的溫度到達冷氣缸。一旦在冷氣缸中，流體被壓縮回到其原有的、較小的體積。這需 要除去一些排出到回收裝置的熱量。從而這些熱量被回收和再利用。最后，流體經(jīng)由蓄熱器回流至熱氣缸中。在途中，它獲得了留在 蓄熱器網(wǎng)格基體中的熱量。流體因而以升高很多的溫度和壓力到達熱 氣缸。隨著經(jīng)由熱的注熱器或纟灸熱器而增加了更多的熱量，流體再次 進入膨脹過程，從而開始了新的發(fā)動機循環(huán)。第一活塞和第二活塞設(shè) 置成往復(fù)運動以便工作流體的體積被交替地壓縮和膨脹，從而提供了 大于2: 1的膨脹體積/壓縮體積比。外加熱發(fā)動機可包括裝接在活塞上的柔性滾動膜以便產(chǎn)生活塞 和氣缸之間的密封。該膜可以是由DiaCom公司制造的標(biāo)準(zhǔn)F類型的 硅樹脂膜。該膜事實上具有零摩擦力和零開裂力。膜未進行金屬增強 并且具有低的熔點溫度。泄漏是如此的緩慢以至可以忽略。該單元成 本低廉，并將在正常運轉(zhuǎn)十億次循環(huán)之后才會失效。在外加熱發(fā)動機中可采用該種膜的原因在于本發(fā)明中低的溫度 和壓力。沒有這種低的溫度和壓力，高的溫度和壓力使用膜是不切實 際的。在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計中，膜將必須部分地由薄的、高溫金屬制成， 同時具有防熱性能。這將大大地增加摩擦和降低使用壽命，從而否定 了膜的優(yōu)勢。然而，對于本發(fā)明，膜有可能消除發(fā)動機中的摩擦主源。也就是 說，除去活塞環(huán)?，F(xiàn)有技術(shù)的斯特林發(fā)動機由于摩擦將至少耗損其輸 出功率的20%。對于本發(fā)明而言消除了該摩擦的大多數(shù)。該膜還根除 了傳統(tǒng)活塞環(huán)式密封中存在的滲漏問題。因為沒有滲漏，所以工作流 體和反向流體不會混合，因此如果該兩種流體不一樣的話，該工作流體不會因反向流體而污染。由于膜所提供的理想密封，工作流體和反 向流體不必一樣。例如可使用諸如干氮的反向流體以便避免封裝在機罩(bonnet)中容量的氧化和污染。此外，諸如氦氣的輕氣體可用作工 作流體以便獲得熱力學(xué)的益處，同時仍舊利用諸如空氣或氮氣的重氣 體作為反向流體，從而避免在相對側(cè)上密封較輕氣體的消耗和困難， 或者大量的提供其以便彌補滲漏。此外，對于膜而言，不需要在氣缸中潤滑，這是因為膜本質(zhì)上是 無摩擦的。通過除去潤滑油，工作流體不會被潤滑劑污染。


本發(fā)明現(xiàn)在將通過實例的方式并結(jié)合附圖進行描述，圖中 圖1為本發(fā)明簡化原理的俯視圖； 圖2為本發(fā)明簡化原理的正視圖； 困3為本發(fā)明簡化原理的側(cè)視圖； 圖4為本發(fā)明活塞組件的正視圖； 圖5為圖4的活塞組件的截面圖； 圖6為圖4的活塞組件一部分的截面圖； 圖6A為圖6所示活塞組件部分的端視圖； 圖6B為圖4活塞組件的注熱器(heatinjector)部分的截面圖； 圖6C為圖4具有部分切」棒的活塞組件的注熱器部分的局部截面 透視圖；圖7為圖4的活塞組件一部分的截面圖； 圖8A為本發(fā)明活塞組件第一相的簡化示意圖； 圖8B為本發(fā)明活塞組件第二相的簡化示意圖； 圖8C為本發(fā)明活塞組件第三相的筒化示意圖； 圖8D為本發(fā)明活塞組件第四相的簡化示意圖； 圖9為本發(fā)明加熱、冷卻和加壓系統(tǒng)的示意固; 圖10為本發(fā)明加壓系統(tǒng)的示意圖；圖11為本發(fā)明加熱裝置的示意圖； 圖12為本發(fā)明注熱器的截面圖；圖13為圖12的其中一部分殼體切掉的注熱器的側(cè)視圖；圖14A為本發(fā)明注熱器的一個實施例的截面圖；圖14B為本發(fā)明注熱器的第二實施例的截面圖；圖14C為本發(fā)明注熱器的第三實施例的截面圖；圖14D為本發(fā)明注熱器的第四實施例的截面圖；圖15為本發(fā)明的備選活塞構(gòu)型；圖16為本發(fā)明的另一個備選活塞構(gòu)型；圖17為本發(fā)明的另一個備選活塞構(gòu)型；圖18為本發(fā)明的另一個備選活塞構(gòu)型；圖19為結(jié)合圖20的備選活塞使用的聚合物環(huán)的視圖，其示出了 在安裝到活塞之前的環(huán)；圖20為本發(fā)明備選活塞的側(cè)視圖；圖21為本發(fā)明備選注熱器的局部端視圖；圖22為圖21的備選注熱器的截面圖；圖23為本發(fā)明另一個備選注熱器的局部端視圖；圖24為圖23的備選注熱器的局部截面圖；圖25為本發(fā)明的蓄熱器(regenerator)的端視圖；圖26為圖25的其中一部分殼體切掉的蓄熱器的正視圖；圖27為圖26的蓄熱器一部分的詳細視圖；和圖28為蓄熱器銅盤部分的正視圖。優(yōu)選實施例的"i兌明圖1至圖28示出了本發(fā)明。更具體地說，參照圖1至圖3，示出 了本發(fā)明的原理性概要。活塞組件10被提供，以用于產(chǎn)生動力。桿 12和14通過l關(guān)桿16和18以及通過曲柄20和22傳送該動力。通過 鏈輪24、 26和28以及鏈30和32，動力被傳輸至軸34并隨后到達飛輪40。軸34旋轉(zhuǎn)并通過傳動裝置35將動力傳送至發(fā)生器 (generator)36。冷凍器(chiller)50將像如下所述的那樣冷卻活塞組件10的一部 分。燃燒器60和加熱器70也將像如下所述的那樣向活塞組件10供 熱。整個組件安裝在機架80上。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解具說明意欲提供原理性的概述而不應(yīng)視作對本發(fā)明的限制。轉(zhuǎn)到圖4和圖5，這些附圖示出了活塞組件的細節(jié)?；钊M件IO 容納在具有外表面102的機罩或圓柱殼體100內(nèi)。圖5示出了活塞組 件10的截面圖。參照圖5和圖7,第一活塞組件110包括安裝成用于在氣缸114 中往復(fù)運動的活塞112。