斯特林發(fā)動機的制作方法
【專利說明】斯特林發(fā)動機
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及一種斯特林發(fā)動機。
[0002] 斯特林發(fā)動機是溫度驅(qū)動式卡諾機，此類發(fā)動機在具有恒定高溫并且經(jīng)過其頭部 的熱輸入足夠高時工作最佳。因此，斯特林發(fā)動機理論上適于由能一直W高溫提供高熱的 燃氣燃燒器加熱。申請人研發(fā)并制造出適于在家庭環(huán)境中使用W提供電力與熱水的運樣的 斯特林發(fā)動機(Microgen?lkW發(fā)動機）。燃氣燃燒器設(shè)計成向與斯特林發(fā)動機的內(nèi)部與外部 接收器翅片相對的最佳位置提供高溫熱。
[0003] 所述發(fā)動機還非常適于偏遠場所使用，因為運些發(fā)動機是具有長壽命并且很少或 不需要維修的密封單元。但是，燃氣供應(yīng)無保障，能得到的諸如生物燃料、廢熱W及太陽光 之類的燃料不能作為主要的燃氣供應(yīng)W相同的恒定方式產(chǎn)生熱。
[0004] 解決此問題的一種嘗試是將斯特林發(fā)動機頭部包繞在針焊至此頭部(在尺寸通常 附接有外部翅片）的銅塊體中。銅具有高的熱導(dǎo)率，因而將增大的表面積W及良好的熱傳遞 提供到頭部中。而且，其質(zhì)量提供熱慣性W消除熱供應(yīng)中的任何變動。
[0005] 然而，運沒有提供一種可行的解決方案，因為所述銅塊體的外表面中迅速累積起 銅氧化物，此銅氧化物在非常短的時間內(nèi)將其熱傳遞能力減小至不可接受的水平。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種斯特林發(fā)動機，該斯特林發(fā)動機包括殼體，該殼體容納布置 成相對于彼此往復(fù)運動的置換器與動力活塞，頭部鄰近所述置換器W吸收熱，所述頭部由 銅塊體或侶塊體圍繞，所述塊體的主要部分包覆有厚度在3mm至0.15mm之間的不誘鋼或銘 儀鐵合金層。
[0007] 通過采取利用具有低熱導(dǎo)率的材料的明顯適得其反的步驟，本發(fā)明首次提供運樣 一種成功的斯特林發(fā)動機，其能在熱源處于低溫并且難W被引導(dǎo)并控制的情況下使用。
[000引銅或侶塊體的高熱導(dǎo)率減少了通過塊體的溫降，從而對于給定的發(fā)動機功率與頭 部操作溫度減小了塊體的平均溫度。通常，銅具有大約400W/mK的熱導(dǎo)率，侶具有大約200W/ mK的熱導(dǎo)率。此增大的質(zhì)量通過具有大的熱質(zhì)量而有助于維持并控制更穩(wěn)當?shù)臏囟?，并?在頭部過熱或者冷卻之前提供更慢的時間約束W及更長的時間。在熱源不能被精確控制并 且對熱源的控制動作需要更多的時間的系統(tǒng)中有此需要。
[0009] 從頭部增大的表面積減小了熱通量，并降低了表面溫度。運允許不全面使用昂貴 的包覆材料，并因此允許使用更少的昂貴包覆材料。
[0010] 需要銅或侶塊體適度大W具有所需的熱慣性與表面積。塊體的實際尺寸將取決于 發(fā)動機的大小和熱源。但是，優(yōu)選的是，塊體所具有的從最外表面到殼體的最接近部分的最 大距離大于1畑1。運實際上需要塊體的最小厚度至少是1畑1。
[0011] 類似地，包覆層的確切厚度取決于操作參數(shù)。但是，該厚度優(yōu)選為1mm至0.5mm。
[0012] 塊體可W具有與頭部同軸布置的大體截頭圓錐形的形狀，并且塊體的較寬端離頭 部最遠，所述較寬端提供圓形面。此截頭圓錐形形狀提供背離頭部的寬圓形面，該寬圓形面 特別適于吸收太陽福射。
[0013] 優(yōu)選的是，僅塊體的在較寬端處的圓形面被包覆。該圓形面是經(jīng)受最高溫度的表 面并因而受益于包覆層防護。而且，該圓形面下方的錐形曲面很難被包覆。此面優(yōu)選被針 焊。
[0014] 對于非太陽能源，大體圓柱形構(gòu)造的塊體是優(yōu)選的。在此情況下，大部分熱通過塊 體的頂面與側(cè)面被吸收。頂面與側(cè)面優(yōu)選被包覆。
[0015] 斯特林發(fā)動機可W是任何形式的斯特林發(fā)動機，但是優(yōu)選是自由活塞發(fā)動機W及 優(yōu)選是線性發(fā)動機。
[0016] 現(xiàn)在將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的斯特林發(fā)動機的實施例，在附圖中：
[0017] 圖1是與太陽能源一起使用的、頭部W剖面示出的斯特林發(fā)動機的側(cè)視圖；W及
[0018] 圖2是穿過用于生物燃料源或廢熱源的發(fā)動機的斯特林發(fā)動機殼體的頭部端的剖 面圖。
[0019]現(xiàn)有技術(shù)中公知斯特林發(fā)動機的基本設(shè)計，例如Mic;rogen?lkW發(fā)動機。此發(fā)動機 是一種置換器(未示出）鄰近頭部端1并且動力活塞(未示出）鄰近相反端2的線性自由活塞 斯特林發(fā)動機。在頭部端1處施加熱。此熱被如圖2中所示的內(nèi)翅片3吸收。冷卻劑回路圍繞 發(fā)動機的中部。冷卻劑回路包括冷卻劑入口 4 W及內(nèi)部冷卻室5，冷卻劑繞該內(nèi)部冷卻室循 環(huán)W便創(chuàng)建發(fā)動機頭部與中部之間的熱差異。此差異W本領(lǐng)域中公知的方式使置換器往復(fù) 運動。置換器與動力活塞異相往復(fù)運動，在相反端2處設(shè)置交流輸出設(shè)備。然后，冷卻劑回路 中的水被饋送至熱交換器(未示出），水在該熱交換器處吸收來自發(fā)動機的廢熱W提供熱供 應(yīng)。
