斯特林循環(huán)換能裝置制造方法
【專利摘要】公開了一種用于在熱能和機械能之間進行轉換的斯特林循環(huán)換能裝置。所述裝置包括膨脹室和壓縮室，二者沿縱向軸線間隔設置。所述裝置還包括至少一個在所述膨脹室和所述壓縮室之間延伸的連通通路，使工作氣體得以在所述膨脹室和所述壓縮室之間周期性交換。所述至少一個連通通路包括：與所述膨脹室和所述壓縮室中至少一個相連通的接入導管，以及與所述接入導管相連通的回熱器。所述回熱器用于交替地接收從第一方向通過所述連通通路的氣流的熱能，或將熱能傳遞給從與所述第一方向相反的方向通過所述連通通路的氣流。一方面，所述接入導管包括柔性部分，用于在熱誘導應變下發(fā)生偏轉，所述熱誘導應變由工作過程中所述膨脹室和所述壓縮室之間建立的溫度梯度引起。另一方面，所述膨脹室和所述壓縮室中至少一個可包括表面，在工作氣體周期性交換的過程中，氣體沿著所述表面流動，所述表面包括形成在其中的多個通道，用于將所述壓縮室中的氣流送入所述連通通路，以及將氣流從所述連通通路送回所述壓縮室。
【專利說明】斯特林循環(huán)換能裝置
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2010年11月18日提交、申請?zhí)枮?1/415，196、發(fā)明名稱為“斯特林循環(huán)換能裝置”、 申請人:為 Thomas Walter Steiner、Briac Medard de Chardon 和 TakaoKanemaru的美國臨時專利申請的權益,其全部內容通過弓I用結合在本申請中。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明一般涉及換能器，尤其涉及一種用于將熱能轉化為機械能或將機械能轉化為熱能的斯特林(Stirling)循環(huán)換能器。
【背景技術】
[0004]斯特林循環(huán)熱機和熱泵可以追溯到1816年，并已生產(chǎn)有許多不同配置的產(chǎn)品。這種斯特林循環(huán)裝置的潛在優(yōu)點包括高效率和高可靠性。由于高溫材料的成本以及制造高壓和高溫的往復或旋轉氣封的難度問題，斯特林發(fā)動機的采用在某種程度上受到了阻礙。此夕卜，對比較大的熱交換器的需求以及與內燃機相比較低的功率系數(shù)，也阻礙了斯特林發(fā)動機的廣泛采用。功率系數(shù)是指每單位質量、體積或面積的輸出功率，對于給定輸出功率的發(fā)動機，低功率系數(shù)會導致材料成本較高。
[0005]熱聲熱機是一個較新的發(fā)展，正如在斯特林發(fā)動機分析中經(jīng)常做的，熱聲熱機中工作氣體的慣性不能被忽略。在熱聲發(fā)動機的設計中，應考慮氣體的慣性，并可能會要求在發(fā)動機中使用調諧的諧振管。然而不幸的是，在合理的工作頻率下，聲波的波長太長以致無法用于緊湊型發(fā)動機，從而導致相對低的功率系數(shù)。然而熱聲發(fā)動機比傳統(tǒng)的斯特林發(fā)動機在機械結構上簡單，而且不需要滑動或旋轉的高壓密封件。
[0006]斯特林發(fā)動機的一種變形是隔膜式發(fā)動機，其中隔膜的彎曲取代了傳統(tǒng)斯特林發(fā)動機中的滑動活塞，從而消除了機械摩擦磨損。于2010年7月12日提交、申請?zhí)枮镃A2010/001092的PCT專利申請和于2009年7月10日提交、申請?zhí)枮?1/213，760的美國臨時專利申請共同擁有并公開了這樣的裝置，其全部內容通過引用結合在本申請中。隔膜式發(fā)動機的半徑與其高度相比較大，從而給承受相對于冷側的熱側徑向熱膨脹帶來挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于在熱能和機械能之間進行轉換的斯特林循環(huán)換能裝置。所述裝置包括膨脹室和壓縮室，二者沿縱向軸線間隔設置。所述裝置還包括至少一個在膨脹室和壓縮室之間延伸的連通通路，使工作氣體得以在膨脹室和壓縮室之間周期性交換。所述至少一個連通通路包括接入導管和回熱器，所述接入導管與膨脹室和壓縮室中至少一個相連通，所述回熱器與接入導管相連通。所述回熱器用于交替地接收從第一方向通過連通通路的氣流的熱能，或將熱能傳遞給從與所述第一方向相反的方向通過連通通路的氣流。所述接入導管包括柔性部分，用于在熱誘導應變下發(fā)生偏轉，所述熱誘導應變由工作過程中膨脹室和壓縮室之間建立的工作溫度梯度引起。[0008]所述膨脹室和壓縮室中至少一個可以包括彈性隔膜，所述彈性隔膜在工作氣體于膨脹室和壓縮室之間周期性交換的過程中發(fā)生偏轉。
[0009]所述裝置可以包括置換器，所述置換器設置在壓縮室和膨脹室之間并與二者均連通，用于進行往復運動，以便在工作氣體周期性交換的過程中改變膨脹室和壓縮室的容積。
[0010]所述置換器可以包括與壓縮室連通的第一彈性置換器壁，與膨脹室連通的第二彈性置換器壁，和至少一個在第一和第二置換器壁之間延伸的支撐件，所述支撐件用于連接第一和第二置換器壁進行往復運動。
[0011]所述至少一個連通通路可以包括多個連通通路，其中每個都有各自的接入導管和回熱器。
[0012]所述多個連通通路可以繞縱向軸線以徑向陣列形式排列。
[0013]所述回熱器的長度可以小于膨脹室和壓縮室沿縱向軸線的間距，并且可以通過選擇回熱器的長度來增加與通過回熱器的氣流的熱能交換，同時將通過回熱器的流體的摩擦造成的損失降至最低，而所述接入導管可以配置成跨越膨脹室和壓縮室之間間距的剩余空間。
[0014]可以通過選擇膨脹室和壓縮室之間的間距以使得膨脹室和壓縮室之間熱傳導造成的損失以及連通通路中的損失二者總和最小化。
[0015]所述接入導管可以由具有彈性極限的材料制成，可以通過選擇膨脹室和壓縮室的間距，使接入導管中的應力減少到材料的彈性極限內。
[0016]所述接入導管可以由具有彈性極限的材料制成，并且可以包括至少一個沿縱向取向的部分，可以通過選擇所述沿縱向取向的部分的長度尺寸，使接入導管中的應力減少到材料的彈性極限內。
[0017]所述接入導管可以由具有彈性極限的材料制成，并且可以包括至少一個大致沿徑向取向的部分，可以通過選擇所述沿徑向取向的部分的長度尺寸，使接入導管中的應力減少到材料的彈性極限內。
[0018]所述接入導管的柔性部分可以包括壁，所述壁限定了貫穿所述柔性部分的孔，所述壁在熱誘導應變下發(fā)生偏轉。
[0019]所述柔性部分可以具有大致為管狀的截面。
[0020]所述柔性部分可以包括扁平的管狀截面，所述扁平的管狀截面具有內部高度尺寸和寬度尺寸，并且高度尺寸基本上小于寬度尺寸。
[0021]所述接入導管的柔性部分可以包括大致沿縱向取向的部分，用于承受徑向取向的應變，以及大致沿徑向取向的部分，用于承受縱向取向的應變。
[0022]所述柔性部分可以包括至少一個彎曲部分。
[0023]所述至少一個連通通路可以沿縱向軸線的周邊設置，所述柔性部分可以用于承受連通通路的第一部分和第二部分之間的徑向偏移，所述第一部分與膨脹室相連通，所述第二部分與壓縮室相連通。
[0024]所述回熱器可以與膨脹室相連通，所述接入導管可以在回熱器和壓縮室之間延伸。
[0025]膨脹室和壓縮室限定了二者之間的絕熱空間，所述絕熱空間熱導率較低。
[0026]所述裝置可以在絕熱空間內設置具有低熱導率的絕熱材料。[0027]所述絕熱材料可以包括多孔絕熱材料。
[0028]所述絕熱空間可以包含比工作氣體的熱導率低的氣體。
[0029]所述絕熱材料的孔徑可以小于絕熱氣體的平均自由程。
[0030]所述絕熱材料可以包括閉孔多孔材料。
[0031]所述連通通路可以進一步包括在壓縮室和回熱器之間傳輸氣體的第一熱交換器，所述第一熱交換器用于在所述氣體和外部環(huán)境之間進行熱傳遞。
[0032]所述第一熱交換器可以包括多個具有高熱導率的碳纖維，所述多個碳纖維是充分隔開的，以便氣體從中流過。
[0033]所述第一熱交換器可以包括與回熱器物理接觸的壓縮性材料，所述連通通路可以給第一熱交換器和回熱器預先施加足夠的壓縮力，以使第一熱交換器和回熱器在由工作溫度梯度引起的熱誘導應變下保持物理接觸。
[0034]所述碳纖維通?？梢允茄乜v向取向的，用于在縱向方向上輸送熱量。
[0035]所述碳纖維通常設置如下:至少一些纖維的尖端與回熱器接觸。
[0036]所述纖維通?？梢栽O置為與縱向軸線成銳角，便于與回熱器接觸的纖維尖端發(fā)生彎曲。
[0037]所述裝置可以包括與所述第一熱交換器熱連通的第一熱導體，所述第一熱導體用于在第一熱交換器和外部環(huán)境之間輸送熱量。
[0038]所述第一熱導體可以包括用于輸送熱交換流體的導管。
[0039]所述第一熱導體可以包括熱管。
[0040]所述第一熱交換器可以包括與壓縮室相連通的周邊部分，所述回熱器可用于提供多個大致縱向的流動路徑以使氣體流過回熱器，多個流動路徑中周邊設置的流動路徑與內部設置的流動路徑相比流動阻力較大，以促進氣流大致均勻地通過回熱器。
[0041]所述回熱器可以包括用于提供多個流動路徑的基體材料，通過對第一熱交換器和回熱器之間的界面壓型可使周邊設置的流動路徑長度大于內部設置的流動路徑。
[0042]所述回熱器可以包括用于提供多個流動路徑的多個離散通道，并且周邊設置的離散通道比內部設置的離散通道直徑小。
[0043]所述第一熱交換器可以包括與壓縮室相連通的周邊部分，通過確定所述第一熱交換器的尺寸可使所述周邊部分超出回熱器的周邊范圍，以使在壓縮室和回熱器之間傳輸?shù)臍怏w至少流過第一熱交換器的周邊部分。