環(huán)繞活塞112的是滾動膜116。滾動膜116 保持在凸緣118和120的適當(dāng)位置。滾動膜116限定了工作室122和 相對室124?；钊麠U14促使活塞112往復(fù)運動并通過軸承130而保持 正常方位。隨著活塞112在氣缸114中的往復(fù)運動，滾動膜116的換 向點(turnaroundpoint)132在氣缸114內(nèi)移動。滾動膜116通過任何合 適的方法裝接在活塞112的前表面136上。因而，滾動膜116在工作 室122和相對室124之間形成無摩擦密封。氣缸114含有隔熱材料140 以便防止經(jīng)由圓柱殼體100的能量損耗。該隔熱材料可以由例如聚四 氟乙烯(polytetraflouroethylene)或其它的隔熱材料制成?；钊麠U14裝接在其與滑動器組件150相對的端部142上?；瑒?器組件150含有適于在導(dǎo)軌154和156上作線性運動的塊體 (block)152。輪158允許相對于導(dǎo)軌154和156的滑動。滑動器組件 150消除了任何位于活塞桿142上的橫向力。聯(lián)桿160允許線性運動 轉(zhuǎn)變成曲柄162的轉(zhuǎn)動。圓柱殼體100的各端由含有反向流體(opposing fluid)的機罩550 和560蓋住。機罩550含有和支撐控制推桿16運動的軸承530。機罩 550包括密封件552以便容納反向流體，以及具有經(jīng)由其導(dǎo)入反向流體的入口端口 554。機罩550在壁內(nèi)具有受限的表面面積。因而，在加壓的反向流體 作用下而施加于壁上的作用力的大小受到限制。此外，機罩550曝露 于相對低的溫度和壓力。機罩550可由諸如鋁的輕金屬制成，并且既 不必具有厚壁也無須具有加強筋。密封件552可以是適于低的溫度和 壓力應(yīng)用的類型。密封件552僅支持無轉(zhuǎn)動的平移運動，其消除了與 傳統(tǒng)的發(fā)動機相關(guān)聯(lián)的曲軸箱問題。第二機罩560裝接在氣缸114上 并包括密封件562和入口 564。圖5、圖6、圖6A、圖6B和圖6C示出了注熱器組件200。加熱 流體(未標(biāo)識)經(jīng)由導(dǎo)管202從加熱器70(圖3)中送入。加熱流體隨箭頭 204經(jīng)由導(dǎo)熱材料212周圍的凹槽205、從而直接將熱量注入發(fā)動機 內(nèi)，并經(jīng)由導(dǎo)管209排出。熱量通過隔熱材料213而截留(trapped)在 發(fā)動機內(nèi)。注熱器具有隔熱芯部215。工作流體(未標(biāo)識)以箭頭170 所指的縱向流經(jīng)導(dǎo)熱材料212。導(dǎo)熱材料212具有貫穿其的通路210 以便工作流體可經(jīng)由其縱向傳送。隔熱材料213環(huán)繞導(dǎo)熱材料212。 用于工作流體的縱向通道210狹窄并且控制著注熱器200全部可用的 長度。因此，通道210具有長的長度和窄的深度，從而產(chǎn)生了高的長 -深比。這在工作流體和注熱器200的傳導(dǎo)材料212之間提供了低溫 差。同樣地通過減小這些通道210的寬度，避免了對發(fā)動機未波及 (unswept)容量進行不必要的、過度的添加。用于加熱流體的凹槽205包括沿注熱器200全部可用的外部長度 形成螺旋圖樣的許多平行凹槽。通過保持這些凹槽205非常地窄和深， 獲得了非常高的長/深比值和低溫差，同時提供了足夠可用的截面面積 以便容許足量的加熱流體流動和提供熱量輸入。凹槽205和通道210必須由傳導(dǎo)材料212的堅實部分隔開。如果 發(fā)動機在高的壓力和溫度下運行，于是在該層中將需要大的強度，這 是因為其必須起到壓力安全殼容器的作用。這將要求導(dǎo)熱材料212由 諸如不銹鋼的相對厚的材料層制成。由于熱量經(jīng)由該層傳導(dǎo)進發(fā)動機內(nèi)，這將導(dǎo)致越過該層的非常高的溫差。然而，由于發(fā)動機在低的溫度和壓力下運行，這對于本發(fā)明是不 需要的。諸如銅的非常薄的導(dǎo)熱材料層212可被使用。這使得越過該 層的溫差可以忽略，同時仍能足夠地抵抗壓力。如圖14A至圖14D所示，經(jīng)過注熱器200a、 200b、 200c和200d 的通路可采用多種構(gòu)型。圖14A示出了作為由分配器226形成三角形 導(dǎo)管的通路220。圖14B示出了作為經(jīng)由導(dǎo)熱材料212的縱向?qū)Ч艿?通路222。圖14C示出了作為備用優(yōu)選構(gòu)型的縱向?qū)Ч艿耐?24。 圖14D示出了作為縱向盤狀通路226的導(dǎo)管。各個注熱器200a、200b、 200c和200d都具有隔熱芯部215。如圖5、圖6、圖25、圖26和圖27所示，蓄熱器300具有工作 流體經(jīng)由其流入的網(wǎng)格(mesh)302。網(wǎng)格302可由銅、或涂有諸如金剛 石的高導(dǎo)熱材料的銅制成。其它類型的設(shè)計成用于快速傳熱的材料也 可使用。蓄熱器300中的網(wǎng)格層302由隔熱材料350(例如聚四氟乙烯 或其它保溫材料)的氣缸所環(huán)繞并被容納在殼體100內(nèi)。這防止了熱對 于環(huán)境的獲得或損耗。此外，它還防止了熱量從蓄熱器的熱側(cè)352傳 導(dǎo)至冷側(cè)354。具有適當(dāng)安裝特征的、優(yōu)選為鋁的外部氣缸IOO被用于提供壓力 安全殼、機械強度和固定裝置(mounting)。聚四氟乙烯'350將該外部 氣缸100從網(wǎng)才各302中隔離。蓄熱器包括中心隔熱芯部360。這由堅實的、相對大直徑的聚四 氟乙烯或類似材料的桿組成。網(wǎng)格302每一層的中心直徑被鉆穿以便 裝上該芯部360。由于芯部360為非傳導(dǎo)的，故不會造成熱損耗。蓄 熱器300還包括具有孔363(圖28)的銅盤362，以便提供經(jīng)由蓄熱器 300的流體湍流。孔分散了流體的流動并使其再分布以便有效地利用 銅網(wǎng)格302的熱容量。