專(zhuān)利名稱(chēng)：外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)(externally heated engine) 0更具體地，本發(fā)明涉及 以相對(duì)低的溫度和壓力運(yùn)行的外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的效率的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)以及尤其是斯特林循環(huán)(Stirling cycle)發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持大的前 景，這是因?yàn)槠淅碚摕嵝式咏诳ㄖZ循環(huán)(Carnot Cycle)的效率。該效率反過(guò)來(lái)建立在 循環(huán)中熱時(shí)和冷時(shí)之間的溫差上?，F(xiàn)今該種發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)師們正設(shè)法通過(guò)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱側(cè) 的溫度而使效率達(dá)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(jìn)一步地優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)際問(wèn)題和巨大費(fèi)用結(jié)合 起來(lái)使得制造這種發(fā)動(dòng)機(jī)不切實(shí)際而擁有和運(yùn)行該種發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)于昂貴。高壓氣體和極端溫 度已經(jīng)使得該發(fā)動(dòng)機(jī)如此地復(fù)雜以致幾乎超出了最具經(jīng)驗(yàn)用戶(hù)所能達(dá)到的有效范圍。本發(fā)明采用了完全相反的途徑。通過(guò)結(jié)合使用若干改進(jìn)，使得設(shè)計(jì)高效、低溫的單 缸發(fā)動(dòng)機(jī)成為可能?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)中要么采用平的氣缸壁作為換熱器、要么采用殼管式氣對(duì)氣 換熱器的變體。材料通常是鋼或鈦，該兩者都相對(duì)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(shí)間內(nèi)迫使傳輸必要的熱量。這反過(guò)來(lái)迫使熱源本身甚至以更高的溫 度運(yùn)行，以及非常緊固地聯(lián)接于換熱器上。這勢(shì)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。—些現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(fèi)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(qiáng)且 很燙，因而使用其非常地危險(xiǎn)。這種技術(shù)不適于在簡(jiǎn)單的、大量生產(chǎn)的裝置中使用。現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)中另外的問(wèn)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?yàn)槭滓紤]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(wèn)題完全控制了蓄熱器設(shè)計(jì)在現(xiàn)有技術(shù)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中的使用。這導(dǎo)致了 值得注意的熱力損失以及較大的費(fèi)用和降低的壽命。蓄熱器外殼毫無(wú)疑問(wèn)是由將容許高溫 的金屬制成。這導(dǎo)致了高的對(duì)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(yuǎn)離理想的方式運(yùn)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(jì)要么使用了基本的缸形本身作為散熱器、要么使用簡(jiǎn)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(jì)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(ΔΤ)運(yùn)行。換句話說(shuō)，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(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的ΔΤ，從而限制了發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)內(nèi)部。這導(dǎo) 致了幾個(gè)重要的設(shè)計(jì)問(wèn)題。首先，現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)不得不運(yùn)行在高的溫度和壓力下。這寄予了對(duì)密封的大 的需求。為了在高的溫度和壓力下正常運(yùn)行(survive)，唯一的實(shí)用方法便是像在常規(guī)的內(nèi) 燃發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)其更換以便避免輸出功率的損失及其對(duì)循環(huán)的干擾，使得來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的流體損 耗成為關(guān)鍵性問(wèn)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(wú)效功 問(wèn)題，如同活塞對(duì)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(dòng)機(jī)自身 中使用那樣必須充滿(mǎn)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(wèn)題。這些中最大的問(wèn)題在于產(chǎn)生的摩 擦。