[0044]所述第一熱交換器可以包括與壓縮室相連通的周邊部分，并且所述回熱器可以包括靠近所述第一熱交換器周邊部分的阻擋部分，所述阻擋部分使得從第一熱交換器接收或排出的氣體至少流過第一熱交換器的周邊部分。
[0045]所述連通通路可以進一步包括在膨脹室和回熱器之間傳輸氣體的第二熱交換器，所述第二熱交換器用于在所述氣體和外部環(huán)境之間進行熱傳遞。
[0046]所述第二熱交換器可以包括與回熱器物理接觸的壓縮性材料，所述連通通路可以給第二熱交換器和回熱器預先施加足夠的壓縮力，以使得第二熱交換器和回熱器在由工作溫度梯度引起的熱誘導應變下保持物理接觸。
[0047]所述第二熱交換器可以包括多個具有高熱導率的碳纖維。
[0048]所述碳纖維通?？梢允茄乜v向取向的，用于在縱向方向上輸送熱量。[0049]所述碳纖維通常設置如下:至少一些纖維的尖端與回熱器接觸。
[0050]所述纖維通?？梢栽O置為與縱向軸線成銳角，便于與回熱器接觸的纖維尖端發(fā)生彎曲。
[0051]所述裝置可以包括與所述第二熱交換器熱連通的第二熱導體，所述第二熱導體用于在外部環(huán)境和第二熱交換器之間輸送熱量。
[0052]所述第二熱導體可以包括導熱壁。
[0053]所述第二熱導體可以包括熱管。
[0054]所述第二熱導體可以包括用于輸送熱交換流體的導管。
[0055]所述第二熱交換器可以包括與壓縮室相連通的周邊的部分，所述回熱器可用于提供多個大致縱向一致的流動路徑以使氣體流過回熱器，多個流動路徑中周邊設置的流動路徑與內部設置的流動路徑相比具有較大的流動阻力，以促進氣流大致均勻地通過回熱器。
[0056]所述回熱器可以包括用于提供多個流動路徑的基體材料，通過對第一熱交換器和回熱器之間的界面壓型可使周邊設置的流動路徑長度大于內部設置的流動路徑。
[0057]所述回熱器可以包括用于提供多個流動路徑的多個離散通道，并且周邊設置的離散通道比內部設置的離散通道直徑小。
[0058]所述第二熱交換器可以包括與膨脹室相連通的周邊部分，通過確定所述第二熱交換器的尺寸可使所述周邊部分超出回熱器的周邊范圍，以使在膨脹室和回熱器之間傳輸?shù)臍怏w至少流過第二熱交換器的周邊部分。
[0059]所述第二熱交換器可以包括與膨脹室相連通的周邊部分，并且所述回熱器可以包括靠近所述第二熱交換器周邊部分的阻擋部分，所述阻擋部分使得從第二熱交換器接收或排出的氣體至少流過第二熱交換器的周邊部分。
[0060]所述連通通路可以包括至少一個密封件，由于工作氣體的周期性交換，所述密封件在所述裝置的工作過程中可能會經(jīng)受工作壓力波動，所述連通通路可以進一步包括用于把壓縮力加到連通通路的裝置，使得由于工作壓力波動而加在至少一個密封件上的力可以至少部分被所述壓縮力抵消。
[0061 ] 所述用于提供壓縮力的裝置，可以包括用于給連通通路軸向預先加壓的彈簧。
[0062]所述回熱器可以是大致圓柱的形狀。
[0063]所述膨脹室和壓縮室中至少一個可以包括表面，在工作氣體周期性交換的過程中，氣體沿著所述表面流動，所述表面可以包括其中成形的多個通道，用于將壓縮室中的氣流送入連通通路，以及將氣流從連通通路送回壓縮室。
[0064]所述表面可以包括彈性隔膜的表面，置換器的表面，以及膨脹室的壁部的表面中的至少一個，所述彈性隔膜的表面用于發(fā)生偏轉以改變壓縮室的容積，所述置換器的表面位于壓縮室和膨脹室之間并與二者均連通，通過移動置換器來改變膨脹室和壓縮室的容積，以使工作氣體進行周期性交換，所述膨脹室的壁部的表面與置換器上與膨脹室相連通的表面相對。
[0065]所述連通通路可以沿縱向軸線的周邊設置，并且所述多個通道繞縱向軸線的大致徑向方向上取向。
[0066]所述多個通道中的每一個都可以包括沿徑向取向的分支，所述分支向連通通路延伸，并且與多個成角度的分支相連通，所述多個成角度的分支注入所述徑向設置的分支。[0067]所述連通通路可以包括繞縱向軸線以徑向陣列形式排列的多個連通通路，每個連通通路包括各自的進氣口，所述進氣口與壓縮室相連通，并且所述多個通道可以包括至少一個與每個進氣口相關的通道，用于將氣體送往各進氣口。
[0068]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于在熱能和機械能之間進行轉換的斯特林循環(huán)換能裝置。所述裝置包括膨脹室和壓縮室，二者沿縱向軸線間隔設置。所述裝置還包括至少一個在膨脹室和壓縮室之間延伸的連通通路，使工作氣體得以在膨脹室和壓縮室之間周期性交換。所述膨脹室和壓縮室中至少一個包括彈性隔膜，所述彈性隔膜在工作氣體于膨脹室和壓縮室之間周期性交換的過程中發(fā)生偏轉，并且所述膨脹室和壓縮室中至少一個包括表面，在工作氣體周期性交換的過程中，氣體沿著所述表面流動，所述表面包括形成在其中的多個通道，用于將壓縮室中的氣流送入連通通路，以及將氣流從連通通路送回壓縮室。
[0069]在工作氣體周期性交換的過程中，氣體沿著所述表面流動，所述表面可以包括隔膜的表面。
[0070]所述裝置可以包括置換器，所述置換器設置在壓縮室和膨脹室之間并與二者均連通，用于進行往復運動以便在工作氣體周期性交換的過程中改變膨脹室和壓縮室的容積，在工作氣體周期性交換的過程中，氣體沿著所述表面流動，所述表面可以包括置換器的表面。
[0071]所述置換器可以包括與壓縮室連通的第一彈性置換器壁，與膨脹室連通的第二彈性置換器壁，和至少一個在第一和第二置換器壁之間延伸的支撐件，所述支撐件用于連接第一和第二置換器壁進行往復運動，在工作氣體周期性交換的過程中，氣體沿著所述表面流動，所述表面可以包括第一置換器壁和第二置換器壁中至少一個的表面。
[0072]在工作氣體周期性交換的過程中，氣體沿著所述表面流動，所述表面可以包括膨脹室的壁部的表面，所述膨脹室的壁部的表面與置換器上與膨脹室相連通的表面相對。
[0073]通過下面對本發(fā)明具體實施例的描述并參考附圖，本發(fā)明的其它方面和特征對于本領域普通技術人員而言將變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0074]附圖示出了本發(fā)明的實施例，其中，
[0075]圖1為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的斯特林循環(huán)換能裝置的立體圖；
[0076]圖2為圖1所示的斯特林循環(huán)換能裝置的截面視圖；
[0077]圖3為圖2所示的斯特林循環(huán)換能裝置沿線3-3的截面視圖；
[0078]圖4為圖2所示的斯特林循環(huán)換能裝置中包括的連通通路的立體圖；
[0079]圖5為圖4所示的連通通路的局部切除立體圖；
[0080]圖6為圖4和圖5所示的連通通路的截面示意圖。
[0081]圖7為圖4和圖5所示的連通通路的另一個實施例的截面示意圖。
[0082]圖8為圖2所示的斯特林循環(huán)換能裝置沿線8-8的截面視圖；以及
[0083]圖9為圖2所示的斯特林循環(huán)換能裝置沿線9-9的截面視圖。
【具體實施方式】[0084]參考圖1，一種用于在熱能和機械能之間進行轉換的斯特林循環(huán)換能裝置用100表示。所述裝置100包括殼體102，所述殼體將所述裝置的部件封裝，并限定了所述斯特林循環(huán)換能器的熱側104和冷側106。所述裝置100進一步包括一對電氣端子108，用于提供所述裝置100的電氣連接。
[0085]所述裝置100的截面詳圖如圖2所示。在所示實施例中，裝置100用作發(fā)動機，包括斯特林循環(huán)換能器部分110和發(fā)電機部分112。換能器部分110通過傳動桿114機械地耦合到發(fā)電機部分112上，所述發(fā)電機電氣地連接到電氣端子108。在所述裝置100作為發(fā)動機運轉時，在熱側104接收熱能，并通過換能器部分110將熱能轉換成機械能。所述機械能通過傳動桿114耦合到發(fā)電機部分112，發(fā)電機在端子108處將機械能轉換成電能，端子108作為發(fā)動機的電功率輸出端。
[0086] 在其它實施例中，所述斯特林循環(huán)換能裝置100可用作熱泵，其中電氣端子108處接收的電能通過發(fā)電機部分112轉換成機械能，作為電動機。所述機械能進而通過傳動桿114耦合到換能器部分110，轉換器部分110在兩個側面106和104之間產(chǎn)生溫度梯度。在這樣的實施例中，如果側面106保持在或接近于環(huán)境溫度，側面104將被冷卻到環(huán)境溫度以下。
[0087]仍參考圖2，所述裝置100包括膨脹室120和壓縮室122，二者沿縱向軸線124間隔設置。膨脹室120和壓縮室122沿軸線124方向的縱向范圍僅可在例如約200 μ m的區(qū)域內，因此在圖2中大體按比例顯示時，不能清楚地看見所述各腔室。所述裝置100還包括在膨脹室120和壓縮室122之間延伸的連通通路126。連通通路126使工作氣體得以在膨脹室120和壓縮室122之間周期性交換。
[0088]連通通路126包括與膨脹室120和壓縮室122中至少一個相連通的接入導管180(一對接入導管180如圖2中虛線所示，后面將對其進行更詳細描述)。連通通路126還包括與接入導管相連通的回熱器182。回熱器182可用于交替地接收從第一方向通過連通通路126的氣流的熱能，或將熱能傳遞給從與所述第一方向相反的方向通過該連通通路的氣流。