還提供了隔熱盤364以便防止沿流體流動方向 經(jīng)由網(wǎng)4各層302的熱傳遞。通過使得蓄熱器300的芯部360堅實，從而網(wǎng)格302的總體容量保持正常大小(不大于其所需的)，以便防止發(fā)動機中不必要的未波及 容量，同時網(wǎng)格的外徑保持為大的(與發(fā)動機的余下部分相同)，從而 在氣流通道直徑中不存在將導(dǎo)致流體流動非常高的分裂損耗的不連續(xù)性。圖5和圖6示出了抽熱器400。抽熱器400除去工作流體中的熱 量。抽熱器400以類似于注熱器200的方式運行。抽熱器400具有可 類似于圖14A至圖14D的方式構(gòu)造成的縱向通路。來自冷凍器50中 的冷流體(未標(biāo)識)以類似于有關(guān)注熱器200所述的方式沿箭頭402的 方向經(jīng)由導(dǎo)管404注入并經(jīng)由螺旋通道405繞著熱交換材料406的外 部流通。冷流體退出導(dǎo)管408并返回冷凍器50中。抽熱器400由隔 熱材料410例如聚四氟乙烯或其它保溫材料以及殼體100所環(huán)繞。一 種可使用類型的冷流體為液體制冷劑。液體制冷劑在通道405中汽化， 從而自熱交換材料406中攝取熱量。如此以來，熱交換材料406可很 好地被冷卻至零華氏度以下。圖5示出了第二活塞組件500。它以與第一活塞組件110同樣的 方式運行。第二活塞組件500包括活塞502、膜503和氣缸504。軸 承530將活塞桿16保持在適當(dāng)位置。圖4中示出了簡化的滑動器組件151,其以類似于滑動器組件 150(也在圖4中簡化)的方式運行?；瑒悠?50更詳細的說明結(jié)合圖7 進行了描述。圖8A至圖8D表示發(fā)動機的四個相位。雖然圖8A至圖8D中正 確地示出了活塞的相位，但在文中的其它附圖中并沒有必要示出其正 確的相位關(guān)系?；钊?12和活塞502通過適當(dāng)?shù)臋C械聯(lián)接始終保持90 度的異相。圖8A中，所有工作流體已從冷氣缸504中壓出、而其活 塞502處于完全壓縮位置。熱氣缸114示出其活塞112位于動力沖程 的開始處。圖8B中，冷活塞502向左移動并牽引工作流體進入氣缸。熱活 塞112已完成其動力沖程。圖8C中，隨著部分地完成了流體至冷側(cè)的傳輸而示出了完全撤 回的冷活塞。熱活塞部分地通過了傳輸沖程。圖8D示出了部分地通過其壓縮沖程的冷活塞。示出的熱活塞處 于已完成傳輸沖程之后。圖9至圖11示出了系統(tǒng)的示意圖。圖9中，冷凍器冷凝器(chiller condenser)800和芯部冷凍器系統(tǒng)802將冷流體運送至發(fā)動機的冷側(cè) 814。熱量從冷側(cè)814抽出并傳送至熱氣換熱器804。貫穿整個系統(tǒng)， 排出的熱被傳送至回收裝置(recuperator)組件805(圖9)。冷凍器冷凝器 組件800還將排出熱運送至發(fā)動機的熱側(cè)。該熱流體通過燃燒器系統(tǒng) 806加熱并傳送至另一個換熱器808。換熱器808將熱流體運送至用 于氣缸114的注熱器200。燃燒器系統(tǒng)806具有燃料供給源810。壓縮機820和壓力儲備物(pressure reserve)824將加壓的反向流體 運送至氣缸114和504。壓力儲備物822向發(fā)動機運送高壓的工作流 體。這在正常壓力下對發(fā)動機預(yù)加載了適當(dāng)量的工作流體。而且提供 了調(diào)壓器826、 828和830以便確保正常的運行。圖10為壓力控制系統(tǒng)900的示意圖。來自壓縮機820(圖9)的空 氣被傳送至冷氣缸814和熱氣缸114。提供了止回閥902、 904和906, 減壓閥910、 912、 914和916以及壓力控制閥915從而確保系統(tǒng)的正 常運行。反向流體和工作流體的壓力通過控制系統(tǒng)920和轉(zhuǎn)換器 (transducer)922和924而調(diào)節(jié)以《更提高輸出功率。圖11示出了注熱系統(tǒng)的示意圖。例如拋物面槽形集熱器IOOO和 燃燒器1002的太陽能熱陣列(solar thermal array)向系統(tǒng)提供加熱流 體。泵1010通過系統(tǒng)流通傳熱流體。提供了溫差電池1004以便儲存 曰間收集的過剩太陽熱，從而稍后在夜間用于發(fā)動機中。余熱通過經(jīng) 由相變材料層(bed)而儲存。當(dāng)曝露于熱時，這種材料改變相位并在該 過程中能夠以恒溫儲存大量的熱。當(dāng)以所儲存的熱量運轉(zhuǎn)發(fā)動機時， 相變材料再次地逐漸改變相位并在該過程中再次地以恒溫返還其儲 存的熱。系統(tǒng)控制器1006控制注熱系統(tǒng)的運行。其它的產(chǎn)熱和供熱系統(tǒng) 有可能并很好地處于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的構(gòu)建技藝中。圖12為注熱器200e的一個實施例的截面圖。圖13為其中切掉了 一部分殼體的注熱器的側(cè)視圖。工作流體穿過貫穿導(dǎo)熱材料232的導(dǎo) 管230。加熱流體在翅片234之間行進。導(dǎo)熱板236有助于將熱從加 熱流體傳輸至熱電加熱器238。這些熱電加熱器238將該熱量泵送進 導(dǎo)熱材料232中。注熱器的中央具有隔熱芯部215。圖15至圖18示出了備選的活塞配置。在這些實施例中，活塞、 注熱器、抽熱器以及蓄熱器的運行已完全在上文中進行了描述而無須 在此重復(fù)。圖15示出了兩對氣缸1010、 1012、 1014和1016。這些布 置包括以與圖4中組件的類似方式運行的簡化的滑動器組件1020、 1022、 1024和1026。聯(lián)桿1023驅(qū)動曲柄1025。鏈1027以類似于圖 1所示的方式連接飛輪1029。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會理解該設(shè)計中 可添加另外的氣缸。