在常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，這可耗費(fèi)發(fā)動(dòng)機(jī)大約20%的輸出，這是非常嚴(yán)重的損耗。另外的問(wèn)題便是潤(rùn)滑。液體油不能簡(jiǎn)單地噴灑在氣缸壁上，因?yàn)檫@將漏入發(fā)動(dòng)機(jī) 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(wèn)題。但 沒(méi)有適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑，摩擦損耗甚至變得更大。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)的所有這些問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)要地說(shuō)，本發(fā)明包括具有至少兩個(gè)活塞的外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)。第一活塞在第一氣缸 內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該第一活塞具有第一側(cè)(工作側(cè))和相對(duì)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(duì)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(shí)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(guò)換熱器或注熱器而加熱。加熱流體被 傳送至注熱器并流過(guò)繞著導(dǎo)熱材料的凹槽，從而直接將熱量注入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。熱量通過(guò)隔熱 材料而截留在發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)。用于工作流體的縱向通道是狹窄的并延伸了(rim)注熱器全部可 用的長(zhǎng)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(zhǎng)度而形成螺旋或螺線圖案的平行凹槽。螺旋凹槽可2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)或更多個(gè)地組成一 套，從而彼此平行地延伸以及加熱流體同時(shí)地注入。通過(guò)將這些凹槽保持為非常地窄和深， 獲得了非常高的長(zhǎng)/深比值和低溫差，同時(shí)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(dòng)和提供熱量輸入。凹槽和通道通過(guò)堅(jiān)實(shí)的傳導(dǎo)材料層而被隔開(kāi)。本發(fā)明的注熱器在下文中更為完整 地進(jìn)行了描述。加熱工作流體的另一個(gè)方法是通過(guò)使用熱管。熱管為依賴(lài)于管內(nèi)流體的相變而傳輸熱的管子。通過(guò)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?可穿過(guò)第一氣缸的壁并且填充氣缸內(nèi)超過(guò)活塞上死點(diǎn)的空間。薄的銅翅片可裝接在氣缸外 的熱管上。熱空氣通過(guò)換熱器區(qū)域而渦動(dòng)，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(“ΔΤ”)，僅將存在 大約5度的ΔΤ。在熱管中，熱量沿著管子的長(zhǎng)度行進(jìn)，直接進(jìn)入氣缸的內(nèi)部體積。像通常在熱管設(shè) 計(jì)中那樣，沿著管子的長(zhǎng)度存在可忽略的ΔΤ。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(dòng)機(jī)可包括環(huán)繞熱管的加熱介質(zhì)，該熱管通過(guò)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?yàn)橛性S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(dòng) 機(jī)內(nèi)工作流體之間的△ T通過(guò)該設(shè)計(jì)而保持絕對(duì)極小值。第二活塞在第二氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且具有第一側(cè)(工作側(cè))和相對(duì)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(duì)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(dòng)機(jī)包括與活塞相關(guān)聯(lián)的膜以便隔開(kāi)工作室和相對(duì)室。該膜像下文中 將要詳細(xì)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(guò)膜的大壓差，若不受控制，該壓差會(huì)導(dǎo)致膜破裂。第二個(gè)理由是結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的扼 流控制作用而改變反向側(cè)上的壓力。也就是說(shuō)，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(duì)相對(duì)室中的氣體作不必要的功以及保護(hù)膜。工作流體壓力作為對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扼流的方式而受到控制。隨著推動(dòng)更多的工作流體進(jìn) 入發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過(guò)由控制系統(tǒng)提高其壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)提高其輸出功率，這是因?yàn)楦ぷ髁?體的體積將會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)輸出功率，從而匹配負(fù)荷狀態(tài)。當(dāng)降低載荷時(shí)具 有太大的扼流設(shè)定將由于發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)超速而效率低下，而余熱將被收回(drawn in)并轉(zhuǎn)儲(chǔ) (dumped)至冷凍器中。