[0089]換能器部分110進一步包括彈性隔膜128，用于發(fā)生偏轉以改變壓縮室122的容積。所述隔膜包括朝向壓縮室122的表面152和遠離壓縮室的第二表面156。
[0090]所述工作氣體例如可以是氦氣或氫氣，占據(jù)了由膨脹室120，壓縮室122和連通通路126所組成的工作容積。工作氣體的靜態(tài)壓力Pn^以是約3MPa或更大。在所述裝置100的工作過程中，工作容積中的壓力在Pm± Λ P之間波動，其中Λ P為壓力波動偏差。
[0091]所述裝置100還包括接合到彈性隔膜128的管狀彈簧154。管狀彈簧154提供了大致與縱向軸線124方向一致的附加彈簧力，所述附加彈簧力連同彈性隔膜128所提供的彈簧力一起，增大了隔膜和發(fā)電機部分112所連接的部件的機械共振頻率。
[0092]所述工作氣體的靜態(tài)壓力Pm，往往會使隔膜128受到相對于壓縮室122向外的力。所述裝置100還包括殼體102內的壁159，壁159與管狀彈簧154和隔膜128的表面156 —起形成緩沖室157。緩沖室157包含壓縮氣體容積，所述壓縮氣體對隔膜128的表面156施加壓力。給緩沖室中的氣體加壓到壓力Pb ^ Pm，用于至少部分均衡隔膜128的表面152和156受到的力，這樣隔膜就不會由于工作氣體的靜態(tài)壓力Pm而過分向外偏轉。在一個實施例中，可在緩沖室157和壓縮室122之間通過引入窄的均衡導管，例如紅寶石針孔(圖中未示出)，從而引入故意泄漏。所述均衡導管有利于工作氣體和緩沖室157中的氣體容積之間的氣體連通。所述均衡導管的尺寸應能允許所述工作氣體和所述氣體容積之間達到壓力均衡，同時應足夠窄，以防止在與所述換能裝置的工作頻率相應的工作期間有大量的氣體連通。緩沖室157容積、工作容積、隔膜128和管狀彈簧154 —起工作，以使隔膜128和發(fā)電機部分112所連接的部件具有期望的固有頻率。所述期望的工作頻率可以是至少約250Hz，在一個示例性實施例中約是500Hz。在其它實施例中工作頻率大于500Hz。
[0093]換能器部分110還包括置換器130，通過移動置換器130來改變膨脹室120和壓縮室122的容積，以使工作氣體在各腔室之間進行周期性交換。在所示實施例中，置換器130包括第一彈性置換器壁132和第二彈性置換器壁134。置換器壁132和134均包括各自的環(huán)狀切口 136和138，以促進置換器壁的彈性彎曲，所述環(huán)狀切口限定了置換器130的中心移動部分，所述中心移動部分大致設置在環(huán)狀切口之間。第一置換器壁132和第二置換器壁134通過多個支撐件142 (圖2中僅示出了其中一個支撐件142)在中心移動部分保持著間隔設置的關系。支撐件142使得第一置換器壁132和第二置換器壁134上位于環(huán)狀切口136和138之間的部分，在置換器130往復運動的過程中作為一個單元一起移動。在其它實施例中，支撐件142可以包括在第一置換器壁132和第二置換器壁134之間延伸的位于中心的單個支撐件(圖中未示出)。
[0094]膨脹室120被限定在第二置換器壁134的表面144和導熱壁146的表面148之間，表面144形成了膨脹室的第一壁，表面148形成了膨脹室的第二壁。第一置換器壁132的表面150形成了壓縮室122的第一壁，隔膜128的表面152形成了壓縮室的第二壁。
[0095]在所示實施例中，隔膜128和置換器130沿著與縱向軸線124 —致的方向做往復運動。隔膜128的往復運動耦合到傳動桿114上，進而驅動發(fā)電機部分112。隔膜128和置換器130往復運動的幅度分別受到隔膜和置換器上彎曲部分的最大無限疲勞應力的限制。為了提供隔膜128通過的容積，也就是工作容積的絕大部分，同時保持低的隔膜彎曲應力，膨脹室120和壓縮室122的徑向范圍要遠大于縱向高度。通常，為使所述裝置100獲得最佳工作效率，希望所述工作容積足夠小，以增加發(fā)動機的壓縮比。壓縮比是指隔膜128和置換器130運動產(chǎn)生的壓力變化幅度與工作氣體靜態(tài)壓力Pm之間的比例。在一個實施例中，理想壓縮比為約10%。
[0096]所述裝置還包括導熱壁146，導熱壁146在外部熱源和所述裝置100的換能器部分110之間形成了熱界面，并將熱能送入膨脹室120，以使所述裝置100進行工作。在所示實施例中，導熱壁146包括多個散熱片147，在與外部熱源(圖中未示出)進行熱交換時增大了所述壁的表面積。在所示實施例中，所述熱源可以包括燃燒器，所述燃燒器通過燃燒燃料源而產(chǎn)生熱量，導熱壁146直接從所述燃燒器接收熱量。在其它實施例中，壁146可以間接從例如熱管或攜帶傳熱流體的導管接收熱量。
[0097]通常，當所述裝置100作為發(fā)動機工作時，在導熱壁146處從外部熱源接收熱能，并將熱量傳給膨脹室120中的工作氣體，使平均氣體溫度增加。該發(fā)動機的工作原理是當平均工作氣體溫度較低時壓縮所述工作氣體，而當平均工作氣體溫度較高時使所述工作氣體膨脹。壓縮較冷的工作氣體所做的功小于使較熱的工作氣體膨脹所提供的能量，這些能量之間的差異在隔膜128處提供了凈機械能輸出，所述凈機械能耦合到傳動桿114。
[0098]絕熱材料
[0099]在本實施例中，連通通路126位于縱向軸線124的周邊，并貫穿置換器壁132和134之間的空間。置換器壁132和134之間剩余的空間由低熱導率的絕熱材料占據(jù)。
[0100]在一個實施例中，絕熱空間140用于幫助引入比工作氣體熱導率低的絕熱氣體。有利地，絕熱空間140中的絕熱氣體進一步減少了從膨脹室120到壓縮室122的熱傳導?？梢越o所述絕熱氣體加壓使其壓力Pi ^ Pffl,以使第一置換器壁132和第二置換器壁134上的靜壓載荷最小。在一個實施例中，絕熱材料140可以是開孔多孔材料，在這種情況下，絕熱氣體可透過絕熱材料。
[0101]在其它實施例中，絕熱材料140可以是閉孔多孔材料，閉孔內夾帶有絕熱氣體，或閉孔內局部真空。在一個具體實施例中，閉孔絕熱材料的平均孔徑小于絕熱氣體的平均自由程。當分子的平均自由程比容器的特征尺寸小得多時，氣體的熱導率與壓力無關，而平均自由程依賴于壓力。因此，通過處理(charging)閉孔材料使閉孔內絕熱氣體的壓力足夠低，那么絕熱氣體的平均自由程變得與容器的尺寸相近，從而大幅降低了熱導率。通過選擇具有足夠小的閉孔的絕熱材料140，使閉孔內氣體的平均自由程比孔的尺寸大，絕熱材料140的熱導率可降低到接近高真空絕熱性能的水平。例如，在所述裝置100的通常工作壓力下，所需的開孔絕熱材料140的尺寸為Inm的數(shù)量級。相比之下,對于閉孔內絕熱氣體壓力接近大氣壓的閉孔絕熱材料，IOnm的孔尺寸足以使絕熱材料140的熱導率足夠低。
[0102]有利地，減少膨脹室120和壓縮室122之間的熱傳導通常與提高所述裝置100的工作效率相關聯(lián)。
[0103]連通通路
[0104]在圖2所示的實施例中，所述裝置100包括多個連通通路126(圖2中僅示出了其中兩個)。圖3所示為所述裝置100的橫截面。參考圖3，在本實施例中，連通通路126是大致圓形的，并繞縱向軸線124以徑向陣列形式排列在周邊。多個連通通路126共同作為膨脹室120和壓縮室122之間工作氣體的通道。
[0105]圖4所示為其中一個連通通路126與部分膨脹室120的立體圖。參考圖4，部分膨脹室120是指第二置換器壁134和導熱壁146之間的部分。為清楚起見，圖4中省略了壓縮室122。
[0106]連通通路126包括具有圓柱軸線258的圓柱形主體204。圓柱形主體204還包括柱205，柱205從所述主體沿著與軸線258大致一致的方向向外延伸(柱205的功能將在后面描述)。主體204包括一對接入導管180，所述接入導管從所述主體延伸出，并具有各自的第一端部200，用于與壓縮室122進行連通(圖4中未示出)。在其它實施例中，可以省略第二接入導管180，或者設置兩個以上接入導管。主體204有端口 212和端口 214，用于攜帶熱交換流體從而在連通通路126和外部環(huán)境之間輸送熱量。端口 212和214終止于各自的開口 213，用于與外部熱交換系統(tǒng)傳遞熱交換流體(圖中未示出)。
[0107]圖5所示為連通通路126的局部切除立體圖。參考圖5,圖中示出了部分第一置換器壁132，所述部分第一置換器壁132限定了壓縮室122。為了清楚起見，圖5中省略了彈性隔膜(如圖2所示128)。所述接入導管180終止于圓柱形主體204內的第二端部202。主體204中包括用于在接入導管180和回熱器182之間傳輸氣流的第一熱交換器206。所述第一熱交換器包括允許氣體流過的導熱材料。主體204中還包括與第一熱交換器206熱連通的第一熱導體208。第一熱導體208包括沿徑向取向的多個通道216。主體204還包括與端口 212連通的中央導管210，用于從多個通道216接收傳熱流體，并通過端口 214排出。在所示實施例中，第一熱導體208包括高熱導率的金屬，例如銅。在其它實施例中，第一熱導體可以將熱量傳遞給熱管。
[0108]在工作過程中，第一熱交換器206將熱量從工作氣體傳遞到導熱材料，所述導熱材料熱耦合到第一熱導體208。第一熱導體208進而將熱量傳遞給流過通道216的傳熱流體。所述熱交換通過端口 214排出，并將所述裝置100的熱量輸送到外部熱交換系統(tǒng)，從而輸送給外部環(huán)境。