圖16示出了另一個氣缸布置。在該構(gòu)型中，四個氣缸1030、 1032、 1034和1036徑向排列，并經(jīng)由聯(lián)桿1044、 1046、 1048和1050連接 曲柄1040。共用熱源1052加熱氣缸1030和1034。共用冷凍器1054 冷卻氣缸1032和1036。圖17和圖18示出了兩個另外的發(fā)動機構(gòu)型。在圖17中，發(fā)動 機包括備選地在其氣缸1062內(nèi)往復(fù)移動的置換器或梭體1060。置換 器1060備選地將工作流體從熱側(cè)1064移至冷側(cè)1066。導(dǎo)管1061和 1063將置換器氣缸1062和1066連接至注熱器1068和抽熱器1067。隨著空氣被轉(zhuǎn)移到發(fā)動機的抽熱器1067中，其最后穿過熱的注 熱器1068，由此達到高的溫度和壓力。所提供的蓄熱器1071與結(jié)合 圖6進行描述的蓄熱器相同。通過聯(lián)桿1070、 1072和1074以及鏈1076 而連接的適當(dāng)定時的(properly timed)單一活塞1080隨后定位在其氣缸 1078中，以便輸送動力沖程。聯(lián)桿1074驅(qū)動曲柄1075。曲柄1075 經(jīng)由鏈1076驅(qū)動曲柄1077。接著，置換器向發(fā)動機的冷側(cè)1066推動工作流體。由此大大地 降低了溫度和壓力?；钊?080為定時的以便定位成準(zhǔn)備將該低溫和 低壓的工作流體壓縮成較小的體積而無須做很多功。循環(huán)隨后重復(fù)進行。在圖18中，發(fā)動機以類似于圖17中發(fā)動機的方式運行。置換器 1084備選地在熱側(cè)1086和冷側(cè)1088之間推動工作流體。單一活塞 1090為定時的以便當(dāng)工作流體為熱的且處于高壓時輸送動力沖程，以 及當(dāng)工作流體為冷的且處于低壓時輸送壓縮沖程。圖18的發(fā)動機僅使用單一曲柄1092。為實現(xiàn)該目的，必須使得 連接桿1094中的一個為空的。第二桿1096在空的第一桿內(nèi)運行，并 能夠獨立于第一桿而移動。單曲柄1092在其上具有兩個分別處于適當(dāng)度數(shù)的銷1104和 1106。這正確地定時了置換器1084和活塞1090的運動?；钊?090 驅(qū)動經(jīng)由聯(lián)桿1100和1102驅(qū)動曲柄1092的桿1094。聯(lián)桿1100和 1102分別經(jīng)由銷1104和1106連接曲柄1092。聯(lián)桿1100通過銷1110 可樞轉(zhuǎn)地安裝在類似于圖7塊體152的方式構(gòu)建的滑塊1108上。聯(lián) 桿1102通過銷1114可樞轉(zhuǎn)地安裝在塊體1112上。僅具有單一曲柄1092而沒有鏈，圖18的發(fā)動機可較圖17的發(fā) 動機更緊湊。在圖19和圖20中，提供了備選活塞1150。該活塞設(shè)計有兩個隔 開部分， 一個具有較另一個更大的直徑。位于活塞頭部的較小直徑部 分1152大小設(shè)置成以圖7中活塞同樣的方法與滾動膜1154 —起工作。較大直徑部分1156具有機加工進其內(nèi)的兩個凹槽1160。每一凹 槽都裝配了聚四氟乙烯或其它的低摩擦材料的環(huán)1162。環(huán)1162大小 設(shè)置成用于在氣缸內(nèi)部進行緊配合(未示出)。這兩個環(huán)在氣缸和活塞 1150之間起到兩用軸承的作用，以及將活塞正確地定位在氣缸內(nèi)并保 持其為直的和對準(zhǔn)。由于上環(huán)和膜1154后表面之間的容積隨著活塞的往復(fù)移動而變化，在該可變?nèi)莘e中將會存在可損傷膜1154的壓縮效應(yīng)。為了防止該壓縮效應(yīng)發(fā)生，孔1164鉆通了活塞裙部1166,從而允許將過剩壓 力無害地泄放到活塞1150的空心U68中。由于活塞通過該兩個環(huán)而保持為直的并對準(zhǔn)，常規(guī)的肘節(jié)銷1170 和連桿1172如圖20所示都可使用。由于這會允許上下往復(fù)地運動， 因而無需圖7的滑動器組件。圖21至圖24示出了備選的注熱系統(tǒng)?；钊?12、氣缸114和膜 116早先已結(jié)合圖5進行了描述。在圖21和圖22中，示出了經(jīng)過注 熱器1324的壁1322和隔熱材料1325的熱管1320。熱管1320含有經(jīng) 由該流體相變而傳輸熱的流體。該熱;故傳輸至導(dǎo)熱材料1334。通道 1326經(jīng)由導(dǎo)熱材料1334傳送工作流體并且獲得由熱管1320所注入的 熱量。在圖23和圖24，縱向通道1326已經(jīng)替換為類似于圖6A所示出 的那樣經(jīng)過導(dǎo)熱材料1334的備選的縱向通道1340。并且在圖24中， 圖22中用于工作流體的通道已為鋸痕切槽(sawcuts)1340所替代。盡管本發(fā)明已參照各種具體實施例進行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解的是 在所述的本發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍內(nèi)可做出許多變化。因此，本發(fā)明 并非意圖局限于所述實施例，而是應(yīng)將具有所附權(quán)利要求的術(shù)語所限 定的全部范圍。
權(quán)利要求