為了迫使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)最大可能百分比的工作流體有效地參與到熱力過(guò)程中，這些空 氣必須備選地自始至終地掃過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)，從熱側(cè)至冷側(cè)并再次返回。盡管始終采取了步驟 (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(dòng)機(jī)構(gòu)型中，發(fā)動(dòng)機(jī)沖程在長(zhǎng)度上必須較鉆孔的直徑更大。也 就是說(shuō)，沖程長(zhǎng)度/鉆孔直徑的比值必須大于1。該比值可以大很多、可高達(dá)2或3或更多， 直到實(shí)際限制阻止更進(jìn)一步地增加為止。由于固定的無(wú)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(zhǎng)會(huì)大大地降低作為總體容積百分比的該無(wú)用容積，并確?；?塞排量大于未波及容量若干倍。照這樣，大多數(shù)的工作流體粒子可全程地掃過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)并提 高效率。在下文中詳細(xì)描述的置換器類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過(guò)使沖程和因此的置換器的位移 如同實(shí)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(guò)程。
冷凍器系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)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(jì)成 用于通過(guò)在抽出器中直接蒸發(fā)(汽化)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的制冷劑而在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)、抽熱器中產(chǎn)生嚴(yán) 冷。由于抽熱器為類(lèi)似于注熱器的設(shè)計(jì)，對(duì)于冷卻流體和工作流體之間的低溫差，發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)于發(fā)動(dòng) 機(jī)設(shè)計(jì)而言在發(fā)動(dòng)機(jī)的熱側(cè)和冷側(cè)之間或許增加了 100度的溫差。優(yōu)選地，冷凍器采用三個(gè)壓縮機(jī)、三個(gè)冷凝器和三個(gè)雙速冷卻風(fēng)扇，這些都由冷凍 器控制器進(jìn)行控制。然而，也可能使用其它的若干壓縮機(jī)、冷凝器以及冷卻風(fēng)扇。僅像發(fā)動(dòng) 機(jī)事實(shí)上所需要的在任何給定時(shí)間內(nèi)接通那樣多的容量。這通過(guò)不使用不需要的動(dòng)力而大 大地改善了發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)可包括穿過(guò)第二氣缸的氣缸壁以便冷卻該氣缸 的熱管。該熱管可通過(guò)熱電冷卻器或任何其它適當(dāng)?shù)睦鋮s方法而冷卻。該熱管可由低于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(guò)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(guò)許多其它的方式而 實(shí)現(xiàn)。冷水夾套(jacket)可環(huán)繞氣缸。這樣，一定量的熱可經(jīng)過(guò)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(dòng)機(jī)中。在一個(gè)實(shí)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(shí)質(zhì)上可忽略冷凝的冷卻水和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部之間的Δ T，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)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。冷液體被泵送到夾套的低位拐角內(nèi)，并使其經(jīng)由該區(qū)域渦動(dòng)。這更顯著地進(jìn)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(jì)的約束，通過(guò)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(yùn)行溫度盡可能的低。通過(guò)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(méi)必要超過(guò)500 華氏度。熱電冷卻器以眾所周知的方式通過(guò)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(dòng)機(jī)產(chǎn)生的若干能量供以動(dòng)力。這部分地通過(guò)使用熱的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生電力中的一些而實(shí)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(qiáng)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Ontario (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(gè)Tec —小部分的熱泵送能力。Tec的熱側(cè)和冷側(cè)之間的ΔΤ會(huì)受到限制。若需要時(shí)，溫度可通過(guò)簡(jiǎn)單、便宜、被動(dòng) 的使用地?zé)崂鋮s而受到限制。管子適中的長(zhǎng)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(guò)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(yùn)動(dòng)。