[0109]在一個實施例中，第一熱交換器206可以包括碳纖維材料,所述碳纖維材料包括高熱導率的碳纖維。所述碳纖維材料可以是高熱導率的碳復合材料。所述復合材料可以由碳纖維構成，通過在碳罩(carbon veil)上電植絨碳纖維并用樹脂涂覆而得到。所述罩將纖維形成一個連貫的整體，而碳纖維粘在樹脂上。然后，所述材料在非常高的溫度下熱解，以形成所謂的碳-碳復合材料。熱解使樹脂轉化為純碳，從而得到全碳材料。所得到的結構通常被稱為碳絨。對于第一熱交換器206，理想的纖維通常在與縱向軸線124—致的方向上取向，使得熱量沿纖維傳遞到第一熱導體208。碳絨的纖維填充密度通常是隨機的，給氣體和纖維之間的熱傳遞提供了大的表面積，使氣體可以在纖維之間流動。
[0110]將所得到的碳復合材料用導熱膏與金屬熱導體208粘合在一起，在烘箱中烘烤后可將碳復合材料和熱導體粘合在一起。所述導熱膏具有雙重作用，一是將碳復合材料和熱導體粘合在一起，二是提供了良好的熱界面，用于使熱量流入和流出碳復合材料的碳纖維。有利地，與比較容易提供的例如金屬翅片式熱交換器相比，所述碳復合材料提供了明顯更大的與氣體接觸進行熱傳遞的表面積。在其它實施例中，熱交換器可以由金屬翅片或金屬針(pin)制成。
[0111]可選擇地，第一熱交換器206可以通過在載體上電植絨碳纖維而得到，所述載體例如聚合物。然后用導熱膏將攜帶碳纖維的聚合物應用于第一熱導體208。將所述聚合物載體、碳纖維和第一熱導體208放入烘箱中點燃以燒盡聚合物，留下的碳纖維與第一熱導體粘合在一起并熱耦合，從而制造出碳絨，所述碳絨沒有先前制造出的碳-碳復合物。在其它實施例中，第一熱交換器206可通過直接在導熱膏上植絨碳纖維而得到。
[0112]如前所述，在一些實施例中，所述纖維可以在與軸線258大體一致的方向上取向。有利地，碳纖維材料中的各個碳纖維一般都是柔性的，當將碳纖維壓縮到與回熱器接觸時，所述柔性纖維會彎曲，從而在纖維的尖端和回熱器182之間提供了緊密的物理接觸。在其它實施例中，可以使所述碳纖維材料的碳纖維相對于軸線258以一定角度傾斜，以使柔性增加，從而進一步提高各熱交換器的壓縮性。
[0113]在圖5所示的實施例中，熱導體208和多個通道216通常制成圓柱盤的形式，所述圓柱盤的直徑大小應使其可以被圓柱形主體204的孔218容納。熱交換器206也制成圓盤狀，并可被孔218容納。有利地，可以預先制造所述高熱導率碳纖維材料并將其切割成適合孔218的尺寸，或制成對應于第一熱導體208的形狀，如前所述。
[0114]所述主體204進一步包括圍繞在第一熱交換器206周圍的環(huán)形增壓室220。環(huán)形增壓室220與接入導管180的端部202連通。增壓室220用于在接入導管180和第一熱交換器206之間傳輸氣體。
[0115]回熱器182與第一熱交換器206熱連通。在實施例中，第一熱交換器206包括前述高熱導率的碳材料，所述碳纖維與回熱器接觸，從而在第一熱交換器206和回熱器之間提供了良好的熱連通。回熱器182可以由基體材料226制成，所述基體材料上有流道，可以通過選擇流道的半徑以使得流動摩擦損失足夠小，同時使流過回熱器和基體材料的氣體之間進行有效的熱傳遞。在工作過程中，回熱器的基體材料226交替地從通過回熱器182的工作氣體接收熱能，或向工作氣體傳送熱能。
[0116]理想的基體材料226沿軸線258的方向熱導率低，以減少通過回熱器182的熱傳導。一些合適的回熱器基體材料226的示例包括多孔材料，如多孔陶瓷或填充球，或具有離散流道的材料，如微毛細管陣列?？蛇x擇地，也可以使用層疊的金屬絲網(wǎng)篩或繞線式回熱器。申請?zhí)枮?，416，114、 申請人:為Martini的美國專利中描述了一些合適的回熱器基體材料，其全部內容通過引用結合在本申請中。
[0117]在所示實施例中，回熱器182在薄壁套筒222內，在本實施例中所述薄壁套筒是第二置換器壁134不可分割的一部分?？蛇x擇地，套筒222可以焊接或以其它方式粘合到第二置換器壁134上。套筒222從第二置換器壁向外延伸，并延伸到末端262?？梢酝ㄟ^選擇套筒222的壁厚，以盡量減少熱側104和冷側106之間沿所述套筒的熱傳導，同時提供足夠的結構完整性，以承受工作氣體的壓力波動Λ P。
[0118]連通通路126還包括用于在回熱器182和膨脹室120之間傳輸氣流的第二熱交換器228。第二熱交換器228與第二熱導體熱連通，在這種情況下，所述第二熱導體由導熱壁146提供。在導熱壁146處從外部環(huán)境接收的熱量傳遞給第二熱交換器128，進而傳遞給工作氣體。
[0119]第二熱交換器228也可以由高熱導率的碳材料形成，如前面關于第一熱交換器206的描述。導熱壁146包括突出的圓柱形部分230，用導熱膏可以將碳材料與突出部分230粘合在一起，如前所述。所述裝置100在較高溫度差下工作時，導熱膏應能承受高溫作業(yè)。導熱壁146的圓柱形部分230在置換器壁134的孔232內，孔232的大小限定了連通膨脹室120和第二熱交換器228的環(huán)形增壓室234。在一個實施例中，環(huán)形增壓室在孔232和部分230之間的尺寸約為300 μ m。
[0120]回熱器基體材料226與第一熱交換器206和第二熱交換器228均接觸，使得通過連通通路126的工作氣體得以連通。在實施例中，第一和/或第二熱交換器206和228包括高熱導率的碳材料，主體204和套筒222與軸線258的方向一致，這樣可以使碳材料的碳纖維與回熱器基體材料在所述裝置100工作過程中產(chǎn)生的熱誘導應變下保持接觸。有利地，熱交換器206和228的碳纖維有些柔性，可以發(fā)生彎曲以容納稍微過大的回熱器182，或占據(jù)由于回熱器稍微過小而產(chǎn)生的間隙，從而放寬了與回熱器和連通通路126相關的機械公差。
[0121]工作氣體流到回熱器的基體材料226，卻沒有與熱交換器206和228的材料交換足夠的熱量，從而減少了所述裝置100的工作效率，這種情況通常希望避免發(fā)生。如果碳纖維和回熱器的基體材料226之間產(chǎn)生間隙，大部分工作氣體可能在沒有通過各熱交換器206和228被加熱或冷卻的情況下到達回熱器182。在這樣的情況下，流進回熱器182的氣體將處于與各熱交換器相比不同的溫度下，這將減小穿過回熱器的有效溫度差，并降低所述裝置100的工作效率。熱交換器206和228的碳纖維也可能有一些纖維長度偏差，可以通過配置所述連通通路，使得所述碳材料處于壓縮狀態(tài)，從而確保大部分纖維而不僅是最長的碳纖維的尖端才能與回熱器182接觸。如前所述，在一些實施例中，所述碳纖維也可以相對于軸線258以一定角度傾斜，以使柔性增加，從而增加各熱交換器的可壓縮性。
[0122]在一個實施例中，連通通路126裝配如下:第一熱交換器206、回熱器182和第二熱交換器228夾在第一熱導體208和導熱壁146的突出的圓柱形部分230之間。在裝配過程中，通過施加裝配預緊力，使套筒222的末端262在主體204上降到最低點，使得第一熱交換器206和第二熱交換器228在預緊力下緊密接觸?？梢酝ㄟ^選擇套筒222在軸線258方向上的長度，使套筒在給第一熱交換器206、回熱器的基體材料226和第二熱交換器228之間提供最小負載之前不在主體204上降到最低點。然而在裝配預緊力下，套筒222的末端262可以密封地粘合到主體204上，使膨脹室120和壓縮室122之間的連通通路126實現(xiàn)氣密密封。由于所述密封只需要在接近環(huán)境溫度下工作，用于主體204的材料可以與套筒222的材料不同，末端262可以通過焊接、釬焊、錫焊或其它方式與所述主體粘合。裝配預緊力會引起熱交換器206和228輕微壓縮，使得熱交換器和回熱器的基體材料226之間保持緊密接觸，所述緊密接觸是在工作過程中產(chǎn)生的熱誘導應變下發(fā)生在界面254和256的，否則會有不希望的氣流繞過熱交換器206和228，從而損害通過連通通路126的氣體流動路徑的完整性。
[0123]再參考圖5，在所示實施例中，對連通通路126的主體204預先施加壓縮力。在本實施例中，壓縮力由彈簧236提供，彈簧236套在柱205上，并支撐著第一置換器壁132。所述壓縮力促使主體204、薄壁套筒222和第二置換器壁134朝向導熱壁146。通過選擇彈簧，使其提供足夠大的壓縮力，抵消工作壓力波動偏差ΛΡ引起的力，否則將對末端262處的密封件產(chǎn)生壓力，末端262位于套筒222和主體204之間。有利地，所述壓縮力使得由于工作壓力波動而必須由密封件承擔的壓力顯著減少了。
[0124]圖6所示為連通通路126的截面示意圖。參考圖6,在所示實施例中，基體材料226包括多孔基體，但是如上所述，在其它實施例中，所述材料可以包括多個離散的、縱向延伸的通道或微毛細管。通過所述連通通路的氣流用多條線250表示。在圖6中，流動方向由箭頭252表示，從壓縮室122流向膨脹室120。然而應該理解的是，氣流是周期性的，當氣流從膨脹室120流向壓縮室122時，箭頭252的方向應反向。在工作工程中，當置換器130和隔膜128移動引起壓縮室122容積減小時，氣體從壓縮室流入與連通通路126關聯(lián)的每個接入導管180(圖6中僅示出了一根接入導管180，但可能有多個接入導管)。氣體從接入導管180流入環(huán)形增壓室220時方向發(fā)生變化，由大致軸向(相對于軸線258)變?yōu)檠貜较蛳騼攘魅氲谝粺峤粨Q器206的周邊環(huán)形部分264。第一熱交換器206中的氣流分流，沿多個路徑流向第一熱交換器206和回熱器182之間的界面254。同樣地，氣體流過回熱器182和第二熱交換器228之間的第二界面256時方向發(fā)生變化，由回熱器中的沿大致軸向方向變?yōu)榱鬟^第二熱交換器228的大致徑向方向。氣體通過第二熱交換器228的周邊環(huán)形部分266排出到增壓室234。增壓室234將工作氣體輸送到膨脹室120。由于膨脹室120和壓縮室122之間氣體交換的周期性，部分工作氣體通常會在工作容積內來回穿梭。例如，部分靠近界面254的工作氣體可能會在界面上來回穿梭，不離開回熱器182或第一熱交換器206。