1.一種外加熱發(fā)動機，包括a)適于在第一氣缸內(nèi)運動的第一活塞，所述第一活塞具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述第一活塞的所述第一側(cè)和所述第一氣缸限定了第一工作室，而所述第一活塞的所述第二側(cè)和所述第一氣缸限定了容納壓力受控的反向流體的第一相對室；b)適于在第二氣缸內(nèi)運動的第二活塞，所述第二活塞具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述第二活塞的所述第一側(cè)和所述第二氣缸限定了第二工作室，而所述第二活塞的所述第二側(cè)和所述第二氣缸限定了第二相對室，所述第二相對室容納壓力受控的反向流體；c)第一氣缸和第二氣缸之間的封閉流體路徑，所述封閉流體路徑包括壓力受控的工作流體，所述工作流體能在所述第一工作室和所述第二工作室之間移動，所述第一工作流體和所述第一相對室中的所述反向流體之間的壓差處于4 PSI至500 PSI之間；d)位于所述封閉流體路徑中的蓄熱器；e)用于加熱所述第一氣缸中的所述工作流體的加熱器；f)用于將所述第二氣缸中的所述工作流體冷卻至低于32華氏度溫度的抽熱器；并且g)所述第一活塞和所述第二活塞布置成往復(fù)運動，以便所述工作流體的體積交替地壓縮和膨脹，使得膨脹體積對壓縮體積的比值大于2∶1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述發(fā) 動機還包括柔性滾動膜，裝接在所述第一活塞上，以便在所述第一活 塞和所述第一氣缸之間產(chǎn)生密封。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述抽 熱器包括穿過所述第二氣缸的氣缸壁的熱管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的外燃機，其特征在于，所述熱管通過熱電冷卻器而冷卻。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述熱 管由換熱器介質(zhì)所環(huán)繞，所述換熱器介質(zhì)具有低于32華氏度的凝固 溫度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述換 熱器介質(zhì)包括鹽水。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述換 熱器介質(zhì)包括甲醇。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述換 熱器介質(zhì)包括乙二醇。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述抽 熱器還包括隔熱芯部、環(huán)繞所迷隔熱芯部的傳熱材料、穿過所述傳熱 材料用于傳送所述工作流體的通道、穿過所述傳熱材料用于傳送冷流 體以便從所述傳熱材料中吸取熱量的通道，以及環(huán)繞所述傳熱材料的 隔熱材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述發(fā) 動機還包括用于冷卻所述抽熱器中的所述工作流體的冷卻流體，且所 述冷卻流體和進入所述第二氣釭在其已由所述冷卻流體冷卻之后的 所述工作流體之間的溫差小于10華氏度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述第 一活塞和所述第二活塞中的至少一個具有沖程長度和直徑，且所述沖 程長度大于所述直徑。
12. —種外加熱發(fā)動機，包括a) 適于在第一氣缸內(nèi)運動的第一活塞，所述第一活塞具有第一側(cè) 和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，第二活塞的第一側(cè)和第二氣缸限定了 第二工作室，而所述第一活塞的所述第二側(cè)和所述第二氣缸限定了第 二相對室，所述第二相對室容納壓力受控的反向流體；b) 適于在第二氣缸內(nèi)運動的第二活塞，所述第二活塞具有第一側(cè)和與所述第 一側(cè)相對的第二側(cè)，所述第二活塞的所述笫 一側(cè)和所述第 二氣缸限定了第二工作室，而所述第二活塞的所述第二側(cè)和所述第二氣缸限定了第二相對室，所述第二相對室容納壓力受控的反向流體；c) 位于所述第一氣缸和所迷第二氣缸之間的封閉流體路徑，所迷封閉流體路徑包括壓力受控的工作流體；d) 位于所述封閉流體路徑中的蓄熱器；e) 用于將所述第一氣缸中的所述流體加熱到250至550華氏度之 間的溫度的傳熱流體，且所述傳熱流體和進入所述第一氣缸在其已由 所述傳熱流體加熱之后的所述工作流體之間的溫差小于10華氏度； 并且f) 所述第一活塞和所述第二活塞布置成往復(fù)運動，以便所述工作 流體的體積交替地壓縮和膨脹，使得膨脹體積對壓縮體積的比值大于 2: 1。
13. —種外加熱發(fā)動機，包括a) 適于在第一氣缸內(nèi)運動的第一活塞，所述第一活塞具有第一側(cè) 和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，第二活塞的第一側(cè)和第二氣缸限定了 第二工作室，而所述第二活塞的所述第二側(cè)和所述第二氣缸限定了第 二相對室，所述第二相對室容納壓力受控的反向流體；b) 適于在第二氣缸內(nèi)運動的第二活塞，所述第二活塞具有第一側(cè) 和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述第二活塞的所述第 一側(cè)和所述第 二氣缸限定了第二工作室，而所述第二活塞的所述第二側(cè)和所述第二 氣缸限定了第二相對室，所述第二相對室容納壓力受控的反向流體；c) 位于所述第一氣缸和所述第二氣缸之間的封閉流體路徑，所述 封閉流體路徑包括壓力受控的工作流體；d) 位于所述封閉流體路徑中的蓄熱器；e) 用于將所述第一氣缸中的所述工作流體加熱至小于500華氏度 溫度的熱源；并且f) 所述第一活塞和所述第二活塞布置成往復(fù)運動，以便所述工作流體的體積交替地壓縮和膨脹，使得膨脹體積對壓縮體積的比值大于2: 1。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所逸的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 發(fā)動機包括柔性滾動膜，裝接在所述第一活塞上，以便在所述第一活 塞和所述第 一 氣缸之間產(chǎn)生流體密封。