封閉流體路徑意思指在正常運(yùn) 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(jī)相比，流體在活 塞之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明中的封閉流體路徑必要時(shí)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4PSI至250PSI之間。通過(guò)保 持加壓的反向流體，在保持膜完整性的同時(shí)較高的工作流體壓力也是有可能的。此外，反向 流體通過(guò)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(méi)有 如此地高以致防礙動(dòng)力沖程。外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)可具有低于10個(gè)大氣壓力的工作流體。外加 熱發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)某些循環(huán)期間的臨時(shí)貯熱室。 由于溫度低于現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，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?，F(xiàn)有技術(shù)中蓄熱器以非常高的溫度運(yùn)行，因而僅 可使用全金屬的內(nèi)部構(gòu)件。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(yùn)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(gè)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(wú)須增加不必要 的、未波及容量而更進(jìn)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(lèi)型的層。 具體地，可使用具有較大孔口圖案的堅(jiān)實(shí)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(jìn)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(diǎn)隔熱聚合物。蓄熱器可包括根據(jù)金剛 石-銅復(fù)合材料(diamond copper composite)而構(gòu)建的穿孔盤(pán)。這些選擇允許通過(guò)利用 較少的網(wǎng)格而隨后具有減少的泵送損耗。發(fā)動(dòng)機(jī)以下列方式運(yùn)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(huì)向外推動(dòng)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(guò)蓄熱器。在該處理過(guò)程中，它留下了其大部分的熱量暫時(shí)存儲(chǔ) 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(dá)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(dá)熱氣缸。隨著經(jīng)由熱的注熱器或換熱器而 增加了更多的熱量，流體再次進(jìn)入膨脹過(guò)程，從而開(kāi)始了新的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)。第一活塞和第二 活塞設(shè)置成往復(fù)運(yùn)動(dòng)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。
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外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)可包括裝接在活塞上的柔性滾動(dòng)膜以便產(chǎn)生活塞和氣缸之間的密 封。該膜可以是由Dia Com公司制造的標(biāo)準(zhǔn)F類(lèi)型的硅樹(shù)脂膜。該膜事實(shí)上具有零摩擦力 和零開(kāi)裂力。膜未進(jìn)行金屬增強(qiáng)并且具有低的熔點(diǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)十億次循環(huán)之后才會(huì)失效。在外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)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(méi)有這種 低的溫度和壓力，高的溫度和壓力使用膜是不切實(shí)際的。在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)中，膜將必須部 分地由薄的、高溫金屬制成，同時(shí)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(shì)。然而，對(duì)于本發(fā)明，膜有可能消除發(fā)動(dòng)機(jī)中的摩擦主源。也就是說(shuō)，除去活塞環(huán)。現(xiàn) 有技術(shù)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)由于摩擦將至少耗損其輸出功率的20%。對(duì)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(wèn)題。因?yàn)闆](méi)有滲漏，所以 工作流體和反向流體不會(huì)混合，因此如果該兩種流體不一樣的話，該工作流體不會(huì)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(jī)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(shí)仍舊利用諸如空氣或氮?dú)獾闹貧怏w作為 反向流體，從而避免在相對(duì)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(bǔ) 滲漏。此外，對(duì)于膜而言，不需要在氣缸中潤(rùn)滑，這是因?yàn)槟け举|(zhì)上是無(wú)摩擦的。通過(guò)除 去潤(rùn)滑油，工作流體不會(huì)被潤(rùn)滑劑污染。