[0125]在圖6所示的實施例中，回熱器182的回熱器基體材料226包括在基體材料226周圍延伸的第一環(huán)形阻擋部分260和第二環(huán)形阻擋部分261。阻擋部分260用于防止工作氣體流到回熱器的基質材料226的周邊，而沒有至少經(jīng)過第一熱交換器206的周邊部分264。同樣地，阻擋部分261用于防止工作氣體流到回熱器的基質材料226的周邊，而沒有至少經(jīng)過第二熱交換器228的周邊部分266。在沒有阻擋部分260和261的情況下，工作氣體將有可能直接到達回熱器182的周邊部分，而沒有與第一熱交換器206和第二熱交換器228進行即使最小的相互作用。阻擋部分260和261可以通過引入密封材料來擋住所述阻擋部分內毛細管或孔。可選擇地，可以對基體材料226的周邊部分進行處理以選擇性地阻擋周邊的孔或毛細管，例如通過燒制玻璃毛細管的端部使部分玻璃熔融。
[0126]在圖1-圖3所示的裝置100的實施例中，所述裝置通常為圓柱形的結構，通常會使得通過裝置的氣流基本上關于縱向軸線124軸對稱。因此，膨脹室120和壓縮室122中的氣流按照斯特林循環(huán)工作周期，主要是在徑向向外或徑向向內的方向之間變化。參考圖8，第一置換器壁132的表面150在平面視圖中示出，接入導管180的各第一端部200作為多個離散進氣口 280，用于使氣體在壓縮室122內沿徑向流動(由箭頭282表示)。為完整起見，圖8中示出了開口 213，開口 213用于與外部熱交換系統(tǒng)進行熱交換流體的傳遞。
[0127]有利地，所述多個離散進氣口 280可以通過在置換器壁132里鉆出多個開口而實現(xiàn)，用于容納接入導管180的各第一端部200。相比之下，用環(huán)形槽代替離散進氣口 280可提供更均勻的通過壓縮室122的徑向氣流，然而這樣的槽實際上難以實現(xiàn)，并具有缺點。這樣的槽不能承受由工作溫度差引起的熱膨脹。此外，具有與進氣口 280和接入導管180相同的自由流動橫截面的環(huán)形槽，將遭受更大的粘滯損失，因為環(huán)狀槽的壁緊密間隔，從而其水力半徑比接入導管部分339的要小。通常，較小的水力半徑與較大的粘滯損失相關聯(lián)。增大環(huán)形槽壁之間的環(huán)形間隔，會降低流動摩擦，但也將導致更大的工作容積。如前所述，希望保持足夠低的工作容積，以獲得約10%的壓縮比，從而達到良好的工作效率。因此，完美的流動對稱不是必需的，也可能不是最優(yōu)的。
[0128]在一些實施例中，可以對接入導管180的端部200壓型以于減少任何由流體濃度造成的局部粘滯損失，所述粘滯損失在氣體進入或排出進氣口 280時可能會發(fā)生。例如端部200可以制成喇叭口的形狀。
[0129]熱膨脹
[0130]為使所述裝置100有效地工作，希望增加熱側104和冷側106之間的溫度差。在一些實施例中，溫度差可以是在約600°C左右或更高。因此，在工作條件下，可以在膨脹室120和壓縮室122之間建立較大的溫度梯度。與較大的溫度差相關聯(lián)的一個問題是制造所述裝置時使用的部件和材料必須能夠承受熱膨脹中相應的溫度差，特別是例如回熱器這種與所述裝置100的熱側104和冷側106都連通的部件。這種部件在工作過程中可能會受到相對較大的機械應力。此外，由于在制造所述裝置100時使用了各種不同的材料，需要密切注意這些材料表現(xiàn)出的顯著不同的熱膨脹率，以避免工作問題，例如氣體泄漏或氣流從期望的流通路徑改道。隔膜式斯特林發(fā)動機的膨脹室和壓縮室徑向尺寸相對較大，從而在高溫差下工作時給熱側104相對于冷側106的熱膨脹帶來了重大的結構上的挑戰(zhàn)。
[0131]此外，連通通路126的圓柱形結構提供了幾個優(yōu)點。如前所述，回熱器182最好在軸向上具有低的熱導率，使得所述裝置100的熱側104和冷側106之間幾乎全部溫度偏差都穿過回熱器182。
[0132]在發(fā)動機結構中，這將導致界面254比界面256冷得多?；責崞?82兩端的溫度差的一個作用是，界面256靠近軸線258的部分將向外彎曲，而界面的外周邊緣在一個平面內。第二界面256處的回熱器基體材料226經(jīng)受二維的熱膨脹，使得第二界面向外彎曲，占據(jù)了大致為球形的形狀。在圖6所示的實施例中，回熱器的基體材料226在套筒222內可以是自由的?？蛇x擇地，基體材料226可以僅一端密封在套筒上，在這種情況下，回熱器182的圓形橫截面是有利的，因為在熱應變下回熱器的外周邊緣在一個平面內，從而顯著地簡化了對套筒的密封。相比之下，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，非圓形的回熱器結構非常難以密封，因為二維的熱膨脹會導致外周邊緣離開平面。
[0133]有利地，回熱器的基體材料226由于熱梯度產(chǎn)生的彎曲，不會給套筒222的端部262和主體204之間的密封產(chǎn)生壓力，并且第一熱交換器206的碳纖維的柔性可以承受界面254的任何彎曲。
[0134]此外，在一些實施例中，回熱器的基體材料226可以由陶瓷或玻璃材料制成，而套筒222可以包括金屬。因為陶瓷或玻璃材料的熱膨脹系數(shù)一般都比套筒222中所使用的金屬的熱膨脹系數(shù)低，可能至少會沿內孔224的一部分產(chǎn)生間隙。因此，在圖5所示的實施例中，套筒222的尺寸使得回熱器的基體材料226緊密配合并容納在其中。
[0135]如前所述，回熱器182兩端的整個溫度差也在套筒222的兩端出現(xiàn)，因此套筒的壁應盡可能地薄，與其必須承受的機械應力相一致，以最大限度地減少通過套筒的熱傳導。將回熱器的基體材料226大致緊密地配合在套筒222內，以減少可能會出現(xiàn)在基體材料和套筒內壁之間外圍部分的氣流。實際上，配合的緊密度可以這樣確定:使基體材料226的外圍和套筒222的內壁之間的間隙與通過基體材料的流動路徑具有相似的水力半徑。例如，在多孔基體材料226的情況下，可以使間隙保持在基體的孔徑大小的數(shù)量級，例如可以約為20 μ m,以避免額外的熱量和粘滯損失。這個標準也對回熱器182的最大直徑產(chǎn)生約束，因為在某些工作溫度差下，直徑較大的回熱器可能無法滿足這一標準。對于給定的材料，基體材料226的外圍和套筒222的內壁之間間隙的大小與回熱器182的直徑和溫度差成比例。在一個實施例中，回熱器182的直徑約為1cm。
[0136]參考圖7，在另一個可選擇的實施例中，可能會在基體材料226和第二置換器壁134之間引入柔性環(huán)形高溫密封件300，并在基體材料226和主體204之間引入柔性環(huán)形密封件302。在所示實施例中，密封件300和302均包括薄的彎曲的金屬部分。在其它實施例中，密封件300可以包括具有一個或多個波紋的金屬部分，用于承受在工作溫度差下發(fā)生的熱應變。
[0137]在所示實施例中，基體材料226由微毛細管組成，所述微毛細管沿回熱器182的長度延伸，從而提供密封的回熱器外圍。在其它實施例中，基體材料226是多孔基體，回熱器外圍可以通過例如額外的套筒(圖中未示出)密封。有利地，回熱器182的圓柱形結構，使基體材料226的外周邊緣在工作溫度差下在一個平面內，也有助于通過減少對環(huán)形密封件300和302的需求從而承受不均勻膨脹，所述密封件只需要承受回熱器182的外周邊緣在平面上的徑向膨脹。在所示的實施例中，連通通路126進一步包括在主體204和第二置換器壁134之間延伸的絕熱體304。絕熱體304用于承受由于彈簧236而產(chǎn)生的壓縮載荷，否則可能會導致熱交換器206和228或回熱器基體226的碳纖維被壓碎。在一個實施例中，絕熱體304包括多孔陶瓷材料。
[0138]在所示實施例中，基體材料226在界面254和界面256處具有異形形狀(prof iledshape)。在本實施例中，界面254和256的形狀是凹形的，并具有大致球形的輪廓，但在其它實施例中，根據(jù)通過連通通路126的實際流動路徑250，界面254和256可以具有非球形的輪廓。通常，異形界面254和256使得通過回熱器基體材料226的路徑長度，在回熱器182靠近軸線258處相對于外圍部分較短。可以通過選擇界面254和256的輪廓，來均衡通過回熱器182的所有路徑的流動阻力。通過回熱器182靠近軸線258處較短的路徑至少可以部分抵消掉氣體在第一熱交換器206和第二熱交換器228中必須穿過的較長路徑，從而使所有通過第一熱交換器、回熱器182和第二熱交換器的流動路徑總和具有大致相似的流體流動阻力。有利地，異形界面254和256使得通過基體材料226的氣流更均勻，有助于提高所述裝置100的工作效率。在圖7所示的實施例中，基體材料226在相對于軸線258的橫向方向上的流量再分配有限，例如在圖7所示的微毛細管基體材料的情況下，促進氣流均勻地流過基體材料226變得特別重要。相比之下，通常多孔基體材料(如圖6所示)至少允許氣流在相對于軸線258的某些橫向方向上流量再分配，在這種情況下，對所述界面的壓型可以不做要求或者說界面的壓型沒有微毛細管基體材料那么明顯。因此，根據(jù)回熱器182的具體結構以及基體材料，對界面254和256的壓型可能會更加明顯、不太明顯或完全省略。