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所逸的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 發(fā)動機包括柔性滾動膜，裝接在所述第一活塞上，以便在所述第一活 塞和所述第 一 氣缸之間產(chǎn)生流體密封。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括銅網(wǎng)格層。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括銅網(wǎng)格層。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 銅網(wǎng)格層涂有金剛石。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 銅網(wǎng)格層涂有金剛石。
20. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括環(huán)繞所述銅網(wǎng)格層的高熔點隔熱聚合物。
21. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括高熔點的隔熱聚合物芯部。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 聚合物芯部為聚四氟乙烯。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 聚合物為環(huán)繞所述銅網(wǎng)格層的聚四氟乙烯。
24. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括由金剛石-銅復(fù)合材料所構(gòu)建的穿孔盤。
25. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括位于所述銅網(wǎng)格層之間的玻璃纖維網(wǎng)格層。
26. 根據(jù)權(quán)利要求17所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括位于所述銅網(wǎng)格層之間的玻璃纖維網(wǎng)格層。
27. 根據(jù)權(quán)利要求16所逸的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括位于所述銅網(wǎng)格層之間的銅盤層。
28. 根據(jù)權(quán)利要求17所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括位于所述銅網(wǎng)格層之間的銅盤層。
29. 根據(jù)權(quán)利要求16所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 發(fā)動機包括柔性滾動膜，裝接在所述第一活塞上，以便在所述第一活 塞和所述第一氣缸之間產(chǎn)生流體密封。
30. 根據(jù)權(quán)利要求17所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 發(fā)動機包括柔性滾動膜，裝接在所述第一活塞上，以便在所述第一活 塞和所述第 一 氣缸之間產(chǎn)生流體密封。
31. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述工 作流體處在低于IO個大氣壓力的壓力。
32. 根據(jù)權(quán)利要求12所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 外加熱發(fā)動機還包括穿過所述第 一 氣缸的壁的熱管。 —
33. 根據(jù)權(quán)利要求13所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 外加熱發(fā)動機還包括穿過所述第一氣缸的壁的熱管。
34. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 工作流體處在低于IO個大氣壓力的壓力。
35. 根據(jù)權(quán)利要求13所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 工作流體處在低于IO個大氣壓力的壓力。
36. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，加熱 介質(zhì)環(huán)繞所述熱管且所述加熱介質(zhì)通過熱電發(fā)生器加熱。
37. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，加熱 介質(zhì)環(huán)繞所述熱管且所述加熱介質(zhì)通過熱電發(fā)生器加熱。
38. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述工 作流體通過太陽能加熱。
39. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 工作流體通過太陽能加熱。
40. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 工作流體通過太陽能加熱。
41. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述工 作流體處在大于60 PSI的壓力。
42. 根據(jù)權(quán)利要求12所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 工作流體處在大于60 PSI的壓力。