本發(fā)明現(xiàn)在將通過(guò)實(shí)例的方式并結(jié)合附圖進(jìn)行描述，圖中圖1為本發(fā)明簡(jiǎn)化原理的俯視圖；圖2為本發(fā)明簡(jiǎn)化原理的正視圖；圖3為本發(fā)明簡(jiǎn)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(heat injector)部分的截面圖；圖6C為圖4具有部分切掉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(jiǎn)化示意圖；圖8B為本發(fā)明活塞組件第二相的簡(jiǎn)化示意圖；圖8C為本發(fā)明活塞組件第三相的簡(jiǎn)化示意圖；圖8D為本發(fā)明活塞組件第四相的簡(jiǎn)化示意圖；圖9為本發(fā)明加熱、冷卻和加壓系統(tǒng)的示意圖；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8
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(gè)實(shí)施例的截面圖；圖14B為本發(fā)明注熱器的第二實(shí)施例的截面圖；圖14C為本發(fā)明注熱器的第三實(shí)施例的截面圖；圖14D為本發(fā)明注熱器的第四實(shí)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(gè)備選活塞構(gòu)型；圖17為本發(fā)明的另一個(gè)備選活塞構(gòu)型；圖18為本發(fā)明的另一個(gè)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(gè)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(xì)視圖；和圖28為蓄熱器銅盤(pán)部分的正視圖。優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明圖1至圖28示出了本發(fā)明。更具體地說(shuō)，參照?qǐng)D1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(dòng)力。桿12和14通過(guò)聯(lián)桿16和18以及通過(guò)曲柄 20和22傳送該動(dòng)力。通過(guò)鏈輪24、26和28以及鏈30和32，動(dòng)力被傳輸至軸34并隨后到 達(dá)飛輪40。軸34旋轉(zhuǎn)并通過(guò)傳動(dòng)裝置35將動(dòng)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(gè)組件安裝在機(jī)架80上。本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)理解具有許多同樣可行的動(dòng)力傳輸方法以及所述各種元件的物 理布置。上述說(shuō)明意欲提供原理性的概述而不應(yīng)視作對(duì)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(xì)節(jié)?；钊M件10容納在具有外表 面102的機(jī)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?qǐng)D5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(yùn)動(dòng)的活塞 112。環(huán)繞活塞112的是滾動(dòng)膜116。滾動(dòng)膜116保持在凸緣118和120的適當(dāng)位置。滾動(dòng) 膜116限定了工作室122和相對(duì)室124?；钊麠U14促使活塞112往復(fù)運(yùn)動(dòng)并通過(guò)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(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)膜116的換向點(diǎn)(turnaround point) 132在氣缸114內(nèi)移動(dòng)。滾動(dòng)膜116通過(guò)任何合適的方法裝接在活塞112的前表面 136上。因而，滾動(dòng)膜116在工作室122和相對(duì)室124之間形成無(wú)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(dòng)器組件150相對(duì)的端部142上?；瑒?dòng)器組件150含有 適于在導(dǎo)軌154和156上作線性運(yùn)動(dòng)的塊體(block) 152。輪158允許相對(duì)于導(dǎo)軌154和 156的滑動(dòng)?；瑒?dòng)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲柄162的轉(zhuǎn)動(dòng)。圓柱殼體100的各端由含有反向流體(opposing fluid)的機(jī)罩550和560蓋住。 機(jī)罩550含有和支撐控制推桿16運(yùn)動(dòng)的軸承530。機(jī)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(jī)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(jī)罩550曝露于相對(duì)低的溫度和壓力。機(jī)罩550可 由諸如鋁的輕金屬制成，并且既不必具有厚壁也無(wú)須具有加強(qiáng)筋。密封件552可以是適于 低的溫度和壓力應(yīng)用的類(lèi)型。密封件552僅支持無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)的平移運(yùn)動(dòng)，其消除了與傳統(tǒng)的發(fā) 動(dòng)機(jī)相關(guān)聯(lián)的曲軸箱問(wèn)題。第二機(jī)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(shí))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?chē)陌?槽205、從而直接將熱量注入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，并經(jīng)由導(dǎo)管209排出。熱量通過(guò)隔熱材料213而截 留(trapped)在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。注熱器具有隔熱芯部215。