[0139]可選擇地，在其它微毛細管回熱器的實施例(未示出)中，靠近中心軸線258的微毛細管的水力半徑稍大于遠離軸線的微毛細管的水力半徑，以便均衡通過回熱器182不同部分的流動阻力。
[0140]在圖7所示的實施例中，第一和第二熱交換器向外延伸以獲得比回熱器的基體材料226更大的直徑。第一熱交換器206包括環(huán)形部分268，第二熱交換器228包括環(huán)形部分270，環(huán)形部分268和270都延伸出了回熱器182的外周邊緣。向外延伸的部分268和270使得工作氣體可以在穿過界面254和256之前流過各熱交換器的所述環(huán)形部分，從而使得工作氣體和熱交換器206和228之間可以進行最低程度的相互作用，所述工作氣體是指從第一熱交換器206和第二熱交換器228接收或排出的氣體。在其它實施例中，可以用阻擋部分代替或增加到延伸部分268和270上，以增加與所述第一和/或第二熱交換器的工作氣體的相互作用，所述阻擋部分與環(huán)形阻擋部分260 (如圖6所示)類似。對于微毛細管形式的回熱器基體材料226，只需要有單個阻擋部分以阻止流過毛細管的氣流，并且有利的是所述單個阻擋部分位于回熱器的冷側(即在如圖6所示的阻擋部分260的位置)。這有利于使用低溫密封材料，也減少了額外的熱傳導，如圖6的多孔基體回熱器的實施例所示，如果所述阻擋部分進一步延長，會產(chǎn)生額外的熱傳導。
[0141]柔件梓入導管
[0142]如前所述，在彈簧236提供的壓縮力作用下，連通通路126與第二置換器壁134接觸，從而與熱側104接觸。在工作過程中，熱膨脹會引起第一置換器壁132和第二置換器壁134相對于彼此沿縱向移動，從而使連通通路126產(chǎn)生熱應變，連通通路126的接入導管的各端部200與第一置換器壁132連接。然而，在徑向方向(即大致垂直于縱向軸線124)上也引入了熱應變，而且所述徑向應變要大于縱向應變。徑向應變是由第二置換器壁134和膨脹室120的導熱壁146相對于壓縮室122的第一置換器壁132的熱膨脹引起的。
[0143]再參考圖4，在所示的實施例中，每個接入導管180包括第一大致縱向取向的部分184，第一和第二彎曲部分186和188，以及大致徑向取向的部分189，所述第一縱向取向的部分184從主體204向外延伸。第二大致縱向取向的部分190從第二彎曲部分188延伸至第一端部200。[0144]所述第一縱向部分184通過沿其長度方向發(fā)生彎曲以承受徑向應變，給接入導管180的所述第一縱向部分的壁施加應力。在一個實施例中，接入導管180由薄壁管狀的不銹鋼制成，當在熱誘導應變下發(fā)生偏轉時，同時在結構上能承受工作氣體的壓力波動。對于所述導管壁的彈性彎曲，接入導管180有相關的最大極限應力。在引起所述裝置100最大的徑向膨脹的情況下，所述壁上的應力將達到最大，可以通過選擇縱向部分的長度，從而將所述壁上的應力減少到相關材料的最大極限應力的范圍內。
[0145]同樣地，徑向部分189通過沿其長度方向彎曲以承受縱向應變，給接入導管180的所述徑向部分的壁施加應力。在最大縱向位移的情況下，所述壁上的應力將達到最大，可以通過選擇徑向部分的長度，從而將所述壁上的應力減少到接入導管材料的最大極限應力的范圍內。
[0146]在一個實施例中，接入導管180沿其長度方向的壁厚大致均勻，而在其它實施例中，可減少壁厚來增加接入導管的柔性，使其符合彎曲的需要以承受熱應變。在其它實施例中，接入導管180可以包括額外的環(huán)路(loop)或曲面(curve)，以承受縱向和/或徑向的應變。在圖4所示的實施例中，接入導管180具有大致圓形的橫截面，在其它實施例中，所述導管可以是扁平的或具有扁平的部分，所述扁平的部分寬度大于高度，以使導管有優(yōu)先的彎曲方向。扁平接入導管的優(yōu)先彎曲方向是指與承受由于工作溫度差而發(fā)生的應變相一致的方向。可以通過選擇所述導管的內部尺寸，給通過導管的氣流提供等效的流動摩擦。
[0147]接入導管180的整體長度受到粘滯損失和熱松弛損失的約束，所述損失與長度成正比。此外，接入導管額外的長度會增加所述裝置100的工作容積，從而降低可實現(xiàn)的壓縮t匕。置換器壁132和134之間的間距增加通常會使工作效率增加，然而某種情況下進一步增加間距不再補償接入導管180相關的損失。因此，應使接入導管180的導管長度不長于承受最大的熱誘導應變所需的長度。在一個實施例中，通過選擇接入導管180的長度和結構，使其在環(huán)境溫度下的應力與在工作溫度下的應力幅度大致相等，而符號相反。有利地，這種預應力的配置允許接入導管的長度比原本需要的更短。在不超過接入導管180的極限應力的情況下承受徑向和縱向熱應變，使第一置換器壁132和第二置換器壁的間距值具有下限。
[0148]通常，回熱器182沿縱向軸線124 (如圖2所示)方向的長度受到關于回熱器基體材料226的氣體流動摩擦的考慮的約束。一般來說，第一置換器壁132和第二置換器壁134的期望間距大于回熱器182的最佳長度，所述期望間距是指為減少熱側104和冷側106之間的熱傳導而得到的期望間距。有利地，接入導管180跨越了額外的間距，從而增加了第一置換器壁132和第二置換器壁134的間距，在回熱器占據(jù)了大部分壁間間距的結構中，需要所述額外的間距。所述增加的間距要容納置換器壁132和134之間增加的絕熱材料的厚度，提供所述裝置100的熱側104和冷側106之間增強的熱絕緣。
[0149]再參考圖3，在所示的實施例中，多個連通通路126此外還允許每個通道相對于其相鄰的通道移動，以承受縱向和徑向的熱誘導應變。有利地，所述裝置100包括多個離散的連通通路126，如實施例所公開的，連同柔性接入導管180 —起，用于徑向和縱向的相對運動，而不會在所述裝置100的熱側104和冷側106之間產(chǎn)生過大的機械應力。有利地，減少熱誘導機械應力有利于重復所述裝置100的熱循環(huán)，同時保持氣密封的結構完整性。
[0150]在本申請所示的實施例中，回熱器182通常與膨脹室120通過第二熱交換器228相連通。然而在其它實施例中，回熱器182和接入導管180可能以其它方式與壓縮室122相連通。在另一個實施例中，回熱器182設置在兩個接入導管部分之間，或被分成一個以上的回熱器部分，每部分由回熱器之間的接入導管部分分隔開。
[0151]有利地，連通通路126有助于在工作過程中熱膨脹，所述工作過程是在組成所述裝置100的材料的應力限制內，并且不會對密封件施加顯著的應力，所述密封件是指在容納工作氣體以及在膨脹室120和壓縮室122之間傳送氣流時所需要的。此外，連通通路126的使用也降低了對所述裝置100的大部分部件維持嚴格的尺寸公差的要求。
[0152]在一個實施例中，第二置換器壁134和導熱壁146限定了膨脹室120，所述膨脹室120可由耐高溫材料制成，如鉻鎳鐵合金。第一置換器壁132和隔膜128限定了壓縮室122，所述壓縮室122可由合金鋼制成。由于工作溫度差，膨脹室120會發(fā)生徑向膨脹，而壓縮室122仍保持在環(huán)境溫度，沒有明顯擴大。這將導致在多個支撐件142 (如圖2所示)上產(chǎn)生應變，所述支撐件將第一置換器壁132和第二置換器壁134接合在一起。然而，在圖2所示的實施例中，支撐件142靠近第二置換器壁134的中心移動部分，因此受到的橫向熱誘導小于所述壁的周邊部分，所述壁的周邊部分不受機械約束。
[0153]壓力容器
[0154]再參考圖2，如前所述，所述裝置100的工作容積包括膨脹室120的容積，多個連通通路126中每個通路的容積，以及壓縮室122的容積。如前所述，通過絕熱氣體給低熱導率的絕熱材料140加壓，使其達到壓力Pi ^ Pffl,以盡量減少第一置換器壁132和第二置換器壁134上的靜態(tài)壓力載荷。在所示實施例中，殼體102內還有額外的絕熱區(qū)域155,位于所述工作容積或緩沖室157之外。區(qū)域155與低熱導率的絕熱材料相連通，從而也被加壓到與靜態(tài)工作壓力Pm大致相等的靜態(tài)壓力。所述裝置100的受壓區(qū)域通常限定在壁159，160，162，導熱壁146和管狀彈簧154之間，稱為壓力容器，斯特林循環(huán)換能器部分110在所述壓力容器內工作。所述壓力容器內部細分為三個區(qū)域:工作氣體空間120，122，126，緩沖空間157和絕熱空間140，155。三個`區(qū)域可彼此分隔開，由不同的氣體加壓到相似的壓力，或彼此弱連通，由相同的氣體加壓到同一壓力，或上述兩種方式的組合。殼體102中其它容積，如容積164和166，是不被加壓或排空的。隨著緩沖空間和絕熱空間被加壓，工作容積的大部分結構(即隔膜128，第一置換器壁132，第二置換器壁134，和連通通路126)不需要承受全部工作壓力Pm，只需承受工作壓力波動偏差ΛΡ。工作壓力波動偏差ΛΡ的幅值為靜態(tài)工作壓力Pm的約10%。因此，所述工作容積的結構只需承受Pm的10%左右。