43. 根據(jù)權(quán)利要求13所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 工作流體處在大于60 PSI的壓力。
44. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述發(fā) 動機還包括位于所述流體路徑中的抽熱器，所述抽熱器包括環(huán)繞工作 流體通道和冷卻流體通道的隔熱層。
45. 根據(jù)權(quán)利要求12所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 發(fā)動機還包括位于所述流體路徑中的注熱器，所述注熱器包括環(huán)繞工 作流體通道和加熱流體通道的隔熱層。
46. 根據(jù)權(quán)利要求13所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 發(fā)動機還包括位于所述流體路徑中的注熱器，所述注熱器包括環(huán)繞工 作流體通道和加熱流體通道的隔熱層。
47. 根據(jù)權(quán)利要求46所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 注熱器還包括隔熱芯部、環(huán)繞所述隔熱芯部的傳熱材料、穿過所述傳 熱材料用于傳送所述工作流體的通道、穿過所述傳熱材料用于傳送熱 流體以便將熱量注入到所述傳熱材料中的通道，以及環(huán)繞所述傳熱材 料的隔熱材料。
48. 根據(jù)權(quán)利要求12所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 第一活塞和所述第二活塞中的至少一個具有沖程長度和直徑，且所述 沖程長度大于所述直徑。
49. 根據(jù)權(quán)利要求13所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述第一活塞和所述第二活塞中的至少一個具有沖程長度和直徑，且所述 沖程長度大于所述直徑。
50. —種外加熱發(fā)動機，包括a) 適于在第一氣缸內(nèi)運動的活塞，所述活塞具有第一側(cè)和與所述 第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述第一側(cè)和所述第一氣缸限定了第一工作 室，而所述第二側(cè)和所述第 一氣缸限定了容納壓力受控的反向流體的 第一相對室；b) 適于在第二氣缸內(nèi)運動的置換器，所述置換器具有第一側(cè)和與 所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述置換器的所述第 一側(cè)和所述第二氣缸 限定了冷室，而所述置換器的所述第二側(cè)和所述第二氣缸限定了熱 室；c) 位于所述第 一 氣缸和所迷第二氣缸之間的封閉流體路徑，所述 封閉流體路徑包括壓力受控的工作流體，所述工作流體能在所述工作 室、所述冷室和所述熱室之間移動，在所述工作流體和所述第一相對 室中的所述反向流體之間的壓差處于4 PSI至500 PSI之間；d) 位于所述封閉流體路徑中的蓄熱器；e) 用于加熱所述工作流體的注熱器；f) 用于將所述工作流體冷卻至低于32華氏度溫度的抽熱器；并且g) 所述第一活塞和所述置換器布置成往復(fù)運動地用于交替地推動 所述工作流體經(jīng)過所述注熱器和所述抽熱器，以便所述工作流體交替 地壓縮和膨脹，使得膨脹體積對壓縮體積的比值大于2: 1。
51. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 發(fā)動機還包括柔性滾動膜，裝4妻在所述活塞上，以便在所述活塞和所 述第一氣缸之間產(chǎn)生密封。
52. —種外加熱發(fā)動^L,包括a)適于在第一氣缸內(nèi)運動的活塞，所述活塞具有第一側(cè)和與所述 第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述第一側(cè)和所述第一氣缸限定了工作室，而 所述第二側(cè)和所述第一氣缸限定了容納壓力受控的反向流體的相對室；b) 適于在第二氣缸內(nèi)運動的置換器，所述置換器具有第一側(cè)和與 所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所迷置換器的所述第一側(cè)和所述第二氣缸 限定了冷室，而所述置換器的所述第二側(cè)和所述第二氣缸限定了熱室；c) 位于所述第一氣缸和所迷第二氣缸之間的封閉流體路徑，所述封閉流體路徑包括壓力受控的工作流體，所述工作流體能在所述第一 工作室、所述冷室和所述熱室之間移動，在所述第一工作流體和所述第一相對室中的所述反向流體之間的壓差處于4 PSI至500 PSI之間；d) 位于所述封閉流體路徑中的蓄熱器；e) 用于將所述第一氣缸中的所述流體加熱到250至550華氏度之 間的溫度的傳熱流體，且熱源和所述第 一氣缸中的所述流體之間的溫 差小于IO華氏度；并且f) 所述第一活塞和所述置換器布置成往復(fù)運動，以便所述工作流 體的體積交替地壓縮和膨脹，使得膨脹體積對壓縮體積的比值大于2: 1。