工作流體(未標(biāo)識(shí))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(zhǎng)度。因此，通道210具有長(zhǎng)的長(zhǎng)度和窄的深度，從而產(chǎn)生了高的 長(zhǎng)-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(guò)減 小這些通道210的寬度，避免了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)未波及(imsw印t)容量進(jìn)行不必要的、過(guò)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(zhǎng)度形成螺旋圖樣的 許多平行凹槽。通過(guò)保持這些凹槽205非常地窄和深，獲得了非常高的長(zhǎng)/深比值和低溫 差，同時(shí)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(dòng)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(jiān)實(shí)部分隔開(kāi)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)在高的壓 力和溫度下運(yùn)行，于是在該層中將需要大的強(qiáng)度，這是因?yàn)槠浔仨毱鸬綁毫Π踩珰と萜鞯?作用。這將要求導(dǎo)熱材料212由諸如不銹鋼的相對(duì)厚的材料層制成。由于熱量經(jīng)由該層傳 導(dǎo)進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，這將導(dǎo)致越過(guò)該層的非常高的溫差。然而，由于發(fā)動(dòng)機(jī)在低的溫度和壓力下運(yùn)行，這對(duì)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(guò)該層的溫差可以忽略，同時(shí)仍能足夠地抵 抗壓力。如圖14A至圖14D所示，經(jīng)過(guò)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艿耐?22。圖14C示出了作為備用優(yōu)選構(gòu)型的縱向?qū)Ч艿耐?路224。圖14D示出了作為縱向盤(pán)狀通路226的導(dǎo)管。各個(gè)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(lèi)型的設(shè) 計(jì)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(duì)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100被用于提供壓力安全殼、機(jī)械強(qiáng) 度和固定裝置(mounting)。聚四氟乙烯350將該外部氣缸100從網(wǎng)格302中隔離。蓄熱器包括中心隔熱芯部360。這由堅(jiān)實(shí)的、相對(duì)大直徑的聚四氟乙烯或類(lèi)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(huì)造成熱損耗。蓄熱器300還包括具有孔363 (圖28)的銅盤(pán)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(dòng)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(pán)364以便防止沿流體流動(dòng)方向經(jīng)由網(wǎng)格層302的熱傳遞。通過(guò)使得蓄熱器300的芯部360堅(jiān)實(shí)，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(dòng)機(jī)中不必要的未波及容量，同時(shí)網(wǎng)格的外徑保持為大的(與 發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(lèi)似于注熱器200的方式運(yùn)行。抽熱器400具有可類(lèi)似于圖14A至圖14D的方式構(gòu)造成 的縱向通路。來(lái)自冷凍器50中的冷流體(未標(biāo)識(shí))以類(lèi)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(lèi)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(lái)，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(yùn)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(jiǎn)化的滑動(dòng)器組件151，其以類(lèi)似于滑動(dòng)器組件150(也在圖4中簡(jiǎn) 化)的方式運(yùn)行?；瑒?dòng)器150更詳細(xì)的說(shuō)明結(jié)合圖7進(jìn)行了描述。圖8A至圖8D表示發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)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(méi)有必要示出其正確的相位關(guān)系?；钊?12和活塞502通 過(guò)適當(dāng)?shù)臋C(jī)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(dòng)力沖程的開(kāi)始處。圖8B中，冷活塞502向左移動(dòng)并牽引工作流體進(jìn)入氣缸。熱活塞112已完成其動(dòng) 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(guò)了傳輸沖程。圖8D示出了部分地通過(guò)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(yùn)送至發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)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(yùn)送至發(fā)動(dòng)機(jī)的熱側(cè)。該熱流體通過(guò) 燃燒器系統(tǒng)806加熱并傳送至另一個(gè)換熱器808。