[0020] 環(huán)形凸緣7圍繞發(fā)動機的中部，并且也如本領(lǐng)域中公知的是支撐發(fā)動機的構(gòu)件。
[0021] 本發(fā)明設(shè)及鄰近頭部的塊體的設(shè)置W便于具體源的熱吸收。
[0022] 在圖1中，頭部10被具有環(huán)形的較窄端12與圓形的較寬端13的大體截頭圓錐形形 狀的塊體11圍繞，圓柱形凹口 14居中地延伸從塊體11的較窄端12至較寬端的路徑的大部 分。在凹口 14的端部處，在頭部的彎曲頂部與塊體11之間限定有空間15。運樣做首先是因為 此處幾乎不發(fā)生熱傳遞，其次因為圖1中所示的圓柱形形狀更容易被機加工。
[0023] 塊體11由銅或侶制成，并且圓形的頂面被包覆有不誘鋼或銘儀鐵合金的圓盤18， 該圓盤的厚度在3mm至1.5mm之間。銅塊體14的曲面17在包覆層13下方及較窄端12由儀針 焊。
[0024] 在使用中，太陽能收集器被設(shè)置成將太陽能引導(dǎo)到圓形端13上，使得此能量被吸 收到塊體11中，并由此被吸收到頭部10中。要理解的是，塊體的相對較大的尺寸W及銅或侶 的使用提供了大的熱質(zhì)量，運使進入到頭部中的熱吸收最優(yōu)化。其次，大的熱質(zhì)量在一定程 度上使其它不可預(yù)測的熱源平穩(wěn)。
[0025] 圖2示出了適于非太陽能應(yīng)用的相似塊體。在此情況下，塊體20是圓柱形的，但是 具有容納頭部的相似中央凹口 14。在此情況下，圓形端面21與環(huán)形側(cè)面22兩者都包覆有厚 度在3mm至1.5mm之間的不誘鋼或銘儀鐵合金層W至于熱傳遞繞表面更均勻地分配。塊體的 最接近安裝支架7的端表面23由于不接收大量直接熱而無需被包覆。但是，如果需要可W被 包覆。
[0026] 下面列出所用材料的典型熱特性：
【主權(quán)項】
1. 一種斯特林發(fā)動機，該斯特林發(fā)動機包括殼體，該殼體容納布置成相對于彼此往復(fù) 運動的置換器與動力活塞，頭部鄰近所述置換器以吸收熱，所述頭部由銅塊體或鋁塊體圍 繞，所述塊體的主要部分包覆有厚度在3_至0.15_之間的不銹鋼或鉻鎳鐵合金包覆層。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述塊體所具有的從最外表面到所述殼體的最 接近部分的最大距離大于lcm〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的發(fā)動機，其中，所述包覆層的厚度為1mm至0.5mm。4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的發(fā)動機，其中，所述塊體具有與所述頭部同軸 布置的大體截頭圓錐形形狀，并且所述塊體的較寬端離所述頭部最遠，在所述較寬端處提 供有圓形面。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)動機，其中，僅所述塊體的在所述較寬端處的所述圓形面被 包覆。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動機，其中，所述塊體的圓錐面用鎳釬焊。7. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的發(fā)動機，其中，所述塊體具有與所述頭部同軸 布置的大體圓柱形形狀。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)動機，其中，所述塊體的頂面以及/或者側(cè)面被包覆。9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的發(fā)動機，其中，所述發(fā)動機是自由活塞發(fā)動機。10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的發(fā)動機，其中，所述發(fā)動機是線性發(fā)動機。11. 一種根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的發(fā)動機與布置成經(jīng)由所述塊體與包覆層 向所述頭部供應(yīng)熱的生物燃料源、廢熱源或者太陽熱源的組合。
【專利摘要】一種斯特林發(fā)動機，該斯特林發(fā)動機包括殼體，該殼體容納布置成相對于彼此往復(fù)運動的置換器與動力活塞。頭部(1)鄰近所述置換器以吸收熱，并且由銅塊體或鋁塊體(14,20)圍繞。所述塊體的主要部分包覆有厚度在3mm至0.15mm之間的不銹鋼或鉻鎳鐵合金層(18)。
【IPC分類】F02G1/055
【公開號】CN105658939
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】大衛(wèi)·安東尼·克拉克, A·H·格林
【申請人】麥克羅金能源控股公司
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2014年3月11日