53. —種外加熱發(fā)動機，包括a) 適于在第一氣缸內(nèi)運動的活塞，所述活塞具有第一側(cè)和與所述 第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述第一側(cè)和所述第一氣缸限定了工作室，而 所述第二側(cè)和所述第一氣缸限定了容納壓力受控的反向流體的相對室；b) 適于在第二氣缸內(nèi)運動的置換器，所述置換器具有第一側(cè)和與 所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述置換器的所述第一側(cè)和所述第二氣缸 限定了冷室，而所述置換器的所述第二側(cè)和所述第二氣缸限定了熱 室；c) 位于所述第 一 氣缸和所迷第二氣缸之間的封閉流體路徑，所述 封閉流體路徑包括壓力受控的工作流體，所述工作流體能在所述第一 工作室、所述冷室和所述熱室之間移動，在所述第一工作流體和所述第一相對室中的所述反向流體之間的壓差處于4 PSI至500 PSI之間；d) 位于所述封閉流體路徑中的蓄熱器；e) 用于將所述第一氣缸中的所述工作流體加熱至小于500華氏度 溫度的熱源；并且f) 所述第一活塞和所述置換器布置成往復(fù)運動，以便所述工作流 體的體積交替地壓縮和膨脹，使得膨脹體積對壓縮體積的比值大于2:
54.根據(jù)權(quán)利要求52所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 發(fā)動機還包括柔性滾動膜，裝接在所述活塞上，以便在所述活塞和所 述第一氣缸之間產(chǎn)生密封。
55.根據(jù)權(quán)利要求53所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所迷 發(fā)動機還包括柔性滾動膜，裝接在所述活塞上，以便在所述活塞和所 述第一氣缸之間產(chǎn)生密封。
56. 根據(jù)權(quán)利要求52所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括銅網(wǎng)格層。
57. 根據(jù)^L利要求53所述的外加熱發(fā)動機， 蓄熱器包括銅網(wǎng)格層。
58. 根據(jù)權(quán)利要求56所述的外加熱發(fā)動機， 銅網(wǎng)格層涂有金剛石。
59. 根據(jù)權(quán)利要求57所迷的外加熱發(fā)動機， 銅網(wǎng)格層涂有金剛石。
60. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的外加熱發(fā)動機， 蓄熱器包括高熔點的隔熱聚合物。
61. 根據(jù)權(quán)利要求53所述的外加熱發(fā)動機， 蓄熱器包括高熔點的隔熱聚合物。
62. 根據(jù)權(quán)利要求60所述的外加熱發(fā)動機， 聚合物為聚四氟乙烯。
63. 根據(jù)權(quán)利要求61所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 其特征在于，所述 其特征在于，所述 其特征在于，所述 其特征在于，所述 其特征在于，所述 其特征在于，所述聚合物為聚四氟乙烯。
64. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述蓄熱器包括由金剛石-銅復(fù)合材料所構(gòu)建的穿孔盤。
65. 根據(jù)權(quán)利要求56所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括位于所述銅網(wǎng)格層之間的玻璃纖維網(wǎng)格層。
66. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括位于所述銅網(wǎng)格層之間的玻璃纖維網(wǎng)格層。
67. 根據(jù)權(quán)利要求56所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括位于所述銅網(wǎng)格層之間的銅盤層。
68. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 蓄熱器包括位于所述銅網(wǎng)格層之間的銅盤層。
69. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述發(fā) 動機還包括連接到所述第一氣缸的第一端上的機罩，所述機罩和所述 第 一氣缸的所述第 一端產(chǎn)生密封，以便容納所述反向流體。
70. 根據(jù)權(quán)利要求12所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 發(fā)動機還包括連接到所述第一氣缸的笫 一端上的機罩，所述機罩和所 述第 一 氣缸的所迷第 一 端產(chǎn)生密封，以便容納所述反向流體。
71. 根據(jù)權(quán)利要求13所迷的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述 發(fā)動機還包括連接到所述第一氣缸的第一端上的機罩，所述機罩和所 述第一氣缸的所述第一端產(chǎn)生密封，以便容納所述反向流體。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有至少兩個活塞的外加熱發(fā)動機。第一活塞具有第一側(cè)(工作側(cè))和與第一側(cè)相對的第二側(cè)。第一活塞的第一側(cè)和第一氣缸限定了容納工作流體的第一工作室。第一活塞的第二側(cè)和第一氣缸限定了容納反向流體的第一相對室。加熱器加熱第一氣缸中的工作流體。優(yōu)選地，氣缸由熱源加熱以便工作流體具有至多500華氏度的溫度，同時熱源和工作流體之間的溫差小于5華氏度。第二活塞在第二氣缸內(nèi)往復(fù)運動，且具有第一側(cè)(工作側(cè))和與第一側(cè)相對的第二側(cè)。該第一側(cè)和氣缸限定了容納工作流體的工作室?；钊牡诙?cè)和氣缸限定了容納反向流體的第二相對室。位于第二氣缸內(nèi)的工作流體被冷卻至低于35華氏度的溫度。
文檔編號F02D23/00GK101238276SQ200680028862
公開日2008年8月6日 申請日期2006年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月5日
發(fā)明者G·P·霍夫曼, R·J·伊德 申請人:更新熱力學(xué)有限責(zé)任公司