換熱器808將熱流體運(yùn)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(jī)820和壓力儲(chǔ)備物(pressure reserve) 824將加壓的反向流體運(yùn)送至氣缸 114和504。壓力儲(chǔ)備物822向發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)送高壓的工作流體。這在正常壓力下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)行。圖10為壓力控制系統(tǒng)900的示意圖。來(lái)自壓縮機(jī)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(yùn)行。反向流體和工作流體的壓力通過(guò)控制系統(tǒng)920和 轉(zhuǎn)換器(transducer) 922和924而調(diào)節(jié)以便提高輸出功率。圖11示出了注熱系統(tǒng)的示意圖。例如拋物面槽形集熱器1000和燃燒器1002的 太陽(yáng)能熱陣列(solar thermal array)向系統(tǒng)提供加熱流體。泵1010通過(guò)系統(tǒng)流通傳熱 流體。提供了溫差電池1004以便儲(chǔ)存日間收集的過(guò)剩太陽(yáng)熱，從而稍后在夜間用于發(fā)動(dòng)機(jī) 中。余熱通過(guò)經(jīng)由相變材料層(bed)而儲(chǔ)存。當(dāng)曝露于熱時(shí)，這種材料改變相位并在該過(guò) 程中能夠以恒溫儲(chǔ)存大量的熱。當(dāng)以所儲(chǔ)存的熱量運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，相變材料再次地逐漸改 變相位并在該過(guò)程中再次地以恒溫返還其儲(chǔ)存的熱。系統(tǒng)控制器1006控制注熱系統(tǒng)的運(yùn)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(gè)實(shí)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(guò)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(jìn)。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(jìn)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(shí)施例中，活塞、注熱器、抽熱器以 及蓄熱器的運(yùn)行已完全在上文中進(jìn)行了描述而無(wú)須在此重復(fù)。圖15示出了兩對(duì)氣缸1010、 1012、1014和1016。這些布置包括以與圖4中組件的類(lèi)似方式運(yùn)行的簡(jiǎn)化的滑動(dòng)器組件 1020、1022、1024和1026。聯(lián)桿1023驅(qū)動(dòng)曲柄1025。鏈1027以類(lèi)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(huì)理解該設(shè)計(jì)中可添加另外的氣缸。圖16示出了另一個(gè)氣缸布置。在該構(gòu)型中，四個(gè)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(gè)另外的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型。在圖17中，發(fā)動(dòng)機(jī)包括備選地在其 氣缸1062內(nèi)往復(fù)移動(dòng)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(dòng)機(jī)的抽熱器1067中，其最后穿過(guò)熱的注熱器1068，由此達(dá) 到高的溫度和壓力。所提供的蓄熱器1071與結(jié)合圖6進(jìn)行描述的蓄熱器相同。通過(guò)聯(lián)桿 1070、1072和1074以及鏈1076而連接的適當(dāng)定時(shí)的(properly timed)單一活塞1080隨 后定位在其氣缸1078中，以便輸送動(dòng)力沖程。聯(lián)桿1074驅(qū)動(dòng)曲柄1075。曲柄1075經(jīng)由鏈1076驅(qū)動(dòng)曲柄1077。接著，置換器向發(fā)動(dòng)機(jī)的冷側(cè)1066推動(dòng)工作流體。由此大大地降低了溫度和壓 力?；钊?080為定時(shí)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(wú)須做很多功。循環(huán)隨后重復(fù)進(jìn)行。在圖18中，發(fā)動(dòng)機(jī)以類(lèi)似于圖17中發(fā)動(dòng)機(jī)的方式運(yùn)行。置換器1084備選地在熱 側(cè)1086和冷側(cè)1088之間推動(dòng)工作流體。單一活塞1090為定時(shí)的以便當(dāng)工作流體為熱的 且處于高壓時(shí)輸送動(dòng)力沖程，以及當(dāng)工作流體為冷的且處于低壓時(shí)輸送壓縮沖程。圖18的發(fā)動(dòng)機(jī)僅使用單一曲柄1092。為實(shí)現(xiàn)該目的，必須使得連接桿1094中的 一個(gè)為空的。第二桿1096在空的第一桿內(nèi)運(yùn)行，并能夠獨(dú)立于第一桿而移動(dòng)。單曲柄1092在其上具有兩個(gè)分別處于適當(dāng)度數(shù)的銷(xiāo)1104和1106。這正確地定時(shí) 了置換器1084和活塞1090的運(yùn)動(dòng)?；钊?090驅(qū)動(dòng)經(jīng)由聯(lián)桿1100和1102驅(qū)動(dòng)曲柄1092 的桿1094。聯(lián)桿1100和1102分別經(jīng)由銷(xiāo)1104和1106連接曲柄1092。聯(lián)桿1100通過(guò)銷(xiāo) 1110可樞轉(zhuǎn)地安裝在類(lèi)似于圖7塊體152的方式構(gòu)建的滑塊1108上。聯(lián)桿1102通過(guò)銷(xiāo) 1114可樞轉(zhuǎn)地安裝在塊體1112上。僅具有單一曲柄1092而沒(méi)有鏈，圖18的發(fā)動(dòng)機(jī)可較圖17的發(fā)動(dòng)機(jī)更緊湊。在圖19和圖20中，提供了備選活塞1150。該活塞設(shè)計(jì)有兩個(gè)隔開(kāi)部分，一個(gè)具有 較另一個(gè)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(dòng)膜1154 —起工作。