[0155]唯一例外的是導熱壁146，所述導熱壁形成了壓力容器的外壁，因此必須承受全部工作壓力和工作壓力波動(即Pm+Λ P)。然而導熱壁146不需要像隔膜128 —樣在工作過程中彎曲，因此可以足夠厚以承受壓力。
[0156]樹狀通道
[0157]如前所述，膨脹室120和壓縮室122中的氣流通常沿著徑向方向，并且由于膨脹室和壓縮室的縱向范圍有限，氣流通常與表面144和表面148以及表面150和表面152靠的很近，其中表面144和148限定了膨脹室，表面150和152限定了壓縮室122。因此，膨脹室120和壓縮室122之間工作氣體的周期性交換也與腔室內的粘滯損失有關。參考圖9，在所示實施例中，隔膜128包括在隔膜表面152上形成的多個通道380。在一個實施例中，使用模具將通道380壓入表面152。[0158]通道380將壓縮室中的氣流引入多個離散的進氣口 280 (位于第一置換器壁132內，由接入導管180的端部200限定)。所述通道為多個離散進氣口 280區(qū)域內的氣流提供了更寬的通道，從而降低了粘滯損失。通道380沿大致徑向取向，并且相對較淺。在圖9所示的實施例中，通道380為類似樹狀的結構，具有更小的分支382，分支382窄而淺，將氣流引入一個或多個主通道或支干384，支干384在接近進氣口 280的地方結束。一個實施例提供了所述樹狀結構，如圖9所示，具有約24個進氣口 280，然而在其它實施例中，可以實現(xiàn)更多數(shù)量、更長分支的樹狀結構。通常，理想的通道380具有圓角306，以使進入或離開通道的氣體局部粘滯損失最小。主通道384的深度可與寬度相似，以盡量減少粘滯損失。在一個實施例中，主通道384的深度為Imm左右。
[0159]有利地，通道380減少了壓縮室122內氣流的粘滯損失，促進了隔膜128的表面152和第一置換器壁132的表面150之間的近間距，否則由于粘滯損失的約束不可能實現(xiàn)近間距。這有利于進一步減小工作容積，從而相應提高壓縮比。通道380靠近隔膜128的外周，因為壓縮室122 (和膨脹室120)容積的重要部分位于外周，因此希望盡量降低腔室的高度。壓縮室122 (和膨脹室120)的外周區(qū)域中會出現(xiàn)最大的氣流，從而成為粘滯損失的主要來源。
[0160]同樣地，再參考圖8，在第一置換器壁132上也可以形成相應的淺通道284(圖8中僅示出一個通道284)。如果隔膜的通道與第一置換器壁上與其相對的表面150的通道相匹配，那么兩個通道的總深度與通道的寬度相似。在第二置換器壁134和導熱壁146上也可以形成類似的通道，所述第二置換器壁和導熱壁限定了膨脹室120。
[0161]圖8示出了通道380的具體結構，然而在其它實施例中，所述通道也可以是其它結構，并且可以具有更多或更少的分支和/或支干，可以與附圖所示的布局相似或不同。
[0162]雖然已經(jīng)描述和說明了本發(fā)明的具體實施例，但所述實施例應被認為是說明性的，不作為對本發(fā)明的限制。
【權利要求】
1.一種用于在熱能和機械能之間進行轉換的斯特林循環(huán)換能裝置，所述裝置包括: 膨脹室和壓縮室，二者沿縱向軸線間隔設置； 至少一個在所述膨脹室和所述壓縮室之間延伸的連通通路，使工作氣體得以在所述膨脹室和所述壓縮室之間周期性交換，所述至少一個連通通路包括: 與所述膨脹室和所述壓縮室中至少一個相連通的接入導管； 與所述接入導管相連通的回熱器，用于交替地接收從第一方向通過所述連通通路的氣流的熱能，或將熱能傳遞給從與所述第一方向相反的方向通過所述連通通路的氣流；其中 所述接入導管包括柔性部分，用于在熱誘導應變下發(fā)生偏轉，所述熱誘導應變由工作過程中所述膨脹室和所述壓縮室之間建立的工作溫度梯度引起。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述膨脹室和所述壓縮室中至少一個包括彈性隔膜，所述彈性隔膜在工作氣體于所述膨脹室和所述壓縮室之間周期性交換的過程中發(fā)生偏轉。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于:進一步包括置換器，所述置換器設置在所述壓縮室和所述膨脹室之間并與二者均連通，用于進行往復運動，以便在工作氣體周期性交換的過程中改變所述膨脹室和所述壓縮室的容積。
4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述置換器包括: 與所述壓縮室連通的第一彈性置換器壁； 與所述膨脹室連通的第二彈性置換器壁；以及 至少一個在所述第一和第二置換器壁之間延伸的支撐件，所述支撐件用于連接所述第一和第二置換器壁進行往復運動。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述至少一個連通通路包括多個連通通路，其中每個都有各自的所述接入導管和所述回熱器。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于:所述多個連通通路繞縱向軸線以徑向陣列形式排列。
7.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述回熱器的長度小于所述膨脹室和所述壓縮室沿所述縱向軸線的間距，通過選擇所述回熱器的長度來增加與通過所述回熱器的氣流的熱能交換，同時將通過所述回熱器的流體的摩擦造成的損失降至最低，其特征在于:所述接入導管配置成跨越所述膨脹室和所述壓縮室之間間距的剩余空間。
8.根據(jù)權利要求7所述的裝置，其特征在于:通過選擇所述膨脹室和所述壓縮室之間的間距以使得所述膨脹室和所述壓縮室之間熱傳導造成的損失以及所述連通通路中的損失二者總和最小化。
9.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述接入導管由具有彈性極限的材料制成，通過選擇所述膨脹室和所述壓縮室的間距，使所述接入導管中的應力減少到所述材料的彈性極限內。
10.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述接入導管由具有彈性極限的材料制成，并且包括至少一個沿縱向取向的部分，通過選擇所述沿縱向取向的部分的長度尺寸，使所述接入導管中的應力減少到所述材料的彈性極限內。
11.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述接入導管可以由具有彈性極限的材料制成，并且包括至少一個大致沿徑向取向的部分，可以通過選擇所述沿徑向取向的部分的長度尺寸，使所述接入導管中的應力減少到所述材料的彈性極限內。
12.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述接入導管的柔性部分包括壁，所述壁限定了貫穿所述柔性部分的孔，所述壁在熱誘導應變下發(fā)生偏轉。
13.根據(jù)權利要求12所述的裝置，其特征在于:所述柔性部分具有大致為管狀的截面。
14.根據(jù)權利要求12所述的裝置，其特征在于:所述柔性部分包括扁平的管狀截面，所述扁平的管狀截面具有內部高度尺寸和寬度尺寸，并且所述高度尺寸基本上小于所述寬度尺寸。
15.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述接入導管的柔性部分包括: 大致沿縱向取向的部分，用于承受徑向取向的應變；以及 大致沿徑向取向的部分，用于承受縱向取向的應變。
16.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述柔性部分包括至少一個彎曲部分。
17.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述至少一個連通通路沿縱向軸線的周邊設置，所述柔性部分用于承受所述連通通路的第一部分和第二部分之間的徑向偏移，所述第一部分與所述膨脹室相連通，所述第二部分與所述壓縮室相連通。
18.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述回熱器與所述膨脹室相連通，所述接入導管在所述回熱器和所述壓縮室之間延伸。
19.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述膨脹室和所述壓縮室限定了二者之間的絕熱空間，所述絕熱空間熱導率較低。
20.根據(jù)權利要求19所述的`裝置，其特征在于:進一步包括低熱導率的絕熱材料，所述低熱導率的絕熱材料設置在絕熱空間內。
21.根據(jù)權利要求20所述的裝置，其特征在于:所述絕熱材料包括多孔絕熱材料。
22.根據(jù)權利要求21所述的裝置，其特征在于:所述絕熱空間包含比工作氣體的熱導率低的氣體。
23.根據(jù)權利要求21所述的裝置，其特征在于:所述絕熱材料的孔徑小于所述絕熱氣體的平均自由程。
24.根據(jù)權利要求21所述的裝置，其特征在于:所述絕熱材料包括閉孔多孔材料。
25.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述連通通路進一步包括在所述壓縮室和所述回熱器之間傳輸氣體的第一熱交換器，所述第一熱交換器用于在所述氣體和外部環(huán)境之間進行熱傳遞。
26.根據(jù)權利要求25所述的裝置，其特征在于:所述第一熱交換器包括與所述回熱器物理接觸的壓縮性材料，所述連通通路給所述第一熱交換器和所述回熱器預先施加足夠的壓縮力，以使所述第一熱交換器和所述回熱器在由工作溫度梯度引起的熱誘導應變下保持物理接觸。
27.根據(jù)權利要求25所述的裝置，其特征在于:所述第一熱交換器包括多個具有高熱導率的碳纖維，所述多個碳纖維是充分隔開的，以便氣體從中流過。
28.根據(jù)權利要求27所述的裝置，其特征在于:所述碳纖維大致沿縱向取向，用于在縱向方向上輸送熱量。
29.根據(jù)權利要求27所述的裝置，其特征在于:通常應使所述碳纖維中至少一些纖維的尖端與所述回熱器接觸。
30.根據(jù)權利要求29所述的裝置，其特征在于:所述纖維通常設置為與縱向軸線成銳角，便于與所述回熱器接觸的纖維尖端發(fā)生彎曲。
31.根據(jù)權利要求25所述的裝置，其特征在于:進一步包括與所述第一熱交換器熱連通的第一熱導體，所述第一熱導體用于在所述第一熱交換器和外部環(huán)境之間輸送熱量。
32.根據(jù)權利要求31所述的裝置，其特征在于:所述第一熱導體包括用于輸送熱交換流體的導管。
33.根據(jù)權利要求31所述的裝置，其特征在于:所述第一熱導體包括熱管。
34.根據(jù)權利要求25所述的裝置，其特征在于:所述第一熱交換器包括與所述壓縮室相連通的周邊部分，所述回熱器用于提供多個大致縱向一致的流動路徑以使氣體流過所述回熱器，所述多個流動路徑中周邊設置的流動路徑與內部設置的流動路徑相比流動阻力較大，以促進氣流大致均勻地通過所述第一熱交換器和所述回熱器。
35.根據(jù)權利要求34所述的裝置，其特征在于:所述回熱器包括用于提供多個流動路徑的基體材料，通過對所述第一熱交換器和所述回熱器之間的界面壓型，可使周邊設置的流動路徑長度大于內部設置的流動路徑。
36.根據(jù)權利要求34所述的裝置，其特征在于:所述回熱器包括用于提供所述多個流動路徑的多個離散通道，并且周邊設置的離散通道比內部設置的離散通道直徑小。
37.根據(jù)權利要求25所述的裝置，其特征在于:所述第一熱交換器包括與所述壓縮室相連通的周邊部分，通過確定所述第一熱交換器的尺寸可使所述周邊部分超出所述回熱器的周邊范圍，以使在所述壓縮室和所述回熱器之間傳輸?shù)臍怏w至少流過所述第一熱交換器的周邊部分。
38.根據(jù)權利要求25所述的裝置，其特征在于:所述第一熱交換器包括與所述壓縮室相連通的周邊部分，所述回熱器包括靠近所述第一熱交換器周邊部分的阻擋部分，所述阻擋部分使得從所述第一熱交換器接收或排出的氣體至少流過所述第一熱交換器的周邊部分。
39.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述連通通路進一步包括在所述膨脹室和所述回熱器之間傳輸氣體的第二熱交換器，所述第二熱交換器用于在所述氣體和外部環(huán)境之間進行熱傳遞。
40.根據(jù)權利要求39所述的裝置，其特征在于:所述第二熱交換器包括與所述回熱器物理接觸的壓縮性材料，所述連通通路給所述第二熱交換器和所述回熱器預先施加足夠的壓縮力，使所述第二熱交換器和所述回熱器在由工作溫度梯度引起的熱誘導應變下保持物理接觸。
41.根據(jù)權利要求39所述的裝置，其特征在于:所述第二熱交換器包括多個具有高熱導率的碳纖維。
42.根據(jù)權利要求41所述的裝置，其特征在于:所述碳纖維大致沿縱向取向，用于在縱向方向上輸送熱量。
43.根據(jù)權利要求41所述的裝置，其特征在于:通常應使所述碳纖維中至少一些纖維的尖端與所述回熱器接觸。
44.根據(jù)權利要求43所述的裝置，其特征在于:所述纖維通常設置為與縱向軸線成銳角，便于與所述回熱器接觸的纖維尖端發(fā)生彎曲。
45.根據(jù)權利要求39所述的裝置，其特征在于:進一步包括與所述第二熱交換器熱連通的第二熱導體，所述第二熱導體用于在外部環(huán)境和所述第二熱交換器之間輸送熱量。
46.根據(jù)權利要求45所述的裝置，其特征在于:所述第二熱導體包括導熱壁。
47.根據(jù)權利要求45所述的裝置，其特征在于:所述第二熱導體包括熱管。
48.根據(jù)權利要求45所述的裝置，其特征在于:所述第二熱導體包括用于輸送熱交換流體的導管。
49.根據(jù)權利要求39所述的裝置，其特征在于:所述第二熱交換器包括與所述膨脹室相連通的周邊部分，通過確定所述第二熱交換器的尺寸可使所述周邊部分超出所述回熱器的周邊范圍，以使在所述膨脹室和所述回熱器之間傳輸?shù)臍怏w至少流過所述第二熱交換器的周邊部分。
50.根據(jù)權利要求49所述的裝置，其特征在于:所述第二熱交換器包括與所述膨脹室相連通的周邊部分，所述回熱器包括靠近所述第二熱交換器周邊部分的阻擋部分，所述阻擋部分使得從第二熱交換器接收或排出的氣體至少流過所述第二熱交換器的周邊部分。
51.根據(jù)權利要求50所述的裝置，其特征在于:所述回熱器包括用于提供所述多個流動路徑的多個離散通道，并且周邊設置的離散通道比內部設置的離散通道直徑小。
52.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述連通通路包括至少一個密封件，由于工作氣體的周期性交換，所述密封件在所述裝置的工作過程中會經(jīng)受工作壓力波動，所述連通通路進一步包括給所述連通通路施加壓縮力的裝置，使得由于工作壓力波動而加在所述至少一個密封件上的力至少部分被所述壓縮力抵消。
53.根據(jù)權利要求52所述`的裝置，其特征在于:所述用于提供壓縮力的裝置包括用于給所述連通通路軸向預先加壓的彈簧。
54.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述回熱器為大致圓柱的形狀。
55.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述膨脹室和所述壓縮室中至少一個包括表面，在工作氣體周期性交換的過程中，氣體沿著所述表面流動，所述表面包括形成在其中的多個通道，用于將所述壓縮室中的氣流送入連通通路，以及將氣流從所述連通通路送回所述壓縮室。
56.根據(jù)權利要求55所述的裝置，其特征在于，所述表面至少包括下述中的一個: 彈性隔膜的表面，用于發(fā)生偏轉以改變壓縮室的容積； 置換器的表面，位于所述壓縮室和所述膨脹室之間并與二者均連通，通過移動所述置換器來改變所述膨脹室和所述壓縮室的容積，以使工作氣體進行周期性交換；以及 膨脹室的壁部的表面，與所述置換器上與所述膨脹室相連通的表面相對。
57.根據(jù)權利要求55所述的裝置，其特征在于:所述連通通路沿所述縱向軸線的周邊設置，所述多個通道在繞所述縱向軸線的大致徑向方向上取向。
58.根據(jù)權利要求55所述的裝置，其特征在于:所述多個通道中每一個都包括沿徑向取向的分支，所述徑向分支向所述連通通路延伸，并且與多個成角度的分支相連通，所述多個成角度的分支注入所述徑向設置的分支。
59.根據(jù)權利要求55所述的裝置，其特征在于:所述連通通路包括繞所述縱向軸線以徑向陣列形式排列的多個連通通路，每個連通通路包括各自的進氣口，所述進氣口與所述壓縮室相連通，所述多個通道包括至少一個與每個進氣口相關的通道，用于將氣體送往各進氣口。
60.一種用于在熱能和機械能之間進行轉換的斯特林循環(huán)換能裝置，所述裝置包括: 膨脹室和壓縮室，二者沿縱向軸線間隔設置； 至少一個在所述膨脹室和所述壓縮室之間延伸的連通通路，使工作氣體得以在所述膨脹室和所述壓縮室之間周期性交換； 所述膨脹室和所述壓縮室中至少一個包括彈性隔膜，所述彈性隔膜在工作氣體于所述膨脹室和所述壓縮室之間周期性交換的過程中發(fā)生偏轉；以及 所述膨脹室和壓縮室中至少一個包括表面，在工作氣體周期性交換的過程中，氣體沿著所述表面流動，所述表面包括形成在其中的多個通道，用于將所述壓縮室中的氣流送入所述連通通路，以及將氣流從所述連通通路送回所述壓縮室。
61.根據(jù)權利要求60所述的裝置，其特征在于:在工作氣體周期性交換的過程中，氣體沿著所述表面流動，所述表面包括所述隔膜的表面。
62.根據(jù)權利要求61所述的裝置，其特征在于:進一步包括置換器，所述置換器設置在所述壓縮室和所述膨脹室之間并與二者均連通，用于進行往復運動，以便在工作氣體周期性交換的過程中改變所述膨脹室和所述壓縮室的容積，在工作氣體周期性交換的過程中，氣體沿著所述表面流動，所述表面包括置換器的表面。
63.根據(jù)權利要求62所述的裝置，其特征在于，所述置換器包括: 與所述壓縮室連通的第一 彈性置換器壁； 與所述膨脹室連通的第二彈性置換器壁； 至少一個在所述第一和第二置換器壁之間延伸的支撐件，所述支撐件用于連接所述第一和第二置換器壁進行往復運動；以及 在工作氣體周期性交換的過程中，氣體沿著所述表面流動，所述表面包括所述第一置換器壁和第二置換器壁中至少一個的表面。
64.根據(jù)權利要求62所述的裝置，其特征在于:在工作氣體周期性交換的過程中，氣體沿著所述表面流動，所述表面包括所述膨脹室的壁部的表面，所述膨脹室的壁部的表面與所述置換器上與所述膨脹室相連通的表面相對。
【文檔編號】F02G1/053GK103562535SQ201180055638
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2011年11月10日 優(yōu)先權日:2010年11月18日
【發(fā)明者】托馬斯·沃爾特·斯坦納, 布里亞克·梅達爾·德沙爾東, 金丸高尾 申請人:埃塔里姆有限公司