較大直徑部分1156具有機(jī)加工進(jìn)其內(nèi)的兩個(gè)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(jìn)行緊配合(未 示出)。這兩個(gè)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(duì)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(dòng)而變化，在該可變?nèi)?積中將會(huì)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(guò)剩壓力無(wú)害地泄放到活塞1150的空心1168中。由于活塞通過(guò)該兩個(gè)環(huán)而保持為直的并對(duì)準(zhǔn)，常規(guī)的肘節(jié)銷(xiāo)1170和連桿1172如 圖20所示都可使用。由于這會(huì)允許上下往復(fù)地運(yùn)動(dòng)，因而無(wú)需圖7的滑動(dòng)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(jìn)行了描述。在圖21和圖22中，示出了經(jīng)過(guò)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。該熱被傳輸至導(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(lèi)似于圖6A所示出的那樣經(jīng)過(guò)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(saw cuts) 1340 所替代。盡管本發(fā)明已參照各種具體實(shí)施例進(jìn)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(shí)施例，而是應(yīng)將 具有所附權(quán)利要求的術(shù)語(yǔ)所限定的全部范圍。
權(quán)利要求
一種外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，包括a)適于在第一氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)的活塞，所述活塞具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對(duì)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反向流體的相對(duì)室；b)適于在第二氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(duì)的第二側(cè)，所述置換器的第一側(cè)和所述第二氣缸限定了冷室，而所述置換器的第二側(cè)和所述第二氣缸限定了熱室；c)位于所述第一氣缸和所述第二氣缸之間的封閉流體路徑，所述封閉流體路徑包括工作流體，所述工作流體能在所述工作室、所述冷室和所述熱室之間運(yùn)動(dòng)；d)位于所述封閉流體路徑內(nèi)的蓄熱器；以及e)用于將所述第一氣缸中的所述工作流體加熱到小于500°華氏度溫度的熱源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述熱源包括注熱器，所述注熱 器包括加熱流體用于加熱所述熱室中的工作流體，其中，所述加熱流體與所述工作流體并 不形成直接接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，在處于所述注熱器中的加熱流 體和處于所述熱室中的工作流體之間的溫差小于5華氏度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)還包括抽熱 器，所述抽熱器包括冷流體用于冷卻所述冷室中的工作流體，其中，所述冷流體并不與所述 工作流體形成直接接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，在處于所述抽熱器中的冷流體 和處于所述冷室中的工作流體之間的溫差小于5華氏度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述工作流體的壓力受到控制 用以對(duì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)扼流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述反向流體的壓力保持高于 大氣壓力。
8 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)還包括產(chǎn)生 密封用以容納所述反向流體的機(jī)罩。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)還包括裝接 在所述活塞上以便在所述活塞和所述第一氣缸之間產(chǎn)生密封的膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，在所述冷室中的所述工作流體 高于大氣壓力。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有至少兩個(gè)活塞的外加熱發(fā)動(dòng)機(jī)。第一活塞具有第一側(cè)(工作側(cè))和與第一側(cè)相對(duì)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(duì)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(shí)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(yùn)動(dòng)，且具有第一側(cè)(工作側(cè))和與第一側(cè)相對(duì)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(duì)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(hào)F02G1/055GK101915179SQ201010257298
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)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(qǐng)人:更新熱力學(xué)有限責(zé)任公司